运河水文站流量自动监测系统建立与实现技术

赵德友

（江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029）

随着江苏省南水北调、通榆河北延及走马塘等水资源配置工程开工建设，对水量的配置、监控、调度、管理和考核提出了更高要求，要求在市(县)际行政交接处和工程控制节点处进行流量自动、连续、在线监测及控制。目前江苏省流量测验主要采用水文缆道、船测等传统方式和手段，测验强度大，间隔时间长，工作效率低，无法实现连续、自动、实时、在线监测目标。为此，江苏省于 2004 年引进德国超声波时差法测流仪，在徐州市运河水文站进行了探索性试验和研究，取得了很好效果。本文着重从测验河段选择、断面及测验平台设计、安装调试及比测率定、应用维护等方面进行研究与探讨，以期为水资源配置工程水量测量自动化提供借鉴。

1 时差法工作原理

1.1 工作原理

设置单层或多层超声波换能器斜交叉布置在河 2 岸，超声波换能器由二次仪表控制，从河道的一岸顺流发射超声波，另一岸接收，然后再反向进行工作，根据顺、逆流传输测到的时间差即可计算出相应水层的平均流速，其工作原理如图 1 所示[1]。

设超声波在静水中以恒定的速度 C 传播，在有流速 v 的河流中，顺流传播时，传播速度就应是C + v；逆流传播时，传播速度应是 C - v。

图1 时差法测流原理图

实际应用时，在河道 2 岸安装 1 对超声波换能器，2 岸间要有电缆相连，超声波信号从 A 换能器发射，由 B 换能器接受，所需传播时间为 t1，则有下式：

式中：L 为换能器 A 和 B 之间的距离；v 为河道水流平均流速；θ 为声波路径与水流流向之间夹角。

相反，声波信号从 B 换能器发射，由 A 换能器接受，所需传播时间为 t2，则有下式：

由式 (1) 和 (2) 可得：

超声波换能器安装固定后，L 和 θ 是常数，只需测量顺水和逆水发收时间，就可以求得流速平均值。另外 1 个换能器向上发射超声波，遇到水面时反射，再由同一换能器接收回波，根据时间差测出水深，如果是规则断面则通过积分计算出流量，若为不规则断面必须根据数据建立数学模型，或通过标定流量系数计算流量。

1.2 仪器配置

仪器由传感器和控制记录仪组成。控制部分自动控制仪器定时工作，并将测得的数据存储在仪器中。备有通信接口，可以读出存储的测量数据，也可将测得的数据通过不同的通信方式传递出去。

1.3 主要技术指标

1）路径长度：1～1000 m；2）流速范围：±10 m/s；3）微处理器：基于 386SL 的单板机/25 MHz，4 MB 随机存取，2 MB 内存；4）SVGA 图形控制器：可携式分辨力为 800×600 像素；5）并行端口：COM1，COM2；6）监测频次：可设置每 5 min监测 1 次；7）测速精度：±2 %。

2 自动测流系统建立

2.1 测验河段选择

京杭大运河运河镇水文站是南水北调东线工程宿迁、徐州 2 市交界的重要控制站，主要控制骆马湖北送进入徐州境内水量。公路桥与铁路桥之间为复式河床，河道顺直，河床规整，无水量进出交换，水流状态稳定，符合时差法设备对测验河段的技术要求。出于安全性及管理方便的考虑，时差法测流测验河段选在铁路桥上游 240～410 m 处，测验河段平面布置如图 2 所示。

图2 运河站时差法测流设施平面布置图

2.2 系统设计

2.2.1 传感器安装位置设计

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

1）水平向安装位置分析确定

水平向安装位置分析应考虑以下因素：

a）2 岸换能器应相互对准，误差不能大于3～5°，水流平均流向和超声波传播方向的夹角应尽量控制在 45° 左右。

b）安装探头的河岸要求比较陡直稳定，不易淤积；流速也不能过于紊乱，以免影响超声波的发射、传输和接收。

c）仪器安装位置离岸远，则水深大，造价高，碍航，施工困难；离岸近，应考虑其合理性、相关性及局部地形影响。

根据以上原则和影响因素，结合运河镇水文站现场情况，左岸换能器选定距中泓岸边 20 m 处，右岸换能器选定距中泓岸边 20 m 处。

2）垂直向安装位置分析确定

根据系统工作方式，测验河段历年最高、最低和平均水位，以及通航水位等分析确定探头、设备安装高程。

根据运河镇水文站历年水文资料分析，水位变幅为 26.50～20.50 m，供水测验期水位变幅大多在23.50～21.50 m 之间变化，多年平均水位为 22.65 m， 参照天然河流中流速沿垂线呈对数分布的特点，仪器正常入水深度接近该断面平均水深的60 %，仪器安装高程为 21.50 m。

3）测验平台设计

京杭大运河为重要的通航河道，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，建设测验平台 2 座，分布在河道 2 岸。平台的优点如下：牢固可靠，能承受一定的碰撞；目标位置醒目，可使过往船只注意避让；便于仪器及其它附属设备的安装；正常维护十分方便。测验平台如图 3 所示。

2.2.2 供电信号线设计

由于换能器安装在运河 2 岸，仪器控制终端放在右岸设备用房内，根据现场情况，供电信号线路可采用架空、河底铺设、顶管穿越河床等方式。通航河流采用河底铺设方式时，如保护措施不到位，容易被船只带锚航行刮断；采用顶管穿越河床方式，需要大型机械进场，工程投资较大；采用架空方式时，便于工程施工，但应考虑防雷措施。经技术经济综合比较，运河站信号线缆过河采取架空方案。

图3 时差法测验平台结构示意图

2.3 安装与调试

时差法流量计，安装调试由时差法设备供用商负责调试；测验基础设施及供电、信号线路布设由中标单位负责建设实施。

3 比测试验

3.1 并行测验

在系统安装、调试基础上，为验证系统性能及流量测验精度，需对系统进行同步比测试验。2005年7月6日～10月21日比测试验期间主要的水情条件为：水位 22.98～23.68 m，流速仪所测流量变化范围为 66.2～869.0 m3/s，时差法仪器所测流量变化范围为 68.7～858.0 m3/s。采用流速仪和时差法仪器平行测验，汛期每日 2 次，行洪期不定时加测，共施测 104 次流量。部分比测试验成果如表1 所示。

表1 运河水文站时差法、流速仪流量测验比测成果表

3.2 率定分析

应用比测期间不同水位级、流量级采用水文测流缆道实测流量 63 次，与时差法测到的平均流量建立关系，绘制的相关关系图如图 4 所示。

由图 4 可见，点群分布呈带状，经分析关系式为：y ＝ －0.0002 x2＋1.1121 x－9.9079，相关系数R2＝ 0.9949。

从相关系数可以看出流速仪实测断面平均流量与时差法所测流量有较好关系。

根据 SL247-1999《水文资料整编规范》要求[2]，对所定水位流量关系进行关系曲线检验，分别进行符号、适线和偏离数值等检验，经分析计算，统计值分别为 1.76，0.27，1.10，置信水平 1- α为 0.95 时，临界值分别为 1.96，1.64，2.00。结果表明：率定线通过 3 种检验，定线合理。

根据时差法所测断面与实测 2 种流量比较，并按要求进行精度分析，部分分析成果如表2 所示，在全部 54 测次中，有 84 % 的测次误差控制在±10 % 内，由此可见利用时差法测流精度较高。

图4 时差法流量与流速仪流量相关图

表2 运河站时差法测流率定分析成果表

4 结语

通过建立运河水文站流量自动监测系统，得到以下结论：

1）应用时差法流速仪建设流量自动监测系统是可行的，特别对于水资源配置和调水工程，以及实行最严格的水资源管理制度区域水量实时监测更是一种先进的、可行的技术手段，可较好满足区域水资源实时、自动、精确计量要求，具有十分重要的现实意义。

2）长期以来，流量的自动测报是个难题，运河水文站流量自动测流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有效的途径。

3）利用本系统的水位、流速、流量等数据直接进行水文资料整编，减少了资料二次录入带来的错误，提高了水文资料整编质量和工作效率。

4）输水河道水面线平缓，通航频繁，水位流量关系复杂，不能采用水位流量关系推流，流量测验只能用船测法进行实测，花费大量的人力物力。建设流量自动测流系统能获得长期连续的流量资料，可实现无人值守，有人看管，经济效益显著。

5）仪器安装地点测验河段要顺直，没有水量进出交换，河道地形要平整，应具备一定的水深，原则上仪器的声束不能碰到河底和水面。

6）应对丰、平、枯等不同水情进行比测试验，选定不同水情的最佳关系线，不同水情下应分别采用不同的关系推流。

限于资金问题，运河水文站在 2 岸测验平台只安装 1 对探头，若需进一步提高监测精度，可在 2 岸测验平台安装多对探头，可较好解决区域水资源实时、自动、精确计量要求，具有较好推广前景。

[1]姚永熙. 水文仪器与水利水文自动化[M]. 南京：河海大学出版社，2001: 97-98.

[2]刘雅鸣. 水利技术标准汇编水文卷水文测验[M]. 北京：中国水利水电出版社，2002: 1102-1106.