一种浮体式水面在线测流系统的设计探讨

冯瑞++马尚贤

摘 要：本文简要分析了现行几种测流方法应用时的局限性，就此提出了一种浮体式水面在线测流系统的设计方案，并简要介绍了该系统的结构组成及设备用途，阐述了浮体式水面在线测流系统的设计原理，指出了该系统实现后在实际应用中应注意考虑河床冲淤变化对测验断面面积的影响，分析了该系统实现后的優缺点，以期能推进水文测验仪器的研究。

关键词：浮体式 水面 在线 测流 夹角

中图分类号：TH89 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（b）-0238-02

流量测验在水文测验中占有重要地位，因此国内外有众多的测验仪器被应用于流量测验。目前，国内外常用的流量测验方法主要有以下几种，流速仪法、声学多普勒流速剖面仪法（ADCP）以及电波流速仪法。流速仪法主要是用流速仪实测断面上一系列测点流速，并施测断面面积，推求断面流量的一种方法。其测验精度较高，测量成果较可靠，但在水流含沙量较大时转轴加速、漂浮物多时易缠绕等问题难以解决；ADCP突破传统机械转动为基础的传感流速仪，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波被水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速。其具有能直接测出断面的流速剖面、不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点，但在水流含沙量较大时，测量信号会有所衰减[1]；电波流速仪法是利用多普勒效应，通过电磁波遇到河道水体表面时发生反射，在波源、观察者、不同介质之间发生相对运动而引起电磁波频率改变来施测水面流速，测量过程不受含沙量、漂浮物影响，但在断面流态平稳，水面上波浪微弱时反射信号很弱，会导致仪器无法正常工作，且成本高昂[2]。上述流量测验方法均需人工现场操作，在目前有相当数量的水文站采用巡测方式取得水文资料的情况下，开发一种操作简单、成本较低、具有实时远程在线测流功能的测流系统具有一定的现实意义和价值。

1 系统的结构组成

本系统包括浮体式水面流速仪、水面流速仪信号传感器、角度传感器、GPRS数据采集通讯终端、中心站计算机以及中心站数据接收处理及查询显示等软件。流速仪是由固定长度的钢丝绳牵引，然后悬挂在横跨断面左右岸的钢丝绳上，如图1所示。由此，牵引流速仪的钢丝绳与水面水平方向会有一个夹角，夹角大小由安装在两者之间的角度传感器测得。

2 系统设备用途

浮体式水面在线测流系统中浮体式水面流速仪用于测定水面流速，再结合断面资料及系统系数来推求流量。用水面流速与断面面积乘积求得的流量称为虚流量。虚流量乘以系统系数可得到需要的实测流量。其中，系统系数可由浮体式水面在线测流系统测流与流速仪法测流进行比测得到。角度传感器用于测量不同水位时牵引钢丝绳与水面水平方向的夹角，经换算后可知断面实时水位。GPRS数据采集通讯终端用于传输水面流速仪信号传感器和角度传感器收集的数据至中心站前置数据接收计算机。GPRS是一种基于CSM的移动分组数据业务，不仅提供点对点，而且提供广域的无限IP连接，以分组的形式将数据传送到用户手中[3]。中心站计算机软件主要有前置数据接收软件、数据转储软件、实时数据查询软件。

3 系统主要功能

自动读取水位；实时测量水面流速；实时计算断面流量；显示水位及流量报表和曲线；远程实时查询断面水情及流量数据。

4 系统应用原理

在测流断面布设多个底部安装有滚水轮的浮体式水面流速仪，流速仪是由固定长度的钢丝绳牵引，然后悬挂在横跨断面左右岸的钢丝绳上。由此，牵引流速仪的钢丝绳与水面水平方向会有一个夹角，夹角大小由安装在两者之间的角度传感器测得。当流速仪漂浮于水面，水流流过滚水轮时，水流直线运动能量产生滚水轮转矩。此转矩克服滚水轮的惯量、轴承等内摩阻，以及水流与滚水轮之间相对运动引起的流体阻力等，使滚水轮转动[4]。从流体力学理论分析，上述各力作用下的运动机理十分复杂，而其综合作用结果却比较简单，即在一定的速度范围内，流速仪滚水轮的转速与水流速度呈简单的近似线性关系。利用水槽实验方法，可建立滚水轮转速与水流速度之间的经验公式，公式（1）如下：

V=a+bn （1）

式中a为常数；b为滚水轮的水力螺距；n为滚水轮的转率。

当断面水位发生变化时，牵引流速仪的钢丝绳与水面水平方向的夹角也会发生变化。如图1所示，依据夹角大小便可求得水深，公式（2）如下：

h=d-lsinα （2）

式中h为水深；d为横跨断面左右岸的钢丝绳与河底之间的距离；l为牵引钢丝绳长度；α为钢丝绳与水面水平方向的夹角。

根据流速仪信号可求出部分平均虚流速，再利用水深求出部分面积，进而可知部分虚流量。断面虚流量的计算方法与浮标法测流的计算方法基本相同，断面虚流量乘以系统系数，即为断面流量。在线测流系统的数据采集和处理，是将流速仪信号传感器以及角度传感器的采集数据通过GPRS无线网络传送到中心站，中心站使用固定IP地址的计算机接受数据，通过转储程序解码流速、角度等，同时进行实时计算，经解算的结果存入数据库，最终在查询系统中以过程线和数据表格的方式加以体现，如流量和水位过程线、流速流量表格等。

5 系统应用时应注意的问题

该系统测流时，水道断面面积正确与否，是影响流量精度的关键因素。尤其是河床冲淤变化显著的测站，测验的同时应尽可能地实测断面。但在特殊情况下，如果实测断面有困难，可借用断面计算流量，但应注意此时借用断面可能会带来较大误差，故必须注意加强分析。河床稳定的测站，可借用最近的实测断面资料。

6 系统的优缺点

浮体式水面在线测流系统的优势是可测得连续时间内的流量，稳定性、可靠性、智能化程度高，操作简单，测速范围广，自体保护性能强；其缺点一是浮体式流速仪由钢丝绳上牵引，侧风较大时会影响其测验精度。二是横跨左右岸的钢丝绳有一定弧度，风力较大时会出现摆动，同样影响其测验精度。三是浮体式流速仪由钢丝绳牵引，只能固定于某一断面，移动性较差。

7 结语

浮体式水面在线测流系统实现后可用于无人值守情况下实时动态监测水位流量变化过程，可提高仪器的可靠性和人员的安全性，降低测站的运行成本和人员的劳动强度，同时安装维护方便，施工费用低，全自动稳定可靠，为加快先进水文仪器设备的开发积累有益经验。

参考文献

[1] 蔡培青.几种主要测流方法的简述[J].数字化用户， 2017，13（4）：107.

[2] 丁志良.电波流速仪的原理与应用简介[J].水利水文自动化，1991（2）：46-48.

[3] 冯建军.ADCP原理及数据处理方法[J].港工技术， 2007（3）：53-55.

[4] 中华人民共和国水利部.河流流量测验规范[S].北京：中国计划出版社，2015.endprint