超声波多普勒流量计在后峡水文实验基地流量测验中的应用

邸飞艳

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引 言

随着科学技术的高速发展，过去对水资源及水文学的研究方法及工具逐渐不再适用，传统的方法及测量工具使用操作不便，精确度较低，测量数据单一，测量工作需要耗费较高人力物力。河流流量的测量方法有很多，其中超声多普勒流量计是目前广泛应用的一种测量方法。超声多普勒流量计利用声波的多普勒现象来测量流速，其非接触的特性非常适合于宽河道的测量。

1 研究区域

后峡水文实验基地站是乌鲁木齐河上游控制站，天山北坡径流试验基地，集水面积381 km2，河道长度33.9 km。经水文站试验，河段顺直、水流集中、断面稳定，可满足高、中、低水位水文试验要求。断面以上各监测点的水文信息能否准确测量和传输，直接影响乌鲁木齐市的防洪指挥，因此其地理位置十分重要。但后峡水文站作为区域代表性站，降水丰富，山洪频发，交通不便，人工流量监测难度较大[1]。

乌鲁木齐河位于天山北坡中段，起源于天格尔二号峰附近的第一冰川，来源在海拔4 479 m以上，其西部与屯河水系相连，东部与板房沟河支流相连。河流大致由南向北流动，与支流汇合进入乌拉博水库，沿和平运河向下游流经乌鲁木齐市区，最后到达东岛海子，全长214 km，总长流域面积4.684 km2[2]。乌鲁木齐河是融化的冰雪、降雨和地下水的混合物。

后峡水文实验基地站位于河口上方约10 km处，流域面积924 km2，年均径流量2.45×108m3[2]。乌鲁木齐河发源于山区，河流沿坡度大、流量短的河流发展。在洪水季节，突发洪水通常是由阵发性大雨或大雨引起的。由于洪水变化很大，故难以及时准确地估计其洪峰和洪量。因此，对下游乌拉博水库的防洪工程和措施等，尤其对乌鲁木齐市的安全构成了威胁。

2 超声波多普勒流量计工作原理

超声波是波长非常短的机械波，频率通常高于20 kHz[3]，但它频率高，可以聚集更多的能量，穿透力强，传输距离长，被广泛用于河道流量测量等[3]。超声波多普勒流量计基于流体流量对其内部声波信号的影响，并通过检查声波信号的变化获得流量信息。当被测介质的流速不同时，超声脉冲的传播速度在其坐标系(如仪器外壳)内部也大不相同，并且传播速度和介质相关。该方法分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法以及噪声法等[4]。

组件包括超声波换能器、信号传输电缆以及后续的信号处理装置，即超声发射器和接收器，主控制芯片及其外围电路[5]。超声波多普勒流量计的管壁上一般安装有超声波换能器，可把输入的电功率转换成超声波再发射出去[5]。换能器需要做好屏蔽措施，以防外界噪声干扰等因素影响超声波回波信号准确度。

3 应用实例

本研究以乌鲁木齐河上游段的后峡水文实验基地站河流为研究地区，在已有传统流速仪测得的试验数据的分析与研究的基础上，采用超声波多普勒流量计(型号为NF—LSX—1，测量范围为±5 m/s，精度为±1 cm/s)进行测量分析。在测量区域合理安装测量点，并配置多普勒超声流量计头。当流量计处于良好状态时，可以实现对河流流速的在线监测。同时，该站研究了多点测量方法以确定侧向流速，在横向流速相对急剧变化的点选择测量点(见表1)。

表1 不同条件的河道断面测点布设情况

在实测过程中发现，进行垂向流速测量时，流量计放置于断面内区时可获得更加精准的测量数据。实测时一般要求河道断面区域数量通常大于垂向测点数量，故将河道断面横向等分为5～10个区域进行测量，将数据代入公式(1)、(2)计算可得垂向平均流速[6]，从而可以求出断面平均流速，进而推求得到断面瞬时流量：

(1)

式中，u、V分别为测线上任意一点的流速与平均流速；a、b为垂向流速分布系数；y为测点离渠底距离，H为水深。

(2)

式中，c为垂向流速分布系数；其他如上。

在后峡水文实验基地站河道中，选取河道断面多个测量点位，分别用预测示差流速仪法和传统两点法对所研究河道进行断面流速分析，并将计算出的平均流速与人工实测流速进行比较(见表2、表3)。

表2 河道流速计算值与实测值对比(预测示差法)

表3 河道流速计算值与实测值对比(传统两点法)

可以看到，这两种方法在河道流速测量中的误差均在±5%以内，满足规范要求。对于河道流速测量要求来说，使用超声波多普勒流量计精度相对较高，操作方法可行，数据可实时获取。

4 结 语

超声波多普勒流量计具有非接触式、无阻挠且无压力损失等优点，在流量测量领域广泛应用。为了获得更精确的流量测量数据，工作技术人员需要按照超声波流量计使用要求与当地区的实际情况相结合，不断探索，努力提高超声波流量计的工作效率。本研究以乌鲁木齐河上游段的后峡水文实验基地站河流为研究地区，选定不同的河道断面，利用超声波多普勒流量计，分别用预测示差流速仪法和传统两点法对选定的河道进行断面流速分析；并将计算出的平均流速与人工实测流速相比较，得到超声波多普勒流量计使用便捷且结果可行，能够满足规范要求。

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