河流断面探入式精准测流装置的研发及应用

刘 锟，孙 亮，刘培杰

(天津水运工程勘察设计院，天津 300456)

流量测验是水文测验的重要工作内容，也是水资源开发利用的基础工作，对其测量精度的探索研究有着十分重要的现实意义[1]。近年来，随着科技的进步和水利行业的快速发展，河流断面流量测验，尤其是水文缆道流量测验方式已逐渐由自动化测流代替人工测流，市场上出现了多种断面流量自动化测量系统及设备[2-4]。

作为贯穿我国东西的两大河流之一，长江跨度较宽、江底地形复杂多变，因此在进行断面流速测量时会遇到诸多问题。如使用雷达波仪器测量，通常需要固定仪器的位置，虽然也可集成于缆道上用于复杂河道的流速测量[5]，但也仅限测得表面流速流向，由于测线位置随水面宽而变化，特别是当水位变化大、河漫滩宽时，测线位置更难确定、会给成果带来较大的误差[6]。因此，在长江流域，根据现行GB50179-2015《河流流量测量规范》[7]，利用探入式仪器进行河流断面流量测量依旧是主要的流量测量手段。目前，探入式断面流量测量，均要求精确测出各个断面垂线位置的水深，在特定水深位置进行流速测量，从而得出垂线平均流速，可见精确计量垂线水深是河道断面流量测量的一个关键因素。然而，大多数探入式测量设备由于水流冲击以及环境因素常常会导致水深测量精度偏低。缆道水深测量是影响缆道流量测验的关键技术之一，也是水文缆道测量的难点，主要原因是测量时主索垂度、铅鱼重量配置、漂浮物、流速等因素的影响。拉偏索缆道只能减小偏角，并不能消除因偏角影响带来的水深误差[8-9]。

本文结合自动化测流技术的相关文献[2-4]，通过深入研究实验，提出一种河流断面探入式精准测流装置，集成驱动系统、线长精确计量装置、导向防摆装置、偏角及倾角测量装置、水深测量装置及水文测量仪器。该装置集成化程度高，测量稳定，可完整移接至各类缆道吊箱或测桥轨道测流装置等自动测量设备中，可大幅度提高垂线断面测量精度，为精确流量测量提供可靠、有效的数据基础。

1 探入式自动测流综述

1.1 探入式自动测流方式

探入式自动测流方式根据河面宽度可分为轨道式及缆道式两种。

轨道式测量主要应用于渠道断面，尤其在河道淤积严重、断面地形变化较大的黄河灌区应用较多。轨道式测量即在河流断面铺设跨断面自动测量轨道，通过自动测流设备在轨道上运行到测量点进行垂线测量，最终得到断面流量数据，测流仪器正在向遥测、遥控、全自动、智能化、存贮式、走航式方向发展[9-10]。

水文缆道是应用于河流流量测量最为广泛的技术装备，该装备通过跨河缆道将水文仪器设备或测验人员运送到测验断面的任一指定位置进行测验作业[11-12]。

轨道式测流的优势在于可以利用现有测桥进行依附式建设，轨道相对平稳，测量结果受天气因素影响较小[13]，并且采用测流桥测流的施测人员的安全性相对较高[14-15]。缆道式自动测流优势在于可以不受河宽的影响，横跨大河流断面进行测流。

1.2 探入式自动测流方法

根据水文渠道量水规范对断面测量的要求，无论缆道还是轨道探入式自动测流，均为模拟人工测量方式，即通过测量设备在垂直于河道断面的承重缆道或轨道上，运行至指定断面垂线位置，通过电机下放测量设备，采集水位信号、探底信号，根据垂线相对水深h自动计算得出测流位置(畅流期为0.2，0.6，0.8 h)并进行测量[7，16]，测量完成后回收仪器，再行至下一垂线点进行测量，最终汇总垂线数据进行断面流量计算。

其流量计算公式为

(1)

式中：Si为第i个分区的面积；Bi为第i条与第i-1条垂线间的水面宽度；Hm为断面中垂线处的水深；Vi为第i个分区中垂线的等效平均流速[17]。Vi利用各类水文测流仪器测得，精度由水文仪器硬件性能确定，Bi可直接测量或提前人工标定，因此，在探入式测量中，断面流量Q的测量精度还受Hm影响。

1.3 探入式测流存在的问题

根据式(1)可知，影响流量计算的关键参数是水深H和垂线流速V。而流速测量的位置又完全由水深决定，因此垂线水深数据是最关键的测量数据之一。

自动测量的测深原理是用悬索悬吊铅鱼，测定铅鱼自水面下放至河底时，通过岸上的一些传感装置和计数表来测量悬索的入水长度，且入水长度即为实测水深[15]。而在现有的自动测量设备中，放线长度可由增量型编码器通过导轮精确得出，而放线由于水流影响形成倾斜角导致放线长度测量不精确，从而导致水深测量误差较大。

针对线缆倾角问题，轨道式测量设备由于轨道铺设基本保持平行，在测量中基本上只有平行于水流方向的倾角；而缆道式测量设备因承重主缆的大跨度导致的垂度，测量过程中不但有平行于水流方向的线缆倾角，还会因水流拉力导致测量设备倾斜，从而水深测量误差会进一步增大。因此水深测量偏差会严重影响流量测量精度，为了防止此类问题，缆道测流系统通常配有拉偏索，但只能减小误差而不能消除误差[11,18]。

2 河流断面探入式精准测流装置

在探入式测量方法中结合线长精确测量、偏角和倾角修正的方式，提出了一种适用于多类型自动测量设备的通用型装置，结合采集处理技术，可精确测量河流断面水位、水深等参数。当测点垂线的渠底为标准渠道断面时，还可通过水位、水深测量数据精确计算淤积深度和分层流速测量的目标高度。

该装置由驱动装置、线缆导向测量装置、防摆架、偏倾角测量装置、水文测流仪器和水深测量装置组成，可简易结合缆道自动测流吊箱或轨道式自动测流装置安装在测流设备中。如图1所示，驱动装置中，驱动电机带动缠线卷轴运动，可进行探入式仪器的下放及回收，线缆导向测量装置通过转动精确计量实时放线长度。线缆穿过线缆防摆架连接水文测流仪器和水深测量装置。在防摆架上，安置的偏倾角测量装置可实时监测线缆偏转角度和整体装置的倾斜角度。

图1 探入式测流装置结构Fig.1 Device structure

通过以上所述结构，在河流断面垂线自动测量过程中，所输出的信号可精准计算得出垂线水深，从而大幅度提高垂线断面参数测量的精度。

3 装置硬件模块化结构设计

3.1 驱动结构设计

驱动结构由驱动电机、连接轴、卷线盘和电刷滑环等组成，驱动电机采用直流电机及涡轮蜗杆减速机方式，采用PWM驱动器控制，精确控制线缆收放，仪器停放水中测量，涡轮蜗杆减速机可保证停止转动时，测量仪器稳定停放测量位置进行测流工作不打滑。上述结构设计如图2所示。

图2 驱动部分结构Fig.2 Structure of drive part

通信线缆采用4 mm铠装线缆，在保证受水阻最小的情况下，提供可靠拉力(800 kg)，中心信号线与电刷滑环连接输出测量信号。

3.2 放线测量结构设计

信号线缆穿过导向定滑轮，向下输出；定滑轮带动定滑轮固定导轮，通过软连接器连接角度传感器，可精确测量放线长度，并提供线长测量接口；滑轮支架另一侧的行程限位器在收至初始位置时，确定上行定位；如图3所示。

图3 线长测量结构Fig.3 Structure of length measurement part

放线长度通过角度编码器换算进行长度测量计算。放线长度计算公式为

(2)

式中：Lf为实时放线距离；N为转数；θ0为初始暂存角度；θ1为实时角度；d为定向滑轮直径。下放时，每转动1圈，N自加1，回收时，每转动1圈，自减1。

3.3 防摆架及偏倾角测量装置设计

线缆穿过防摆架上的线缆输出孔后，连接流速测量仪器和水深测量装置。防摆架两侧立柱上安置的防摆架滑块确保防摆结构可稳定自由上下运动，进入防摆架线缆输出孔后，铠装线缆被“井”形滚轴固定，使防摆架上方线缆实时处于与装置相对垂直状态，并向下连接偏角测量传感器。

防摆架在两侧立柱上方可安置合页与顶部支撑架相连，适用于缆道式测流装置，可使防摆架及线缆与水面实时保持垂直方向，消除缆道由于垂度导致的装置前后倾斜偏量。

在防摆架中部安装倾角传感器及偏角传感器，偏角传感器可测量线缆与测流装置垂直中线的夹角Δθ，倾角传感器x轴偏量可测量出测流装置与水平面间的倾角变化量Δη，如图4所示。

图4 防摆架及偏倾角测量装置Fig.4 Structure of deflection angle measuring device

3.4 测深装置结构设计

水深测量装置安装于测流装置最下方，金属铝外壳为柱形结构，可防锈、整体结构重于水密度、水阻小并且可以减小对水底地形的破坏，内部采用浮子式行程开关信号在接触河底时提供触底信号。金属铝外壳上探针式测量点向外输出，接触水面时反馈触水信号，如图5所示。

图5 水深测量装置Fig.5 Structure of water depth measuring device

4 装置断面流量的测量方法

结合本文所述探入式测流装置及水文测量规范[4，11]，自动测流方法设计如下。

(1) 在自动测流系统运行至垂线测量点后，驱动系统运行下放仪器，通过线缆导向测量装置实时监控放线长度，在防摆架未运行至底部前，线缆实时保持与车体垂直，防摆架下放完毕后，记录初始线缆偏角，实时线缆偏角；实时计算放线垂直距离计算公式为

Lr=LfcosΔθ=Lfcos(θ1-θ0)

(3)

(2) 放线过程中，未接触水面时，倾角传感器记录实时采集的倾斜角度η0。

(3) 下放仪器置水面时，水面测量接触点提供水位信号，记录水面垂直放线距离La=Lr，收到水面信号时，记录倾斜初始角度β0，入水后实时计算放线垂直距离Lr，计算公式为

Lr=Lfcos(Δθ+Δη)

(4)

Lr=Lfcos(θ1-θ0+η1-η0)

(5)

(4) 下放仪器到渠道底部，浮子式触底行程开关提供触底信号，记录水面垂直放线距离Lb=Lr，从而实际测得水深：

Lm=Lb-La

(6)

式中：m为第m条垂线。

(5) 利用水深测算测量目标点Lc，Lc不唯一(0.6Lm，0.2Lm，0.8Lm等)，可根据水文规约或当地实际水文情况确定多个测点进行流速测量，得出第m条垂线平均流速：

(7)

式中：n为垂线m测流点个数。

(6) 信号线缆向上带动流速测量设备至测量目标点进行垂线单点测流，数据通过铠装信号线缆中心信号线向上传输至接收控制终端。

(7) 垂线测量完成后，回收仪器至水面上目标值，垂线测量完成。

(8) 运行至下一垂线进行测量。

(9) 河道断面共计n条垂线，断面流量的计算公式为

(8)

式中：S(L1)为第一条垂线前河道面积，L1为第1点水深；S(Ln)为第n条垂线后河道面积，Ln为第n点后实际水深；α为第1垂线前的流速系数；β为第n条垂线后流速系数；S(x)函数由于标准断面和自然河道采用的面积算法并不相同，但均为常数或由边坡系数和水深所确定[11]，在本文中不再赘述；测量方法流程如图6所示。

图6 测量方法流程Fig.6 Flow of measurement method

5 实验结果数据分析

在明渠断面流量测量中，测量数据主要由流速、水深两个主要参数确定，而该装置主要作用为精确测量垂线水深。因此，装置研发完成后分别在实验室环境及现场环境进行实际验证和数据分析。

5.1 实验室实测数据分析

在实验室环境中，利用天津水运工程检测计量站的标准水槽，最大可标定2.00 m/s流速下的运行状态，实际水深可达2.00 m以上，数据分析主要以标准流速下的水深测量数据分析为主，每个水深及流速下，测量5组数据进行对比，测量结果如表1所列。

根据表1数据，最大偏差发生在2.00 m水深、1.5 m/s及2.0 m/s流速下，水深的最大相对误差发生在2.00 m水深的1.5 m/s流速下的测量中，最大相对误差为0.73%;5次测量平均水深的相对误差发生在2.00 m水深、2.0 m/s流速的测量中，相对误差为0.44%，在实验室环境下的测量数据，水深测量相对误差均小于1%。

表1 实验室装置测深Tab.1 Measurements of bathymetric data in the laboratory

5.2 现场轨道式实测数据分析

在现场环境中，有淤积的渠道断面无法和真实值进行对比。因此，轨道式断面测量系统的测量环境选择在山东滨州小开河灌区的无沉积的规则矩形渡槽上搭设轨道进行轨道式测深实验。测量数据包括人工水尺读取水位高度，即水深、测流装置垂线测深及人工测算流量和自动测量流量数据比对，流速仪均采用南水LS20B型旋桨流速仪进行数据采集，测量数据如表2所列。

表2 现场环境装置测深Tab.2 Measurement of bathymetric data in practical application by field device

人工读取水位高度即认定为平均水深，设备选取5条断面垂线进行测量，对比测量结果如表2所列。根据表2数据，5次测量中，水深最大的相对误差分别为0.83%，1.46%，0.98%，0.90%，0.87%。测量数据表明：水深相对误差不超过1.50%，均值误差小于1.00%。

5.3 缆道型吊箱装置实测数据对比分析

由于自然河流断面较宽，大多采用缆道式测量方式，该装置的测量环境选择河北邢台艾辛庄水文观测站。通过系统改造，测量装置由绞车直接拉动的流速测量设备改为拉动吊箱式流速测量装置，吊箱中安放本文设计的装置来测量水深和垂线流速，吊箱内测量系统采用电池供电，自动放线测量水深及流速。

测量对比方法为，在同一时间段内，通过断面水尺读取水位高度，先利用原始缆道测量设备测量断面水深数据，再利用吊箱设备进行垂线点多次水深复测，然后进行数据比对，测量对比数据如表3所列。

表3 吊箱装置测深Tab.3 Measurement of bathymetric data in practical application by hanging box devices

在表3中，水尺读数为4.23 m。在自然河道断面选取6条垂线进行原始缆道与本文所述装置进行水深测量比对。最大水深测量偏差发生在原始缆道测深3.65 m(垂线4)的位置，吊箱装置在该点5次平均测深为3.418 8 m。最大测量偏差0.246 m，均值偏差0.231 2 m。吊箱装置测深均小于原始缆道测深，流速越大，偏差越大。原因是原始缆道以放线距离计算垂线水深，未曾增加流速导致的缆绳拉偏修正，所以水深偏大。由此推论，使用该装置，可使缆道测量断面垂线水深更加精确。

6 结 论

(1) 经过实验室测试，最大2.00 m水深、最大2.0 m/s流速的情况下，水深测量相对误差均小于1%。

(2) 通过现场明渠断面对比测试实验，测流装置设计可行，1.5 m水深内，水深测量最大相对误差小于1.5%。

(3) 通过在自然河道断面与传统缆道进行水深测量比对实验分析，运用该装置在缆道测流中可有效减小缆绳偏角导致的水深测量偏差。

(4) 通过河流断面探入式精准测流装置在实验室中的实验比测及现场的成功应用，证明该装置可较大幅度提高渠道断面自动测流的测量精度，整体设计解决了长度测量、倾角测量、偏角测量、水深测量等关键性问题，使自然断面或明渠渠道自动测流功能更加完善。该装置可提供多种标准信号，适用性强，结合现场自动测流设备，可进行简单的修改设计便可投入使用，具备较强的推广价值。