超声波流量计在长距离输水调度中的应用

哈斯也提·依米提

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊宁 835000）

0 引言

受气候条件和地理空间条件的影响，中国水资源分布极不均衡，总体表现为东部、南部水资源相对丰富，而西部、北部水资源相对匮乏。为满足干旱地区居民生活用水和工农业用水需求，中国普遍采取了长距离、跨区域调水的方式，如：南水北调工程、东水西调工程等。新疆地区地处中国西北边陲，气候炎热干燥，水资源极度匮乏，是中国水资源调入的重要地区之一。在跨区域、长距离调水过程中，受输水渠道单位距离容纳能力、水资源的蒸发量及外部天气情况等多种因素的影响，需要实时监控渠道的水量并根据实时数据，机动调整输水的总量。近几年，随着电子技术、数字技术和新材料技术的不断发展，超声波流量计被研发并得到了广泛的推广和使用。超声波流量计利用超声波在流体中传播的特性，能够监测出渠道中水量、流速等信息，为流量控制与调度提供数据上的支持。现以新疆某长距离输水渠道工程为例，研究了超声波流量计的工作原理，及在渠道水资源调度方面的意义和价值。

1 工程项目概况

新疆某长距离输水渠道工程的总投资为25 亿元人民币，从特克斯河出山口到中哈边境的拉塔口岸，水渠总长度为168.80 km。该工程项目属于大（1）型Ⅰ等工程，不仅承担着新疆地区10.60 hm2的农作物灌溉用水需求，还满足了地区水力发电的要求。该项水利工程共设计了37座取水口、6座支渠分水闸、26 座干管分水闸和7 座扬水站分水闸，以满足沿途地区和新疆地区工农业用水的基本需求。

中国对于工程用水的管理较为严格，水资源的调度和使用都秉承统一规划、合理调度的基本原则，避免过高的成本投入及造成水资源的浪费。新疆长距离输水渠道水资源调度，具体包括引水调度、输水调度、水量调配等多个环节。其中，每个环节都需要对渠道水位、径流量、流速等指标做系统化的数据监控，超声波流量计在每个管理环节都发挥着重要的作用，超声波流量计的推广使用，对于中国长距离水资源调度工作的顺利开展具有重要的价值和意义

2 超声波流量计的测量原理

2.1 测量原理

由于超声波流量计具有非接触式设计，具有广泛的适用性，尤其适合于环境较为恶劣条件下的水位测量和径流量测量；超声波流量计在结构设计上也不易受监测客体化学性质的影响，可以用于长期、在线测量。此外，超声波流量计还具有较高的自动化程度，能够节省大量的人力、物力及测量成本。超声波流量计借助多普勒效应原理设计而成，通过分析输水渠道中顺水流和逆水流的多普勒频差，反映出渠道中水流的速度，进而计算出总的流量。超声波在水中会产生多普勒效应，而在测量过程中流量计中的超声波发生器是唯一的声源，声波经过入射和反射之后会产生频率差，进而引起多普勒效应。由此可见，监控超声波在水流中的频率差是测量水流量的关键步骤。

2.2 测量算法分析

当超声波与水分子固体颗粒以相同的速度运动时，即能够激发出多普勒运动效应。设流体的速度为v，此时流量计接收到的声波频率为f1：

此时，两者之间的频率差Δf表示为：

为了在测量过程中，有效地采集和接收到多普勒信号，超声波流量计发射器和还能器都采用一体化的设计方式，可以在信息加窗范围内反复多次计算频率差的均值。基于超声波流量计测量水量还需测量水断面的水深指标，在特定的条件下超声波在空气中和水下的传播速度都是固定的，利用超声波探头向渠道断面发送超声波并计算返回时间，就能够推算出水渠的深度。为了测量结果具有代表性和普遍性，在测量渠道段的选择上，需要选择水流均匀、无旋涡和回流的区域作为测试地点，避免由于渠道的特殊位置而引起测量结果的波动。

3 超声波流量计的应用与重要性分析

3.1 超声波流量计在长距离输水调度中的应用

将超声波流量计应用于新疆长距离水资源调度工程项目中，能够有效解决测量成本高、准确性低、人力物力资源消耗大的问题。例如：该项目总干渠工程中的分水闸水量计量，用传统的人工样本数据采集和人工测量的方式，无法获得准确的数据，且无法满足多次采样和多次测量的基本要求；而用超声波流量计测量分水闸水量，可以实现对该段工程水量的实时监控和自动化监控。更为重要的是常态化、实时化监控，有利于工程施工的安全和水资源的合理利用。整个水渠工程项目设有多个取水口和闸门，传统以人工为主的监控模式下无法实现同步监控和数据的传递与共享。而超声波流量计的测量效率高，测量点密度大，可以实时掌握各闸门水量水位信息，并将信息同步给上下游关联段的管理人员，能够实现对各段水位、流量等指标的综合控制，确保水渠的安全运行。

随着监控技术和网络技术的进步，对渠道重点部位的水位，如：闸门蝶阀处水位的监控可以实现自动化作业。将关键位置安装超声波流量计和数据传感器，并根据需要设定好监控频率，基于局域网或WSNs 网络实施监控传递到监控室，提醒工作人员整个水渠的水位是否处于一个正常的区间范围。资源调度中心的相关管理人员、技术人员，通过网络可以直接接收相关的信息，利用数据库系统和相关软件，汇总分析和处理干渠、闸门蝶阀等所有监视范围内的真实情况。数据中心的管理人员在网络监控设备的帮助下，无须亲自到场实施监控就可以获得第一手的准确数据，并迅速做出反应，以远程控制的方式调整各段的流量，在确保水渠安全的前提下合理调配和调度水资源。该长距离输水渠道工程战线较长、沿线点多，其中可能会流经一些较为特殊的环境，且渠道管理人员难以过去，或由于环境因素而无法较好地开展管理工作，因而，借助数字化建设系统能够实现对渠道运行状况的远程管理。另外，通过该系统可以及时了解渠道及渠系建筑物运行情况，继而使渠道管理人员对渠道予以及时的维护和维修处理，确保渠道的运行安全，且满足周边农田等对水资源的需求。

3.2 超声波流量计的重要性分析

超声波流量计应用在水量调度管理中的重要性主要体现在以下几个方面。

3.2.1 能够实现水量的多点计量，测量成本更低

超声波流量计测量水量成本较低，经过培训合格后的人员都能够独立使用设备。而且通过安全传感器的方式还可以实现自动化监控，解决传统监控模式下监控成本高，及单点监控存在的各种问题与弊端。长距离输水渠道是一个统一的整体，上游的水量会直接影响到下游的水量，且有的水渠还兼具了沿途灌溉功能、发电功能等，水渠每段的水量都处于实时变化之中，因此对水渠各段水量实施实时多点监控，具有重要的现实意义。应用超声波流量计监控符合安全性和经济性的基本原则，能够为水量集中调度与综合使用提供数据上的支持。

3.2.2 长距离输水渠道水量监控值更准确、可靠

从监控方法上来看，基于超声波流量计的监控方式更加科学、实用，借助现代科学技术、电子科学技术、传感网络技术、超声波技术等设计的超声波流量计在实践中已被证明具有良好的准确性和可靠性。相对于传统的水量监控方式，监控值更准确，测量的误差区间更小。由于采用了多点监控的方式，如果在监控中出现了监控值的异常波动，可针对该奇异点做重复测量，以判断水量是的确出现了问题，还是监控设备的故障导致。超声波流量计的使用不受光线条件的影响，即使在夜间或能见度较差的环境下也可以实现对水量的监控，这对于保证水渠在安全水位下运行十分关键。随着技术不断进步，超声波流量计的设计水平和软硬件水平都会不断提高，通常对设备参数的调整、监控阈值范围的设定等，监控指标值的精度会越来越高，同时得到的监控数据可靠性也会提升。

3.2.3 设备的操作便捷，质量稳定，采购成本较低

受专业性条件的限制，传统的水渠水量监控需要由专业的人员操作，受人力资源因素的限制，专业技术人员匮乏，也是限制水量监控和调度的重要因素之一。与传统监控方式不同，基于超声波流量计的水量监控方式无须专业的人员操作，只要经过岗位培训的人员，在特定的条件下都可以使用设备。岗位培训的内容包括超声波流量计的各项参数调整、使用场景和环境、被监测对象的限定条件等，只要符合这些条件策略得到的数据就具有较高的参考价值。从采购成本的角度分析，基于多普勒频率差原理设计的超声波流量计采购成本较低，且质量稳定耐用，只需按照设备保养的基本原则，定期更换电池等易损零部件，即可确保设备的稳定运行。

4 结语

随着中国水资源跨区域调度工程的全面推进与展开，实施输水渠水量监控，就成为水资源调度工作中的重点工作之一。当前，中国正在稳步推进长距离输水渠道工程数字化建设系统建设工作，通过数字化、网络化的监控，提升水资源调度系统运行的稳定性。在自动化监控模式下，水资源调度系统运行更加稳定，操作更为便捷，同时数据的采集处理也更加方便，网络化、数字化进程对其他设备使用与开发也日趋完善。在水资源的综合调度过程中，主要通过监控渠道内水位、流速、径流量等指标，实现自动测报系统监测渠道水位，并完成流量数值精确计算和提取。在引入超声波流量计以后，在水渠供水调度过程中大大降低了管理人员的劳动强度和人员成本，并逐步推进自动化的运行管理模式，进一步提高数据监控的可靠性。