中小河流水文测流选配方案分析

2015-12-12姜建波霍中迁

江苏水利 2015年10期

姜建波梁军吴昊霍中迁

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005）

流量信息采集需要在断面上设置测流设施，采用规范规定的测流方法，施测过水断面流速，再根据采集的水位、流速等信息，依据水位面积关系，计算出断面平均流量。对可以率定水位流量关系的测站，通过率定水位流量关系，据此可推算各个时刻的瞬时流量，再计算各时段的平均流量和水量；对不能率定水位流量关系的测站，可通过连续施测流量过程数据，采用实测流量过程线法计算各时段的平均流量和水量。

1 常规流量测验方法

常规流量测验方法主要有流速仪法和超声波走航法。

1.1 流速仪法

流速仪法是流量常规测验方法，一般采用缆道或测船进行施测，其技术成熟，测流精度高，无须其它条件和借用辅助设备，目前是我国水文系统流量测量的主要（标准）手段之一。但是，由于该方法每次测流需在多条垂线上的很多个测点进行施测，一次流量测验需要几十分钟甚至更长时间，故无法实现在线或连续测流。

1.2 声学多普勒水流剖面仪法

超声波多普勒水流剖面仪（ADP或ADCP）是一种游动式测流设备，适用面宽、精度高、施测速度快，它在一次测流中，能同时测出河床的断面形状、水深、流速。因此，在我国水文部门已逐步广泛应用此法进行江河固定断面的流量测验和水文巡测。但是，该方法需要采用测船或缆道牵引方式，目前还难以实现全自动测流。

2 全自动流量测验方法

随着国外新技术和设备的引进，声学多普勒流量测验、超声波时差法流量测验已在部分地区得到应用。

2.1 声学多普勒流量测验

声学多普勒流量测验是利用声学多普勒原理测量流速，分为声学多普勒横向流量测验、声学多普勒垂向代表线法流量测验两种方式。

（1）声学多普勒横向流量测验。声学多普勒流速测量传感器通常安装在河流或渠道的岸边，其水平或斜线发射的波束涵盖部分或整个宽度的水体，可实时测量一个水层或两个水层的流速分布。声学多普勒流速剖面仪主要由一个到多个超声波探头组成，可沿水平方向，也可水平与斜线交叉随意组合（可不在同一水层）发射两束或多束声波，利用多普勒原理测量水流一层或多层几百个点位置上的流速。

声学多普勒横向流量测验的工作原理是：将声学多普勒流速测量传感器探头固定安装在水面下某一水深处，使声学多普勒探头上的声学传感器位于水下同一层面上或上下两个层面上，声学多普勒传感器呈一定角度向对岸发射超声波时，超声波遇到水中和水一起流动的悬浮物会产生反射，部分声波反射至发射端被声学多普勒流速测量传感器接收，且反射回来的声波频率会随流速的大小发生变化，根据频率大小便可计算出各层水流某一段上各点的矢量流速。只要测验范围达到断面主槽，就能建立稳定的层流速与断面平均流速的关系。另外需测量水深，再根据水深和仪器安装高程算出水位，然后由“水位-过水面积关系表”便能得到过水面积。现场数据采集仪利用声学多普勒流速测量传感器提供的流速数据及水位数据，采用“指标流速法”可实时计算流量，或用流量计算模型直接计算流量。

（2）声学多普勒垂向代表线法流量测验法。以曼宁公式为基础，借助水力学实验方法，从矩形、三角形断面入手，寻求垂线流速与断面平均流速的关系，建立与曼宁公式具有相同结构形式的垂线流速公式，改天然河道中综合糙率为分解糙率，并以二条实测垂线流速为已知条件反求能坡（水流能量坡度）参数，代替曼宁公式中比降与糙率的比值关系，从而使成果精度显著提高，并借助等效流量原理，可解决多种非恒定、非均匀流条件下流量测验问题。

两条垂线的布设：两条流速垂线位置不应该选择岸边和中泓，应该分别选择在距左、右岸约1/4 水面宽处为宜。

垂线流速测验。将2 台声学多普勒多点剖面流速仪安装于河道底部，由河底向水面发射声波进行测量。可测得由河底至水面每隔0.25 m 为一个单元的流速，就好比用多个流速仪每隔0.25 m 水深放置于一垂线上同时进行在线测量（如图1 所示）。

2.2 工作原理

超声波时差法流量自动监测工作原理：按流动方向对称地安装一对换能器，声波在静水中传播时，有一恒定的速度，此传播速度会随水温、盐度、含沙量发生一些变化，但当水流状况一定时，此传播速度是一定的。由于水流速度的影响，在顺水传播时实际速度大于声速，逆水传播时实际速度小于声速。通过超声波时差法流速仪器测得声波顺、逆流方向的传输时间，在测量距离固定的情况下便可算出测线平均流速，故称为“时差法”（如图2 所示）。

声学多普勒横向流量测验、声学多普勒垂向代表线法流量测验、超声波时差法流量测验等流量在线监测方法都是建立在流速面积法的基础上，通过测量部分流速，经计算得到断面流量数据。几种流量在线测验技术对比分析情况见表1。

由表1可知，运用时差法流量测验方法测流时从河底铺设水下电缆往往很困难，时差法流量自动监测系统（无线声路）是用无线方式代替电缆，即：左岸的主机连接一个换能器，对面岸堤安装一个副主机和一个换能器，一个主机最多可以同时控制2个断面，2 个传感器主机和副主机之间的通讯通过无线方式完成。垂向代表线法流量测验方法是将测流传感器安装在河底基座上，这种测验方式在通航河道运用时需要与航道管理部门协调，但运行维护比较困难，有条件的测站可以采用。声学多普勒横向法流量测验方法是将测流传感器安装在河道的一侧，通过测量一层的流速来计算流量，对设备的安装和率定都相对方便，且多普勒横向流量测验方法具有安装调试方便的特点，比较适合用于中小河流断面流量自动测验，但对水位变幅较大的断面需要安装自动升降设施，以减少率定的工作量。