超声波时差法测流技术在三角洲站的应用

李 飞

（长沙水文水资源勘测中心，湖南 长沙 41000）

前 言

21 世纪初，党中央与时俱进提出“水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源”；党的十八大提出“建设生态文明”。由于我国自然条件复杂，水资源时空分布严重不均，由此带来的洪涝灾害和用水矛盾事件频繁发生。已成为制约我国可持续发展的主要瓶颈之一。党和政府在坚持抓好防汛减灾的同时，提出要大力发展民生水利，实行最严格的水资源管理制度，把严格水资源管理作为加快转变经济发展方式的战略举措。要搞好防汛减灾和水资源的合理配置，抓好水文监测是关键。

2019 年以来，水利部鄂竟平部长多次强调指出水文要下大力气研究和应用新技术，改进监测手段和方法，提高水文自动化、智能化水平。2020 年全国水文工作会议对水文现代化建设进行了安排和部署，要求加快应用新技术新设备，提升水文测报自动化水平。

为加快水文监测现代化建设的步伐，水利部办公厅《水文现代化建设技术装备有关要求》文件提出了加强水文监测现代化的总体思路和实施要求。其中，在河流流量测验方面明确提出根据水文测站功能和特性，选用声学多普勒流速剖面仪法；雷达测速；声学时差法；比降面积法；图像识别技术；水工建筑物与堰槽测流。并实现流量在线自动监测的要求。长沙水文水资源勘测中心先期在长沙市三角洲水文站进行了声学时差法流量测验技术研究，并取得了较好的成效，现将试验情况做一简要介绍。

1 三角洲水文站的基本情况

三角洲水文站位于湖南省长沙市开福区栖凤路铁路桥上游300 m 处，为湘江一级支流浏渭河的下游控制站。集水面积约3 815 km2，属长沙市防汛专用水文站。测验河段顺直，断面呈“U”形。河床有卵石夹沙组成，贴近河床处有水草生长（但不深）。无分流、串流。中高水位主槽宽约200 m。上游1 000 m 处有车站北路浏阳河大桥一座，下游300 m 处有芙蓉路公路桥一座及京广铁路桥两座。测验断面下距河口约800 m，易受湘江干流回水顶托影响。高中低水位级划分参照朗木 梨水文站高中低水位级划分进行确定，33.80 m 以上为高水位，33.80～30.00 m 为中水位，30.00 m 以下为低水位。

2 三角洲水文站在线测流设备的选择

由于三角洲水文站断面较宽，底部受水草影响，实施H-ADCP 测流存在困难；又由于处于通航河段，没有过河缆道，且回水顶托影响，水面流速变化很大，最小水面流速低于固定式电波流速仪测速指标，因此，固定式电波流速仪在本站也不太适合。经查勘，三角洲水文站测流断面河床最低处高程约21.90 m，河床平均高程约24.50 m，常年最低水位约29 m，最低水位情况下平均水深也达4.5 m，为典型的“U”形河床，河底虽有水草，但选择适当的高程和安装方式，完全可以实施超声波时差法测流。因为河宽不便铺设电缆，可采用无线超声波时差法设备。

3 无线时差法在线测流系统测流原理

超声波时差法的工作原理是：由于测流介质是流动状态的，存在介质波，当超声波在该介质中单向来回传播时，如果同一平面上介质波方向与超声波方向呈一定倾斜角，超声波与介质波之间存在波的传播速度的抵消和叠加。超声波脉冲向下游方向比向上游方向传输速度更快。两个方向的传播时间差为ΔT，利用公式可计算出介质断面的平均流速V，并通过测流介质断面的剖面面积A，计算出流量Q。也即：超声波时差法是利用超声波在测流介质里的两点间来回方向传输的时间差来计算流速和流量的。

传统的超声波时差法需要在测验河段的两岸间架设换能器电缆，对应用造成了限制。为解决河面宽而不便于架设电缆的困难，无线时差法采用了主、辅机结构，利用卫星授时信号将主机和辅机工作在绝对同步状态（实际同步误差不大于20 ns）。同时，采用超短波或其它无线通信手段完成两岸信息沟通。这就是典型的无线时差法设备结构。

4 时差法在线测流系统组成和安装

2018 年，三角洲水文站引进了一套28 kHz 无线超声波时差法测流仪（包括主机、辅机和换能器）（选择进口设备也是基于国内没有无线时差法类似产品），考虑到河宽和汛期泥沙等因素，选择超声波频率28 kHz，1 000 W 的技术指标。并与国内设备配套形成在线测流系统。系统由超声波时差法测速仪、水位计、数据采集设备（RTU）、通讯设备、供电系统、机箱等组成。

根据三角洲水文站水位变幅不大的情况，该站采用了单路径时差法测流系统。

经过实地查勘，且按照时差法在线测流技术规范，综合考虑测流河段相对顺直，测验区域内无岔流，无严重紊流，换能器周围无排水管道，远离水工建筑，河床稳定，水深适中，无水草和螺丝等水生物影响。确定时差法测流两换能器分别安装在河流的下游左岸和上游右岸，安装高程均为27.2 m。其声线与河流轴线呈45°夹角，声线长度为255 m 左右，两换能器在断面上的投影距离为180～190 m。系统主机安装在左岸，在倾斜式河堤内侧用混凝土固定换能器安装轨道，换能器安装于轨道上，在河堤上部立杆固定机箱，机箱内安装时差法主机、气泡水位计主机、电源系统、卫星终端、通信终端、GPRS 模块等。

系统辅机安装在左岸，换能器安装于固定在垂直河堤的专门轨道上，辅机机箱安装于轨道旁边的堤岸上，机箱内安装有时差法辅机、电源系统、卫星终端、通信终端等。

主、辅机之间的联系采用230 MHz 频段（开始采用的433 MHz 频段）的专业超短波电台。

在后续的调试运行中发现，该声道换能器接收信号较好，系统运行较为稳定，时差法所测层流速与断面平均流速的相关关系良好。声道选择是比较成功的。

图1 为三角洲断面图。

图1 三角洲断面图

5 时差法在线测流系统比测率定

5.1 比测过程与结果

由超声波时差法测流的原理可确定，时差法测流为一种以层平均流速代替断面平均流速的间接流量测验方式，与直接全断面流速测验有所不同。因此，以层平均流速代替断面平均流速计算流量时必须事先对层平均流速进行修正。据水力学原理，层平均流速与断面平均流速间存在很强的相关关系，但由于受断面形状、比降、糙率等水力因素的影像，使得每一测流断面和同一断面的每个水位级的修正系数都不可能相同。率定的目的就是通过与时差法同时刻的精确流量求取二者的相关系数，将这个系数置入时差法设备中，在以后的运行中，时差法设备输出的经过修订的流量数据就可认定为精确的流量数据了。

2019 年3 月10 日至7 月19 日共进行了30 次流量比测。

由于已进入汛期，水位变幅比较大，有低、中、高水比测数据。在比测30 次流量中，33.80 m 以上高水位测次为9 次，30.00 ～33.80 m 中水位测次为13 次，30.00 m 以下低水位测次为8 次。实测最大流量1 010 m3/s，相应水位为33.70 m；实测最小流量86.0 m3/s，相应水位为33.89 m。

三角洲站在线流量与实测流量关系见图2。

图2 三角洲站在线流量与实测流量关系

经计算，比测综合误差为-2.2%，相关系数R2=0.998，k2=0.997，符合比测要求。

5.2 比测分析与讨论

虽然该站距离湘江河口不到1 km，受湘江顶托影响严重，但比测结果仍显示超声波时差法在线测流系统在三角洲站使用情况良好, 由此可见超声波时差法在线测流系统在受回水顶托影响的水文站点，使用情况良好。

误差分析：三角洲所在浏渭河属于通航河流，船舶通过断面以及大风大雨对流量影响较大，因此在比测的过程中，有几次测量数据误差较大，水面平静时，误差较小。走航式ADCP 测量用时较长，时差法测流每5 min 提供一个数据，且局部相邻数据有差异较大的现象，下一步生产厂家将奇异值进行过滤，保证流量过程平稳变化。

6 后期运行情况

时差法在线测流系统安装试运行期间，数据表现良好，未出现重大故障事故。抗环境影响能力较强。三角洲站2020 年出现高洪暴雨时，设备仍然运转正常。在恶劣的天气环境中，整个系统运转正常，数据较为稳定。河岸环境复杂，临近居民区，较多漂浮物，水流冲击探头无摆动幅度，仪器设备能很好抵抗高洪水的冲击并且满足洪水监测的需求，以及防洪防汛的流量监测需求。

7 结论与建议

三角洲水文站作为全国领先的无线超声波时差法应用的水文站，实现了无人值守工作模式、实时监控、数据精确、自动化测流等目标,为该站测流科技化、自动化、精确化迈出了坚实的一步。

超声波时差法，特别是无线超声波时差法在三角洲水文站的成功应用，证明在符合使用条件的水文站点推广使用时差法测流是可行的，特别是针对河面宽、泥沙含量较大的河流，无线时差法测流应该算是最好的测流方法，应进一步研究和推广。

同时，通过实地应用我们也看到，在选择无线时差法测流系统时，不但要了解河流特性和对时差法的适应性，还应了解无线信道条件以及是否存在影响信道质量的因素。三角洲水文站无线时差法测流系统前期采用433 MHz 频段，因常常受到偶然干扰而使测验失败，后采用230 MHz 频段才解决了干扰问题。

随着电子技术的迅速发展，超声波技术的普及，成本的下降和可靠性的提高，不论是技术方面还是经济方面，超声波时差法将都是流量测量的理想选择之一。