超聲波多普勒流量計在后峽水文實(shí)驗(yàn)基地流量測驗(yàn)中的應(yīng)用

邸飛艷

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，過去對水資源及水文學(xué)的研究方法及工具逐漸不再適用，傳統(tǒng)的方法及測量工具使用操作不便，精確度較低，測量數(shù)據(jù)單一，測量工作需要耗費(fèi)較高人力物力。河流流量的測量方法有很多，其中超聲多普勒流量計是目前廣泛應(yīng)用的一種測量方法。超聲多普勒流量計利用聲波的多普勒現(xiàn)象來測量流速，其非接觸的特性非常適合于寬河道的測量。

1 研究區(qū)域

后峽水文實(shí)驗(yàn)基地站是烏魯木齊河上游控制站，天山北坡徑流試驗(yàn)基地，集水面積381 km2，河道長度33.9 km。經(jīng)水文站試驗(yàn)，河段順直、水流集中、斷面穩(wěn)定，可滿足高、中、低水位水文試驗(yàn)要求。斷面以上各監(jiān)測點(diǎn)的水文信息能否準(zhǔn)確測量和傳輸，直接影響烏魯木齊市的防洪指揮，因此其地理位置十分重要。但后峽水文站作為區(qū)域代表性站，降水豐富，山洪頻發(fā)，交通不便，人工流量監(jiān)測難度較大[1]。

烏魯木齊河位于天山北坡中段，起源于天格爾二號峰附近的第一冰川，來源在海拔4 479 m以上，其西部與屯河水系相連，東部與板房溝河支流相連。河流大致由南向北流動，與支流匯合進(jìn)入烏拉博水庫，沿和平運(yùn)河向下游流經(jīng)烏魯木齊市區(qū)，最后到達(dá)東島海子，全長214 km，總長流域面積4.684 km2[2]。烏魯木齊河是融化的冰雪、降雨和地下水的混合物。

后峽水文實(shí)驗(yàn)基地站位于河口上方約10 km處，流域面積924 km2，年均徑流量2.45×108m3[2]。烏魯木齊河發(fā)源于山區(qū)，河流沿坡度大、流量短的河流發(fā)展。在洪水季節(jié)，突發(fā)洪水通常是由陣發(fā)性大雨或大雨引起的。由于洪水變化很大，故難以及時準(zhǔn)確地估計其洪峰和洪量。因此，對下游烏拉博水庫的防洪工程和措施等，尤其對烏魯木齊市的安全構(gòu)成了威脅。

2 超聲波多普勒流量計工作原理

超聲波是波長非常短的機(jī)械波，頻率通常高于20 kHz[3]，但它頻率高，可以聚集更多的能量，穿透力強(qiáng)，傳輸距離長，被廣泛用于河道流量測量等[3]。超聲波多普勒流量計基于流體流量對其內(nèi)部聲波信號的影響，并通過檢查聲波信號的變化獲得流量信息。當(dāng)被測介質(zhì)的流速不同時，超聲脈沖的傳播速度在其坐標(biāo)系(如儀器外殼)內(nèi)部也大不相同，并且傳播速度和介質(zhì)相關(guān)。該方法分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法以及噪聲法等[4]。

組件包括超聲波換能器、信號傳輸電纜以及后續(xù)的信號處理裝置，即超聲發(fā)射器和接收器，主控制芯片及其外圍電路[5]。超聲波多普勒流量計的管壁上一般安裝有超聲波換能器，可把輸入的電功率轉(zhuǎn)換成超聲波再發(fā)射出去[5]。換能器需要做好屏蔽措施，以防外界噪聲干擾等因素影響超聲波回波信號準(zhǔn)確度。

3 應(yīng)用實(shí)例

本研究以烏魯木齊河上游段的后峽水文實(shí)驗(yàn)基地站河流為研究地區(qū)，在已有傳統(tǒng)流速儀測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與研究的基礎(chǔ)上，采用超聲波多普勒流量計(型號為NF—LSX—1，測量范圍為±5 m/s，精度為±1 cm/s)進(jìn)行測量分析。在測量區(qū)域合理安裝測量點(diǎn)，并配置多普勒超聲流量計頭。當(dāng)流量計處于良好狀態(tài)時，可以實(shí)現(xiàn)對河流流速的在線監(jiān)測。同時，該站研究了多點(diǎn)測量方法以確定側(cè)向流速，在橫向流速相對急劇變化的點(diǎn)選擇測量點(diǎn)(見表1)。

表1 不同條件的河道斷面測點(diǎn)布設(shè)情況

在實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行垂向流速測量時，流量計放置于斷面內(nèi)區(qū)時可獲得更加精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。實(shí)測時一般要求河道斷面區(qū)域數(shù)量通常大于垂向測點(diǎn)數(shù)量，故將河道斷面橫向等分為5～10個區(qū)域進(jìn)行測量，將數(shù)據(jù)代入公式(1)、(2)計算可得垂向平均流速[6]，從而可以求出斷面平均流速，進(jìn)而推求得到斷面瞬時流量：

(1)

式中，u、V分別為測線上任意一點(diǎn)的流速與平均流速；a、b為垂向流速分布系數(shù)；y為測點(diǎn)離渠底距離，H為水深。

(2)

式中，c為垂向流速分布系數(shù)；其他如上。

在后峽水文實(shí)驗(yàn)基地站河道中，選取河道斷面多個測量點(diǎn)位，分別用預(yù)測示差流速儀法和傳統(tǒng)兩點(diǎn)法對所研究河道進(jìn)行斷面流速分析，并將計算出的平均流速與人工實(shí)測流速進(jìn)行比較(見表2、表3)。

表2 河道流速計算值與實(shí)測值對比(預(yù)測示差法)

表3 河道流速計算值與實(shí)測值對比(傳統(tǒng)兩點(diǎn)法)

可以看到，這兩種方法在河道流速測量中的誤差均在±5%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。對于河道流速測量要求來說，使用超聲波多普勒流量計精度相對較高，操作方法可行，數(shù)據(jù)可實(shí)時獲取。

4 結(jié) 語

超聲波多普勒流量計具有非接觸式、無阻撓且無壓力損失等優(yōu)點(diǎn)，在流量測量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。為了獲得更精確的流量測量數(shù)據(jù)，工作技術(shù)人員需要按照超聲波流量計使用要求與當(dāng)?shù)貐^(qū)的實(shí)際情況相結(jié)合，不斷探索，努力提高超聲波流量計的工作效率。本研究以烏魯木齊河上游段的后峽水文實(shí)驗(yàn)基地站河流為研究地區(qū)，選定不同的河道斷面，利用超聲波多普勒流量計，分別用預(yù)測示差流速儀法和傳統(tǒng)兩點(diǎn)法對選定的河道進(jìn)行斷面流速分析；并將計算出的平均流速與人工實(shí)測流速相比較，得到超聲波多普勒流量計使用便捷且結(jié)果可行，能夠滿足規(guī)范要求。

■