时差法流量监测系统的建立与实践应用分析

(黄山水文水资源局，安徽 黄山 245000)

1 引 言

屯溪水文站是新安江干流的主要控制站，是皖南山区的代表站，同时也是国家重要水文站。2011年初，湖边水利枢纽在测站基本断面下游4.1km处建成并投入使用，其中拦水坝长230m，左岸建有船闸，右岸建有电站，屯溪站水位常年在122.00m左右。枢纽调节对流量测验带来很大影响，水位流量关系不再单一，全年采用连实测流量过程线法推流，流量测验任务繁重。针对测流作业现场测验时间长、劳动强度大、不能实时监测且低流速时测量不精确等问题，2011年引进德国时差法流量监测系统，在屯溪水文站进行了探索性试验和研究，取得了较好的效果，实现了流量在线监测，减轻测验负担。但使用过程中在河段选择、安装位置、系数选定等方面发现部分问题。为使时差法流量监测系统在实际工作中更好地应用，并保证一定的测验精度，本文对时差法流量监测系统的结构、原理进行说明，在应用过程中对安装建立进行研究与探讨，并结合新安江干流实际测流数据进行验证，利用实际监测结果对时差法流量监测系统进行比测率定分析，以期为水文自动化建设提供借鉴。

2 时差法流量监测系统结构、工作原理

时差法流量监测系统包括岸上测流控制器、一组(或几组)声学换能器、信号电缆、电源、防雷接地设施(含信号避雷器、电源避雷器、避雷地网)等组成部分，其中流量数据由岸上测流控制器计算得出。

声学时差法是采用声学流量计进行测流，声学时差法流量计基于流速面积法流量测量原理进行测流。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、含沙量发生变化，但当水流状况一定时，此传播速度是一定的。顺水传播时，实际传播速度为声速加上水流速度；逆水传播时，实际传播速度为声速减去水流速度。据此原理，在河流上、下游两固定点之间声波顺水和逆水传播所需时间有一定的差别，测出这时间差别就能测得水流速度，这种测量水流速度的方法称为“时差法”。

该系统工作原理如图1 所示。图中的θ为水流平均流向和超声波传播方向的夹角； A 、B 分别代表两个超声波换能器；td为换能器A发射、B接收时超声波在河道中传播时间，即顺流时间；tu为换能器B发射、A接收时超声波在河道中传播时间，即逆流时间；V为水体流速；L为超声波行走的路径长度，D为河道宽度。时差法流量监测系统顺流时间td和逆流时间tu分别用式(1)计算，即：

(1)

其中，C为超声波信号在水中的声速。设Δt为顺逆流时间差，见式(2)：

(2)

式中X——两换能器在水流方向上的间距。

因常见水体中声速要远远大于水体流速,故公式简化为式(3)：

(3)

也就是水体流速V，见式(4)：

(4)

由此可见，水体的流速与超声波顺波和逆波传播的时间差成正比。

3 时差法流量监测系统应用

3.1 测验河段选择

屯溪水文站测验河段顺直，无水量进出交换，水流状态稳定。河床规整，由连片岩石、卵石组成，两岸浆砌块石护坡，河底水草稀少，河面无频繁通航船只，水流状态稳定。符合时差法设备对测验河段的技术要求[1]。

3.2 系统设计

3.2.1 传感器安装位置设计

探头安装位置是否科学合理，决定了系统测验的精度，主要从水平、垂直2个方向考虑。

a.水平方向安装位置分析。水平方向安装位置应考虑以下因素：ⓐ两岸换能器应相互对准，误差不能大于3～5°，与断面线呈45°夹角，涉及的河段长和河宽相等；ⓑ安装探头的河岸要求陡直稳定，不易淤积，河段顺直，具有稳定的流态；ⓒ仪器安装位置离岸远，则水深大，造价高，阻碍航运，施工困难；离岸近应考虑其合理性、相关及局部地形影响[2]。

根据以上考虑因素，结合屯溪水文站现场情况，右岸换能器选在距离中泓岸边89m处，左岸换能器选在距离中泓岸边110m处。

b.垂直方向安装位置分析。根据对屯溪站大断面图的分析，平时大部分时间水位在122m左右，只有在汛期时，水位才有可能上升，但时间不长。另外，由于本断面较宽，时差法设备选用超声波时差法流量监测系统。本系统只在断面上安装一层超声波测量探头，测量传感器探头安装位置在高程119.5m处比较合适。屯溪水文站时差法测流断面和时差法设备安装位置如图2所示。

图2 屯溪水文站时差法测流断面和时差法设备安装位置

c.测验井设计。屯溪区内新安江为重要的旅游观光河道，从稳定性、安全性角度考虑，必须设计可靠的防撞保护设施。经过实地考察，结合仪器正常工作后的维护和保养，施工安装时，建设测验井2座，分布在河道两岸[3]。

3.2.2 供电信号线设计

由于换能器安装在河道两岸，仪器控制终端放在右岸站房内，根据现场情况，供电信号线路采用随上游公路桥过，安全可靠，便于工程施工，投资小。

4 时差法流量监测系统系数分析

2013年建成试运行至今，时差法流量监测系统在仪器性能稳定性及测速准确性方面，基本能满足实际生产需求。由于没有进行前期时差法流量监测系统系数的比测试验，故使用时差法时系数选用“1”计算，这势必影响到时差法的测流精度。

4.1 比测分析数据选取

为了消除断面及水位变化对系数分析产生影响，故采用流速进行对比分析。取2013年10月至2016年9月屯溪水文站实测流量资料，用各个实测时间挑选出对应的时差法流速，共选出436组数据，其流速变化范围为0.005～2.36m/s。

4.2 时差法流速系数分析

4.2.1 时差法流速整体分析

从时差法流速与实测流速相关关系(图3)中可看出：时差法流速与实测流速有较好的相关性，相关系数为0.9902，将时差法流速代入相关公式中修正。以实测流速为真值，计算修正后时差法流速的系统误差为1.68%，相对标准差为14.05%，相对不确定度为28.1%，均不满足规范要求，此相关公式不能使用。

图3 时差法流速与实测流速相关关系

4.2.2 时差法按流速级分析

因上述相关公式修正不能满足规范要求，故将时差法按流速级分析，从时差法流速与实测流速相关关系图中可看出：时差法流速与实测流速在0.1m/s以下、0.1～0.3m/s、0.3～0.5m/s及0.5～1.4m/s段具有较好的相关关系，相关系数均能到达0.98以上，而1.4m/s以上流速受含沙量影响较大，相关关系较差。各个流速段相关图如图4—8所示。

图4 流速0.1m/s以下时差法流速与实测流速相关

图5 流速0.1～0.3m/s时差法流速与实测流速相关

图6 流速0.3～0.5m/s时差法流速与实测流速相关

图7 流速0.5～1.4m/s时差法流速与实测流速相关

图8 流速1.4m/s以上时差法流速与实测流速相关

将时差法流速代入各个对应的相关公式中修正。以实测流速为真值，计算修正后时差法流速的系统误差、相对标准差及相对不确定度，成果见表1，满足比测随机不确定度不应超过7%；系统误差不应超过±1%的要求[3]。

4.3 成果检验

流量测验的基本原则应根据水流特性及控制情况等因素而定，总的要求是能准确推算出逐日平均流量和各项特征值。时差法流速修正分析成果检验也用于修正后的时差法逐日平均流量与连实测逐日平均流量进行对比[4-6]。选2016年1、2、3月对比，对比成果见表2。

表1 时差法测速误差计算统计

表2 逐日平均流量对比 单位：m3/s

修正后1月日平均流量的最大相对误差由24.8%下降到14.9%，月总量的相对误差由10.8%下降到1.9%。2月日平均流量的最大相对误差由42.5%下降到1.7%，月总量的相对误差由18.4%下降到3.1%。3月日平均流量的最大相对误差由71.9%下降到-2.2%，月总量的相对误差由27.6%下降到1.4%。修正后时差法逐日平均流量更接近连实测逐日平均流量，基本能推算出逐日平均流量和各项特征值，能满足实际生产需求。

5 结论与建议

5.1 结论

a.经时差法流速系数的比测，屯溪水文站时差法各个流速段相关公式可较精准地用于屯溪水文站时差法流量测验，为测流作业带来便捷。

b.时差法按整体流速进行拟合数据相关性较差，准确度不满足要求，而时差法按流速级分析，在1.4m/s流速以下具有较好的相关性，经实测数据检验，具有较高的准确度。

5.2 建议

在时差法流量监测系统应用及系数的比测中，提出以下建议供参考：

a.屯溪水文站采用时差法流量监测系统，实现了流量数据的自动采集和报汛，为流量的自动监测提供了新的途径。

b.若采用单层测流法时，应计算安装水深，确保所测水层平均流速能在各个水位与断面流速有较好的相关性；若采用分层测流法，应科学合理将水深划分成不同的水层，提高流量测验成果质量。

c.仪器安装河段要顺直，没有水量进出交换，河道地形要平整，应具备一定的水深，不适用于断面变化很大和过于宽浅的河道。安装声学换能器时要对准对岸相应的声学换能器，水平、垂直偏斜角度都要在仪器允许误差范围内。必要时可设置对换能器的保护设施，但应注意这些设施和仪器的安装设计都不对水流发生较大的扰动。

d.当河流含沙量较大时，时差法流速与实测流速相关关系较差，无法建立相关公式，而中低流速下相关关系较好。建议在中低流速下使用，具体的流速使用临界值根据各站具体情况而定。各使用单位应对不同水情进行比测试验，应分别采用不同的关系推流。

e.定时清理探头及河槽，消除泥沙水草阻挡换能器等不良因素对测验的影响。