1 引言

 

    超聲波測流是一門新興的測量技術(shù)。近年來，隨著大型灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加快，利用超聲波流量計測量明渠渠道的過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，在許多地方得到越來越多的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的大型明渠渠道測流方法通常采用流速儀法，因此對超聲波法測流與流速儀法測流進(jìn)行比較研究非常必要。

 

    2 超聲波法測流

 

    2.1 超聲波流量計的時差法測流原理

 

    用超聲波來測量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測量流體的流速。當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向下游傳播時波速增加，聲波向上游傳播時波速降低。在明渠中，一定高程的流體平均流速是通過測量兩個換能器之間傳播的歷時差來確定的。

 

    超聲波流量計的時差法測流布置如圖1所示，在渠道兩側(cè)水下某深度處，相對地斜向裝置一對電聲可逆的換能器，其間距為L，該層水流平均速度為v，水流方向與AB的夾角為θ，水流在AB方向的分速度v1，v1=vcoθs，超聲波在靜水中傳播速度為C。

    如果上游換能器A作為發(fā)射器向渠道對側(cè)發(fā)射超聲波（即順流），經(jīng)T1時間后，被作為接收器的下游換能器B所接收，此時超聲波的速度是C+v1，超聲波在水流中的傳播歷時為

 

    （1）

 

     反之，若以B作為發(fā)射器，A作為接收器（即逆流），在相同的水流速度影響下，超聲波的速度應(yīng)是C-v1，其傳播歷時T2為

 

   （2）

 

 

 

圖1 時差法測流原理

 

    靜水中超聲波波速C受水溫、壓力和水中雜質(zhì)含量的影響，故將式（1）、（2）整理得某一水層平均流速：

 

    （3）

 

    式中：為常數(shù)，只要測出順流和逆流傳播時間T1、T2就能求出v，式（3）就是時差法測流速的基本原理。根據(jù)測得的水層平均流速，即可計算出全斷面的流量。

 

    2.2 流量計算

 

    大型明渠渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化較大，一般采用多聲道超聲波流量計進(jìn)行分層測流。如圖2所示，沿渠兩側(cè)安放多對換能器（由聲道數(shù)決定），測得若干聲道上的平均流速vi，計算各部分流量，使之累加即可求得整個斷面的流量。

 

    聲道斷面流量  （4）

 

    渠底層流量   （5）

 

    水面頂層流量  （6）

 

 

 

圖2 分層測流

 

    式中：Ai—第i好聲道與第i+1好聲道之間的斷面面積；vi為從第i好聲道計算出的流速；vi+1為從第i+1好聲道計算出的流速；Ab為渠底和最下一個好聲道之間的斷面面積；At為最上一個好聲道與水面之間的斷面面積；v1、vn分別為最下、最上一個好聲道的流速；vs為表面流速估計值，通過外推法利用最上一個好聲道和下一個好聲道計算；F為渠底摩擦系數(shù)；Wt為渠頂加權(quán)系數(shù)。

 

整個斷面的流量Q為： （7）

 

    為保證測量精度，在明渠上采用超聲波流量計測流時，一要使測流斷面前后有足夠的平直段，二要有足夠的聲道數(shù)量。對于渠道水流流態(tài)不均勻的，可考慮采用交叉聲路布置。對于渠道水位變化較大的可考慮增加聲道數(shù)量。

 

    3 流速儀法測流

 

    流速儀法測流是國內(nèi)外使用最廣泛的方法，也是最基本的測流方法。同時，到目前為止，因無更先進(jìn)的儀器設(shè)備，該方法也是評定和衡量各種測流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測流基于速度面積法，測流時必須在斷面上布設(shè)測速垂線和測速點(diǎn)，以測量斷面面積和流速，測速方法一般采用積點(diǎn)法。

 

    3.1 選擇斷面，確定測線及測點(diǎn)

 

    測流斷面的選擇十分重要。測流斷面應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無漩渦或回流的地方，前后平直段應(yīng)滿足測試規(guī)范的要求（大于20倍水面寬度），斷面與水流方向垂直。測速垂線及測點(diǎn)數(shù)目應(yīng)能充分反應(yīng)橫斷面流速分布。

 

    目前，我國對測速垂線數(shù)目的規(guī)定主要根據(jù)渠寬和水深而定，干、支渠水面寬5～15m時，可設(shè)5～9條測速垂線。垂線上測速點(diǎn)的數(shù)目主要考慮測流精度要求，水深為1～3m時，流速分布不均勻，可采用三點(diǎn)法、五點(diǎn)法或六點(diǎn)法施測。

 

    3.2 平均流速計算

 

    測流的過水?dāng)嗝嫫骄魉偌傲髁坑嬎銋⒖妓俊豆喔裙芾硎謨浴酚嘘P(guān)規(guī)定進(jìn)行。為提高測流精度，測線平均流速Vm均采用六點(diǎn)法計算：

 

  （8）

 

    式中：v0.0、v0.2、v0.4、v0.6、v0.8、v1.0、分別代表垂線流速分布曲線水面、相對水深為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m及河底的測點(diǎn)流速。

 

    渠邊部分平均流速   （9）

 

    式中：vm1、vmn分別為自渠邊起第一條、最末一條測線平均流速；a為渠邊流速系數(shù)，通常斜坡渠邊取0.70，陡坡渠邊取0.80。

 

    3.3 流量計算

 

    斷面流量Q為各部分流量的代數(shù)和

 

   （10）

 

    4 測流比較

 

    4.1 測流地點(diǎn)的確定

 

    測流地點(diǎn)選在昌樂縣高崖水庫灌區(qū)。在總干渠高崖與唐吾分界處徐家廟監(jiān)測站，渠道約有5km長恰好沿公路西側(cè)筆直布置，混凝土板襯砌，渠底寬7m，邊坡為1∶1.5，流量Q=3.0～14m3/s，水深h=1.0～2.0m。該渠段符合明渠超聲波流量計的安裝要求及流速儀的布置。

 

    4.2 測流比較方法

 

    測流比較采用流速儀法與超聲波法同步測流的方法。為保證測流結(jié)果的可靠性，測試流量的范圍從渠道最小流量到最大流量，進(jìn)行多個工況的測流比較。

 

    徐家廟監(jiān)測站水面較寬，約在10～12m，本次實(shí)測采用3部旋漿式流速儀，6人3組同時測量。斷面設(shè)8條測速垂線，從渠道中間向兩側(cè)每隔1.1～1.4m設(shè)一條，在每條測速垂線上設(shè)2～6個測速點(diǎn)。為提高測量精度，每一部流速儀每一測次的測量時間不小于120s，每一個工況點(diǎn)測取3～4組讀數(shù)，最后取其算術(shù)平均值作為測試結(jié)果。

 

    超聲波流量計選用一臺韓國進(jìn)口明渠超聲波5聲道流量計，它由10只超聲波流速傳感器構(gòu)成5個聲道和一套聲波水位計組成，精度±1.0%。明渠超聲波流量計實(shí)際安裝占用渠段長7m，監(jiān)測站內(nèi)同時安裝二次儀表、數(shù)據(jù)采集等其它設(shè)備，水深、流速、瞬時流量、累積流量實(shí)時直接監(jiān)測測出。正式測流前對超聲波流量計進(jìn)行了調(diào)試，主要是在渠道有水的情況（所有的換能器必須全部淹沒于水中）下，進(jìn)行流量計自檢，然后檢查各聲道的工作情況。檢查在靜水和動水的情況下分別進(jìn)行，而且靜水檢查非常重要，因?yàn)榇藭r流量計測出的水流流速應(yīng)為零，可以間接地檢查流量計的準(zhǔn)確性。一切正常后，流量計便可進(jìn)入正常的測量狀態(tài)，在最大測流工況時5聲道工作，最小測流工況時為3聲道工作。明渠超聲波流量計測流結(jié)果采用與流速儀法對應(yīng)測流時段的累計水量值進(jìn)行計算，計算公式為：

 

   （11）

 

    式中：Q/為明渠超聲波流量計測得流量值，m3/s；△G為與流速儀法測流時段對應(yīng)的超聲波流量計累計水量差值，m3；△T為與流速儀法測流時段對應(yīng)歷時，s。

 

    4.3 測流結(jié)果

 

    流量測試結(jié)果表明，兩種測流方法絕大多數(shù)工況的流量相對偏差小于-2%。且超聲波法測量值均小于流速儀法測量值。其中部分測試結(jié)果見表1。

 

 

 

    5 結(jié)語

 

    通過兩種方法的實(shí)測可以看出：超聲波測流技術(shù)測量精度高，方法簡單，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與微機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時傳送，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。因此隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和遙測設(shè)備的不斷完善，灌區(qū)量水將最終實(shí)現(xiàn)用水管理的信息化、自動化和智能化，超聲波測流技術(shù)一定會作為準(zhǔn)確測量明渠流量的一種方法加以推廣應(yīng)用。

 

    參考文獻(xiàn)

 

    [1]趙志貢，岳利軍，趙彥增，等.水文測驗(yàn)學(xué)[M].鄭州：黃河水利出版社，2005

    [2]李效賢.大型渠道超聲波法與流速儀法測流比對試驗(yàn)[J].中國農(nóng)村水利水電，2006，（8）：107-112

    [3]馬樹升.灌區(qū)水情無線數(shù)傳實(shí)時監(jiān)控的內(nèi)容與方法[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，34（1）：91-95

    [4]馬樹升.水庫灌區(qū)自動化測水量水實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉，2003，（4）：56-61

    [5]雷艷，范秀華.梯形渠道多聲道超聲波測流數(shù)學(xué)模型及計算方法[J].武漢水利水電大學(xué)學(xué)報，I997，（1）：11-16

    [6]王竹青.超聲波流量計在大型渠道測流中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉