基于稀释法的矩形明渠自动测流研究

胡琳君，周义仁

(太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024)

众所周知，水是人类宝贵的资源, 合理开发和利用水资源是实现我国水资源可持续发展的重要措施。现在我国的农业、工业大部分采用明渠输水，实行按量计费的方式，并且我国水资源的60%以上用于明渠灌溉、排洪或向工厂供水[1]。2012年国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，进一步明确了水资源开发利用控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条红线”的主要目标； 2015年中央一号文件对农业很多领域做出改革部署，包括推进农业水价综合改革；2013-2018年，实行了国家水资源监控能力建设项目。因此，对量水设施的研究应该从测流精度、投资成本、便于操作等方面考虑。

传统明渠测流有流速面积法、坡降-水力半径-面积法、水工建筑物法、稀释法等。流速面积法的关键技术问题是断面平均流速测量误差大，坡降-水力半径-面积法只适用于均匀流，水工建筑物法需要提前修建特定建筑物，稀释法采取现场取样、人工读数的方式，容易产生较大的误差，耗时耗力。本文综合分析了这些因素，研发了一种基于稀释法的便携式自动测流装置。该测流装置主要由YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)与单片机测控系统组成，使用时将YD-1H型盐度计探头调节至水面以下，通过单片机记录水流的盐度变化值，避免了现场取样和人工读数带来的误差，提高了测流精度，缩减了测流时间。

1 测流原理

稀释法测流是采用盐类、荧光染料和放射性同位素等示踪剂，在具有一定紊动程度的明渠中，在一个控制断面投入示踪剂，与水充分混合后，在下游断面用浓度传感器测量水流浓度，然后换算成流量的方法。要求测流段无引入支流；有一定的混合长度，可以使示踪剂溶液与水混合均匀；示踪剂不能与水及水中物质发生化学反应，不能与光发生光合作用。控制断面注入示踪剂有两种方法：一次注入法和匀速注入法。本文实验采用一次注入法，采用的示踪剂是食盐溶液。

明渠混合长度计算公式为：

(1)

式中：b为宽度；d为水深；C为谢才系数(15

一次注入法(积分法)流量推求公式为：

(2)

式中：Q为测验明渠的流量；C0为取样断面处水流中原有的示踪剂浓度；C1为上游断面处一次注入示踪剂的浓度；C2为不同时间在取样断面处的示踪剂浓度；V为上游断面处一次注入示踪剂浓度为C1的全部溶液体积；T为示踪剂在取样断面由出现至消失的总历时[2]。

明渠流量Q只是浓度C和时间T的函数，示踪剂溶液投入后，在下游断面用盐度计测量各时段盐度的变化值，通过总线RS232和上位机实现在线监控，通过采用自带A/D转换功能的STC12C5A60S2单片机处理实验数据，并通过RS485通信接口，以无线传输的方式，传输到控制中心的计算机进行实时观测。

2 数据采集系统

2.1 系统工作过程

系统采用HT211ATC盐度计折射仪(测量范围0‰～100‰)和YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)测量水中盐度值，两种盐度计感应的分别是光线的折射率和电导率，HT211ATC盐度计折射仪测量示踪剂溶液盐度值，YD-1H型盐度计测量实验过程中水流持续变化的盐度值。本文实验装置为基于稀释法的自动测流装置，其系统工作过程框图见图1。

图1 系统工作过程框图

实验开始时，自带A/D转换功能的STC12C5A60S2单片机发出指令，通过示踪剂投放装置上的电磁阀，控制示踪剂溶液投放。下游检测点感应到持续变化的16组盐度值，把模拟量数据传输给多路开关电路(译码器)，然后由单片机发出指令，译码器执行指令，分别把16组数据 ，经过放大器放大，传输给自带A/D转换功能的STC12C5A60S2单片机进行处理，取简单算数平均值。实验测得流量Q(简单算数平均值)可以直接传给LED进行现场显示[3]，也可以通过GPRS模块，无线远距离传输给控制中心，进行实时在线观测和储存。

系统主要由盐度计横板、示踪剂投放装置、多路开关电路、放大器、自带A/D转换功能的STC12C5A60S2单片机、总线、远程计算机组成。其中YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)采用的是16对电极及其电子单元，是核心部件。系统实现了自动化测流的全过程。

2.2 基于稀释法的自动测流装置

基于稀释法的自动测流装置的结构图见图2～图4。图2为示踪剂投放装置正视图，图3为示踪剂投放装置剖面图，图4为检测点浓度计装置的机械结构图。装置由3部分组成：示踪剂投放装置、检测点浓度计装置和控制系统。示踪剂投放装置、控制系统和检测点浓度计装置通过总线RS485相互连接，控制系统是由多路开关电路、放大器、自带A/D单片机、GPRS模块及其显示中心连接所述示踪剂投放装置与所述检测点浓度计装置构成。示踪剂投放装置位于图1中的投放断面，由控制系统中的单片机控制示踪剂投放；检测点浓度计装置位于下游检测断面，核心部件是YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)，用于测量水流盐度值，并传输给控制系统处理数据。示踪剂投放装置与检测点浓度计装置之间的水流长度为混合长度LM。基于稀释法的自动测流装置是按下列步骤进行的：①将自动测流装置置于渠道上方，将图4中的浓度计横板放于检测断面上方，横板上均匀分布有n(其中n=16)个YD-1H型盐度计，通过总线与单片机连接，调节n个盐度计，使盐度计探头位于水面以下； ②将投放装置横板平行放在示踪剂投放断面，接通电源，点击液晶显示屏上的开始；③搅拌器开始自动运行5 min，搅拌水箱中的示踪剂溶液，使静置后的、具有一定浓度的示踪剂溶液混合均匀；④5 min后，打开上电磁阀门，使混合均匀的示踪剂溶液进入具有特定体积的量筒中，待溶液装满，关闭上电磁阀门，打开下电磁阀门；⑤量筒中溶液由管道一次投入，整个过程由自带A/D转换功能的单片机控制；⑥当检测点感应到持续变化的n组浓度值，由总线RS485把模拟量数据传输给多路开关电路(译码器)，然后由单片机发出指令，译码器执行指令，分别把n组数据 ，经过放大器放大，传输给自带A/D转换功能的单片机进行处理，取平均值；⑦放大器输出的模拟信号，经过自带A/D转换功能的单片机转换后，可以直接传给LED进行现场显示，也可以通过GPRS模块，无线远距离传输给控制中心，进行实时在线观测和储存。

图2 示踪剂投放装置的机械结构图(正视图)

图3 示踪剂投放装置的机械结构图(剖面图)

图4 检测点浓度计装置的机械结构图

3 试验过程

3.1 实验仪器

实验仪器包括：HT211ATC盐度计折射仪(测量范围0‰～100‰)，YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)，500 mL量杯，卷尺，测水位千分尺，秒表，食盐，电磁流量计，浮标。

3.2 实验步骤

(1)选定待测物理量。b(宽度)，d(水深)，v(表面流速)，Q1(电磁流量计)，C1(上游断面处一次注入示踪剂的浓度)，V(注入示踪剂浓度为C1的全部溶液体积)，t(时间)，C0(取样断面处水流中原有的示踪剂浓度)，C2(不同时间在取样断面处的示踪剂浓度)。

(2)已知水力实验大厅矩形明渠宽度b=0.5 m，用千分尺测得水位d=0.277 1 m，g取9.8 m/s2,谢才系数C取50(为保证最大混合长度)，计算混合长度LM为：

其中，本实验选定混合长度为27 m。

(3)读取电磁流量计流量为0.058 m3/s；用浮标法测得表面流速为0.432 m/s；选择紊动程度较高的断面为投放食盐溶液断面(记为A)，用卷尺向下游测量27 m，为取样断面处(记为B)；量杯装500 mL水，加入适量食盐，搅拌至食盐全部溶解，用HT211ATC盐度计折射仪(测量范围0‰～100‰)测量量杯中食盐溶液的浓度值为96.5 g/L，量杯中溶液体积为0.5 L；将YD-1H型盐度计(测量范围0‰～9.999‰)放入水中，待读数稳定后，记录C0(取样断面处水流中原有的示踪剂浓度)值为0.502 g/L；与此同时，在A断面一次注入500 mL食盐溶液，注入瞬间开启秒表，63 s后，YD-1H型盐度计的读数开始增大，每隔3s记录一次读数，直到读数变为0.502 g/L时，停止记录；至此，一次实验结束。

(4)重复以上实验6次。

3.3 注意事项

实验所用示踪剂不能与水以及水中的物质发生反应，同时不能与光发生光合作用；食盐溶液必须具有一定的混合长度，并且投放断面A处应该保证一定的紊动程度，使得食盐溶液充分混合均匀；所选仪器的测量范围必须与实验开始前估算的浓度范围一致。

3.4 试验结果及数据分析

为了检测该自动测流装置的实用性，在太原理工大学水力实验大厅的矩形明渠进行实验，矩形明渠底宽为50 cm，将实验测得流量与电磁流量计所测流量进行对比分析，一次实验数据见表1。

表1 一次实验数据(测得C0=0.502 g/L)

3×0.016+3×0.021+3×0.040+3×0.097+

3×0.041+3×0.024+3×0.013+3×0.011+

3×0.008+3×0.004=0.825

重复上述实验，通过改变矩形明渠流量进行多次重复实验，重复实验数据见表2。

4 结 语

通过对矩形明渠中的实验数据进行分析，基于稀释法的自动测流装置在矩形明渠中测流和电磁流量计测流的相对误差控制在了4%以内，进一步证明了基于稀释法的自动测流装置在矩形明渠中测流的可行性与准确性[4]。

传统的测流方法如流速面积法[5]具有断面平均流速难以测量的关键问题，稀释法通过测量浓度，然后换算成流量，不需要对断面平均流速进行测量，减少了不可避免发生的误差(断面平均流速无法精确测量)。但需要保证溶液混合均匀和所选示踪剂不与水以及水中物质发生反应，不与光发生光合作用，保证示踪剂溶液具有一定的混合长度，与水流混合均匀。本文将稀释法与物联网云平台相结合，对单片机进行硬件和软件设计，制作了一种基于稀释法的自动测流装置。由YD-1H型盐度计测量水流的盐度变化值，通过自带A/D转换功能的STC12C5A60S2单片机，换算成明渠流量值，由总线RS485和上位机通讯传输，实现在线监控，还可以通过无线，传给远程计算机进行监测和储存。

基于稀释法的自动测流装置与传统的测流装置，如流速仪测流相比，减小了成本和误差，提高了适用性。本文所述装置实现了自动化测流过程，节省了人力、物力和测流时间，解决了应用稀释法测流时，人工读数容易产生较大误差的问题。解决了断面平均流速不能精确测量的关键技术问题，通过浓度直接换算流量，极大地减小了测流误差。基于稀释法的自动测流装置能应用于多种断面明渠中，对断面形状没有要求，流量只是浓度和时间的函数。该装置测流精度高，经济实惠，易携带，能应用于各种各样的复杂环境，具有良好的应用前景和市场推广前景。