采用声学多普勒仪监测流量

［英国］ J.伊莎贝尔 等

1 概述

英国西南郡县水务公司(South West Water)拥有这两座水电站的所有权，并负责该电站的调度操作。在达特姆尔(Dartmoor)高原山麓地区原有采矿点的基础上，逐渐发展成了现在的电站群。该电站群年发电量为4800kW·h，可满足1700户家庭的用电需求。20世纪30年代，为了充分利用泰维(Tavy)河的水资源，在玛丽泰维矿区安装了水力发电涡轮机。

德文郡具有悠久的发电历史，其中奥克汉普顿(Okehampton)镇和查格福德(Chagford)镇是英国第一批主要供电区，它们分别于1888年和1891年开始供电。采矿业和纺织业的衰退，促使一些有魄力的实业家趁机利用矿区排水渠，即人工渠进行发电。在此背景下，玛丽泰维发电站应运而生。该电站是利用泰维河－本尼特(Bennetts)水库人工引水渠上70.104 m的落差进行发电，发电量为660kW。

1932年，就在玛丽泰维水电站试运行不久，1934年又建成了第2座水电站。后建成的莫韦尔汉姆水电站从玛丽泰维水电站下游的阿比堰(Abbey Weir)引水，水流沿一条拥有约200 a历史的水渠流动，该水渠原本是煤炭、纺织、冶金及农田废水的排放渠道。莫韦尔汉姆水电站的建成，可为全国高压输电线网提供640kW的电力。

1936年，用电量的迅速增加，促使在玛丽泰维矿区又修建了一座发电站，称为2号水电站。2号水电站从泰维河河源附近的泰维谷地(Tavy Cleave)引水，水流沿另一条约有200多年历史的水渠流入威尔水库(Wheal Jewell)，其落差为 170.69 m，可供3台650kW的水轮机发电。目前，玛丽泰维水电站的总发电量已达2610kW。

2 流量监测

对玛丽泰维水电站进行监测的主要目标是流量监测，以实现持续稳定的水流。英国西南郡县水务公司通过从泰维河取水，来供给两座水电站的发电用水，其取水量在取水许可及与环保部门签署的营运协议中已有明确规定。同时，在取水许可和营运协议中，对各取水点的最大取水率及其他一些流量标准，如规定流量、剩余流量以及防止水质污染的流量等，也作出了明确规定。

为了保证自然流程控制设施的操作与取水许可和营运协议的规定相适应，必需对两座水电站取水的高质量、高精度流量数据实施监测。

2010年3月，为了准确监测126～4432 m3/h流速范围内浅水渠的流量，美国YSI水力分析仪有限公司(YSI Hydrodate Ltd)安装了2台声学多普勒流量仪，即松特克亚尔古测量仪(SonTek Argonaut SW，SW)。这是一种功能齐全、深受好评的流量、流速和水位测量仪，主要用于测量水渠、管道及天然河流的流速变化状况，并以此来推算流量。

沥青混凝土中的集料是可以称作是它的骨架，集料的质量能够决定混凝土的整体强度，对混凝土的支撑能力有重要的影响，在集料的质量控制中首先应该保证集料的外形上接近立方体，保证其有良好的稳定性，另外由于细集料和粗集料有不同的用处，例如细集料是为了对粗集料中间的空隙进行填充，因此还应该对集料的体积大小进行严格的把控。

在玛丽泰维水电站选用了Argonaut SW进行流量监测，主要基于以下考虑:

(1)可监测声学上的双向流速和双向水位;

(2)便于维护;

(3)耗能少;

(4)硬件设备安装简单;

(5)可实现实时自动监测;

(6)所用仪器需要的自然率定历时最短;

(7)最重要的是，在极低和极高水流条件下(从水深几厘米到几米)，均能监测流速和推算流量。

考虑到以上诸因素，英国西南郡县水务公司选用了Argonaut SW测量仪，以获取准确可靠的流量数据。

在水渠及与其类似的条件下，经常会发生水位变化极小或者甚至不变，而流量却有变化的现象。针对这种情况，传统的流量关系曲线显然已不再适用，此时需要对流速和水位进行联合监测，也就是通常所说的流速指数法。在从玛丽泰维引水的过程中，人工渠的水位主要受下游约束条件和控制闸门的影响。

为了使测量尽可能精确，并保证所监测的流量满足现状要求，对2台Argonaut SW测量仪的安装位置进行了严格的筛选。第1台SW仪安装在玛丽泰维1号电站的进水口附近，第2台则安装在阿比堰进水口处。

由于水位较低，2个监测站的设备选择显得非常重要。经分析研究，决定在水渠的底部安装Argonaut SW测量仪，采用2条呈45°倾角的声束来测量双向流速，再通过位于中央的另一条声束获取准确的水位信息。在此基础上，根据几何学，利用测得的流速和水位数据，即可推算出流量。

根据可测量的水流的变量(比如，借助于Argonaut SW测出的水位和流速)，运用回归分析法，该流速指数评估法即可推导出平均流速和面积指数。然后，将这些推导出的指数带入Argonaut SW程序，以继续推算和输出计算结果。平均流速是指所监测横断面范围内的平均水流速度，指标流速则是由Argonaut SW测量仪所监测流速的一部分。

2条人工水渠流道状态维护良好，评估不会随时间推移而发生显著变化。为了验证Argonaut SW测量仪的测量精度，需要在不同的流量条件下实施监测，然后将监测数据输入松特克评估软件，即FlowPack软件。FlowPack软件是由伊利诺伊大学(University of Illinois)环境水文学和水利工程(EHHE)项目组开发的，其目的在于提供一套与国际标准化组织和美国地质调查局(ISO/US GS)的标准相适应的快速、健全、可靠的流量评估工具。采用FlowPack软件的一个显著优点是:可以借助先进的分析技术快速求解流速指数方程，同时，还能针对数据收集来帮助用户做出合理有效的决定，以进一步完善监测结果。此外，还可以简便地对多测站的监测数据进行存储，并能根据新监测出的数据不断地进行更新。

针对用于瞬时流量监测的新一代高精度声学多普勒流量计，采用流量跟踪器(FlowTracker)和河流监测仪M9(RiverSurveyor M9)来对其连续监测结果进行的验证和校核。流量跟踪器是一种水下测量仪，它可在水下2cm处实施监测，从而成为如玛丽泰维引水渠等诸多较小河流和水渠流量监测的理想仪器。

M9河流监测仪应用于多音频情况下对涉及详细精确的水深、流速和流量数据的测量，它适用的最大水深是80 m，具有从浅水到极端条件的较大适用范围。M9河流监测仪可用于玛丽泰维附近的较长河段，包括泰维河、高水位人工水渠和洪水流量级的监测。

将Argonaut SW测量仪和流量跟踪器所监测到的测量数据完整地输入FlowPack软件，经过简单的几步程序，便能够很快完成全面分析，通过几项统计数据来显示FlowPack软件产生的评估结果。结果表明，平均流速与指标流速具有很好的相关性，相关系数r2=0.985和0.992，平均流速的评估标准差较小，为 0.003 m/s。

采用FlowPack软件，结合流速指数法，可对监测站的流量监测值进行准确地评估。该方法综合了连续的流速监测和准确的水位监测，从而能确保较高的数据质量。

3 发展前景

在进水口处记录的监测数据，有助于英国西南郡县水务公司对水流量作出合适的控制规划。该公司表示，这些信息很有价值，通过这一系列的流量数据，可以了解进水建筑物的状况，并制定合理的改进措施。而且根据这些数据，也能够为环保部门提供进水建筑物的相关信息。

实践证明，Argonaut SW测量仪在泰维河水力发电系统中的应用非常成功。除现有数据源以外，它还能提供其他一些数据，以确保符合环保部门的操作协议及许可方面的要求。这些监测站的连续流量数据记录，对英国西南郡县水务公司建立流量监测数据库也很有帮助，这些宝贵的信息，可有力地促进开展取水规划方面的研究以及完善研究成果，以便最大效率地利用水资源。

英国西南郡县水务公司可能会再安装1台Argonaut SW测量仪，以实现对3座进水建筑物进行流量监测。

根据英国西南郡县水务公司的规划，到2015年，要实现可再生能源发电量翻一番;到2050年，努力实现可再生能源发电量占总发电量的50%。由Argonaut SW测量仪所获得的监测信息，将为实现该目标提供技术支持。