多泥沙明渠流量智能化精確計量系統設計研究

王玉曉 崔峰 郭秋歌

摘 要：多泥沙引黃明渠流量的智能化精確計量一直是困擾業界的難題，其主要原因一是流速測量存在誤差，二是渠道沖淤變化大且快，過流面積測量不準。為了保證明渠流量智能化精確計量，針對多泥沙明渠設計了一套流量智能化精確計量方案。該方案采用現代化測量設備及自動控制裝置，基于超聲波技術測出流速，自動測出淤積厚度，并形成多點數據庫，對所采集的數據進行處理，形成數據庫后傳入PC端進行數據可視化處理。比測數據分析表明：該精確計量系統提升了流量計量的準確性、穩定性、可靠性，滿足明渠流量智能化精確計量要求，同時為實現遠距離、無人值守、智能化、通用化明渠流量監測設備的應用提供了技術儲備。

關鍵詞：超聲波技術;流量計算;泥沙去淤;智能化計量

中圖分類號：TV62;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.036

Abstract：The intelligent accurate measurement of the discharge for sediment-laden open channel has been one of the problems in the hydraulic field. One of the main reasons is that there are errors in the velocity measurement， the other is the change of channel erosion and deposition is very large and fast. In order to ensure the intelligent accurate measurement of discharge for open channel， an intelligent accurate measurement system was designed for the sediment-laden open channel. The system automatically measured the thickness of deposition and then formed multi-point database with adopting modern measuring equipment and automatic control device， which based on ultrasonic technology to measure the velocity of flow. Finally， we processed the database and transferred it to PC for data visualization. The practical conclusion shows that this system improves the accuracy， stability and reliability of discharge measurement and satisfies the requirements of intelligent and accurate measurement of water flow in open channel. Meanwhile， it provides technical reserve for achieving the application of long-distance， unattended， intelligent and general utilization of open channel flow detection equipment.

Key words： ultrasonic technology; flow calculation; sediment desilting; intelligent measurement

1 引 言

隨著流量自動監測技術的發展，目前應用最為廣泛的是基于聲學原理的流量自動監測技術。基于聲學原理的流量計主要分為時差法多聲路超聲波流量計和超聲波多普勒流量計。此外，雷達明渠流量計在黃河下游明渠測流中應用較多。

多聲路超聲波流量計目前已經廣泛應用于管路和渠道流量測量中，根據超聲波在水流中的傳播特性，利用一組或多組超聲波換能器來測量同一水層線平均流速，通過水深計算斷面面積;超聲波多普勒流量計以聲學多普勒效應為基礎，采用一體化的結構，將換能器和電子部件集中在一個密封容器內，工作時全部浸入水下，通過防水電纜傳輸信息。非接觸式雷達明渠流量計是通過改進雷達明渠流量計，結合流體力學模型，配合雷達流速儀得到。目前，國內外測量河流流量的方法主要有時差法、垂直多普勒法、流速面積法、雷達波橋測法、曲線率定法、遙感測量法和控制斷面法等[1]。

相比雷達明渠流量計和超聲波多普勒流量計，超聲波流量計測量精度最高，且受現場條件影響小。雷達明渠流量計和超聲波多普勒流量計需要定期進行校準率定，這會增加額外開銷。此外，通過對3種流量計對比研究發現，雷達明渠流量計、多普勒流量計、超聲波流量計的流量測量只在清水中具有較高的精度，無法在明渠底部淤積的情況下實時精確地測量明渠流量[2-3]。

本文針對多泥沙明渠，設計了一套流量智能化精確計量方案，該方案采用現代化測量設備及自動控制裝置，基于超聲波技術測出流速并自動測量淤積厚度，形成多點數據庫，通過數據處理提升流量計量的精確性。

2 結構說明

圖1為現代化測量設備及自動控制裝置示意圖，其主要包括3部分：太陽能供電系統、走航系統和智能設備運算系統。太陽能供電系統包括太陽能電池板、遠程監控攝像頭等;走航系統包括控制箱、電機、樁、鋼絲纜等，用箱封裝;智能設備運算系統包括淤積監測運算系統和流量運算系統。配電箱與走航系統控制箱位于太陽能電池桿上，配電箱與控制箱連接，控制箱內控制器與樁內電機以及各類控制器連接;配電箱與淤積監測運算系統連接，結合流量運算系統能夠實時測出淤積厚度。

3 原理說明

（1）太陽能通過控制單元向走航系統供電，通過導線發送采集信號分別實時測出水面到明渠底部距離及水面到淤積面（圖1中紅線）的距離，實現渠道沖淤變化數據的實時更新。然后利用平均斷面法計算出渠道斷面面積。

（2）平均斷面法。對于非常規斷面，通常需要建立斷面水深—面積數學模型S（x），根據測量的各斷面流速和水深計算流量。若斷面流量函數Q（x）十分復雜，即無法獲得解析解時，采用數值積分代替函數積分來獲取渠道斷面面積，進而計算流量。

本文所設計方案針對規則渠道斷面，利用平均斷面法計算渠道斷面面積，即通過逐層水深計算斷面面積，通過逐層流速—面積積分計算流量。規則渠道斷面面積如圖2所示。斷面面積計算公式為S總=S1+S2+S3+S變，其中S是與h有關的變量。

（3）將采集數據傳輸至淤積監測系統，利用相關智能設備對數據進行處理，形成淤積數據庫。

（4）智能設備通過采集流量相關數據與淤積數據，采用流量計量經典算法（流速—面積法）進行數據綜合處理，實現流量精確計量。

4 比例數據分析

以某一監測站為例，取人工測量值與智能測量設備測量值以及理論計算值進行對比，見表1～表3。

表2給出了9個觀測日內智能化測量值與人工測量值。由表2可知，智能化測量值與人工測量值基本一致，這是因為人工測量值與智能化測量值都是在默認去除淤積的情況下進行的數據采集，其誤差均在5%以下，在允許范圍內，精度指標達到了水文測驗規范要求。

表3給出了9個觀測日內智能化測量值與理論計算值的對比，其中智能化測量值分為含淤組和去淤組。含淤組智能化測量值與理論計算值基本一致，對比含淤組與去淤組智能化測量值，其誤差指標達到了水文測驗規范要求。含淤組和去淤組智能化測量值與理論計算值作對比，其誤差多數在4%以下。

5 結 論

針對多泥沙明渠設計了一套智能化精確計量方案，該方案采用現代化測量設備及自動控制裝置，基于超聲波技術測出流速并自動測量淤積厚度，實現了渠道沖淤變化數據的實時更新。通過數據分析對比了理論計算值、智能化測量值與人工測量值之間的關系，結果顯示，所提方案在能夠智能化記錄淤積變化的情況下，提升了流量計量的準確性、穩定性、可靠性，滿足了渠道流量智能化精確計量要求。

參考文獻：

[1] 孫采鷹，田志強，曹凱.超聲波明渠流量計研究與設計[J].內蒙古科技大學學報，2015，34（4）：333-336.

[2] 許漢武，胡業林，郭立全.超聲明渠流量計[J].電子世界，2017（12）：69-71.

[3] 任劍飛.基于流速面積法的河流水位流量計量研究[J].水利規劃與設計，2015（11）：69-71.

【責任編輯 張 帥】