一體化超聲波多層測流設備在引洮灌區中的研究與應用

郭天德，焦小成，李文新，程焱釗

（1.甘肅省引洮工程建設管理局，蘭州730000；2.甘肅大河科技有限公司，蘭州730000）

0 引 言

對量水技術和設備的研究最早始于19 世紀20年代，經過Parshall等人的努力，量水堰和量水槽在灌區量水中得到了初步應用。20 世紀50年代以后，由于量水要求日趨迫切，對量水技術和設備的研究有了更多進展，與早期灌區所用較為單調的量水設備相比，現在的量水設備無論在種類上和規模上都得到了很大發展。1987年國際灌排委員會把“水量量測與調節”這一課題納入其工作計劃之中，其后由于單板機及計算機的普及和推廣，一大批用于灌區自動化量水的觀測儀表相繼問世。以美國為例，人飲和灌溉管理技術是一種以自動化控制和計量為主要內容的綜合性多學科的管理手段。自20 世紀80年代以來，美國一直致力于自動化控制在人飲供水、灌溉管理技術中的研究與應用，用水數據如瞬時流量、累積流量、水壓、水質等可以在控制中心運用大型數據庫進行記錄和報表分析，形成了強大的自動控制和計量系統。

我國灌區從20 世紀50年代即已開始采用量水方法做流量和水量測驗，經過四、五十年的發展，在灌區水量計量方面形成了比較成熟的技術。目前，灌區渠系水量計量方法可以歸納為4 類：①利用水工建筑物量水，即通過量測水工建筑物進、出水側的水位差和建筑物流量系數，計算通過的流量和累計水量；②利用流速儀量水，通過量測標準渠道斷面水位和特征點的流速，推求過水斷面平均流速，計算渠道過水流量及累積水量；③特設量水設備量水，一般包括量水堰和量水槽，也包括分流式量水計和CST 型渠道系統水表等；④新型量水設備，如轉輪式量水計、矩形箱涵量水計、電磁流量計、超聲波流量計等［1］。

本文在介紹基于斷面平均流速法的超聲波多層測流技術原理、硬件設計的基礎上，根據超聲波多層測流技術的特點及優勢，通過引洮供水工程智能水量計控系統項目的實際應用，介紹了該項技術在明渠流量測定應用情況，以期為超聲波多層測流技術的實際應用提供一些有益的參考，為引洮供水工程智能水量計控成果積累經驗。

1 一體化超聲波多層測流設備

1.1 原理結構

如圖1 所示，一體化超聲波多層測流設備的過流斷面是一個標準的矩形，利用超聲波時差法原理，通過多層分布的超聲波換能器來時間測量明渠中不同水層的流速，結合超聲波液位測量，利用“速度-面積積分法”計算，得到精準的斷面流量［2］。

圖1 多聲道時差法明渠測流原理結構Fig.1 Principle structure of multi-channel time difference method for open channel flow measurement

1.1.1 矩形渠道流速分布規律

由于設備整體采用304 不銹鋼材質，可以認為是一段光滑邊界的矩形渠道。根據胡春宏［2］等人的研究，對于矩形明渠，整個斷面最大流速必然在中垂線上，隨著靠近渠底和邊壁，流速逐漸減小。當寬深比（B/H）>10 時，最大流速發生在水面，隨著寬深比減小，最大流速位置下移，但其位置總是高于0.5 倍的水深。以上表述可以用圖2來直觀表達。

圖2 矩形明渠不同寬深比時流速分布Fig.2 Velocity distribution of rectangular open channel with different width depth ratio

根據超聲波時差法的測流原理，實際測量到的并非某一點的流速，而是超聲波所過路徑的水流平均流速。在測流設備所覆蓋的距離內，某一平面沿水流方向的流速可以近似認為是固定的，所以超聲波所測得的流速可以代表斷面測量水平方向的平均流速。

1.1.2 水層平均流速在垂直方向的分布

為研究不同水位下矩形渠斷面各水層平均流速的分布，在室內實驗室搭建實驗水槽進行相關實驗記錄。水槽為金屬材質，寬0.8 m，高1 m，長20 m，坡降比為1 000∶1。實驗水源由變頻水泵提供。

通過調節供水變頻泵流量，將渠道水位分別控制在0.1、0.35、0.6 m附近，進行3組實驗。實驗中水位由超聲波液位計測量，水層平均流速由外夾式超聲波流速儀測量，水流表面流速由雷達流速儀測量。每組實驗中，分別取相對水深（y/h）為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0（表面）處進行測量，實驗數據見表2，繪制曲線如圖3所示。

可見，在接近底部的黏性層，流速減緩的趨勢較為明顯。在實際渠道中，靠近底部的水流中又常常伴有石子、泥沙等雜質，其測量難度大，數據可靠性低。所以在實際計算時，將黏性層的測量忽略，只進行理論值上的率定。在0.1～0.6 m的常用水流測量范圍內，曲線的線性較平穩，合理分配超聲波探頭的間距即可得到有效的測值進行流量積算。

1.2 流量計算數學模型

矩形明渠某一層流的測量結構簡化圖如圖4 所示，渠寬為D，超聲波路徑長度為L，順流傳播時間為Tu，逆流傳播時間為Td，超聲波路徑與渠道軸線夾角為θ。

根據超聲波時差法測量原理［3］，液體流速v可以表示為：

表1 平均流速實驗測試數據Tab.1 Experimental test data of average velocity

式中：C0為超聲波在靜止水中的傳播速度，Δt=Tu-Td。可知其中，T=(Tu+Td)/2。

將式（2）代入式（1），可得：

通過測量某一層水流線上超聲波傳播的Tu與Td，由式（3）可計算出該水流線的平均流速，再用積分方法進行流量計算［5］。如圖5 所示，過水斷面是矩形，設底邊寬度為W，實際液位高度為H，根據水力學流量計算原理，采用面積流速分層積分可計得出實際流量Q：

圖5 流量積算示意圖Fig.5 Flow accumulation diagram

由圖3 可知，v(h)無法用確定的函數表述，式（4）的積分有困難。所以用積分近似計算公式，將式（4）轉化為：

式中：hi表示積分節點；v(hi)是對應于節點所在聲道水流的平均流速；Pi是對應于節點的權重系數。

在實際測量中，需要對聲道分布位置進行求解，將聲道分布位置代入積分公式中的節點式（5）才能作為式（4）的近似計算公式。由式（3）可知：

所以，矩形過流斷面超聲波多層測流的流量計算公式為：

針對一段固定渠道，H、W、D為固化值，ti、Ti由超聲波測量系統實際測得。超聲波路徑與渠道軸線夾角θ，測流層分布位置和對應的加權積分系數需要進一步求解，以得到最佳的測量精度。

1.3 超聲波換能器布局

1.3.1 超聲波換能器在水平方向的分布

理論上，在超聲波的有效測距內，L越長，則T與Δt的值越大，對于計時芯片測得的時間越精確，最終測得的流速也更精確，相對應的θ角度則越小，但在實際應用中，需要考慮以下因素：

（1）受設備尺寸和成本限制，兩個傳感器的水平間距不可能過大，θ越大越有利于縮減設備尺寸。

（2）對于芯片的計算，公式越簡化，越有利于進行高頻率的計算。

綜合以上因素，當選擇θ= 45°時，sinθ= cosθ，式（3）可以簡化為：

目前所使用的主流計時芯片精度已達皮秒級，而隨著第二代全數字TDC 電路的普及，超聲波的計量精度已經非常高。θ角度在一定范圍內減小以增加的L長度帶來的收益已經很小了。所以將θ角度定為45°已是一個非常優化的方案。實際布局中，為避免相鄰超聲波聲道之間的干擾，會采用相互交叉的布局，如圖6（a）所示，L1和L2表示相鄰的兩路超聲波路徑。

圖6 換能器的分布Fig.6 Transducer distribution

1.3.2 超聲波換能器在垂直方向的數量和分布

由式（7）可知，測量的聲道數越多，計算出的流量越接近于真實值。參考圖3 中不同液位下的流速分布曲線，計算流量相對實際流量的誤差與聲道數關系曲線呈現指數關系，當聲道數≤4 時，相對誤差隨聲道數增加顯著減少；當聲道數≥5 時，相對誤差隨聲道數增加減少變緩。

引洮工程中，所測流渠道的實際液位多數在0.1～0.6 m 之間。測流層可以根據以下原則進行布設：

（1）0.1 m以下只設一組測流層，作為參考計算。

（2）0.1～0.4 m 為主要水位變化區間，作為主要測流區域。該區域內測流層分布應較為密集。

（3）0.4 m 以上測流層分布可相對稀疏，具體數量根據現場實際測流水位最大值決定。

綜合考慮硬件成本、測流精度、以0.8 m 寬矩形明渠為例，測流層的分布如圖5（b）所示。實際應用中，應根據水位的變化范圍，最大液位等因素確定測流層分布。

1.4 軟件計算

根據測量系統的硬件結構，軟件使用了模塊化的設計思路，將整個軟件工作拆分成多個任務，包括水位采集、流速采集任務、流量積算任務、顯示任務、存儲任務、通訊任務等。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

1.4.1 時差測算

無論是流速還是水位的測量，核心在于超聲波發送與接收時間差的測算。程序中主要是通過定時器的計數來實現，當超聲波發送時啟動計數，得到回波信號后停止計數。計時器的時間固定為1 微秒，則該計數累加值就是回波的時差（單位：μs）。再根據時差法測量的原理，即可計算得出流速與水位數據［4］。

1.4.2 溫度補償

水位的測量主要依據空氣中的聲速作為主要參數，而空氣中聲速受環境溫度的影響較大，直接影響測量結果。所以需要進行溫度補償計算。

已知在0 ℃下的聲速為331.45 m/s，環境溫度為t，則該溫度下的聲速C可由下面公式得出：

1.4.3 流量積算

根據式（7）可知，軟件系統主要進行兩種計算。一是通過測量超聲波上下游時差Δt，計算出對應聲道所在流層的平均流速；二是對各層流速和面積進行積算，最終得出整個斷面的流量Q。由式（7）和式（8）可得

按照超聲波換能器的分布，不同流層的流速可表征該取樣平面附近的面積的流速。Pi實際反映的是該流層的面積權重，則式（10）可變換為：

式中：Δhi為相鄰兩層換能器之間的垂直距離。

1.5 矩形渠道實驗數據分析

實驗渠道為標準矩形斷面，寬為0.8 m。實驗水源為水泵循環供水，流量通過出口管道電磁流量計進行測量，分別對設備的水位和流量測量準確度進行測試。實驗測試結果如表2所示。

由表2 可知，各水位工況下實驗和測量流量相對誤差大部分在3%以內，相對誤差平均值為1.32%，滿足《取水計量技術導則》中，明渠輸水時誤差應≤±5%的規定［6］。

表2 實驗測試數據Tab.2 Experimental test data

2 工程實際應用

2.1 引洮工程中的應用

在引洮一期工程二干渠頭寨支渠10處分水口，配合智能閘門已安裝上述超聲波多層測流設備。分布如圖8所示。

圖8 頭寨支渠分水口分布圖Fig.8 Distribution of water diversion outlets of Touzhai branch canal

其中1～5號分水口下游原來安裝有三角量水堰。所以選用這5處超聲波多層測流結果與量水堰測流結果進行對比。實驗時通過調節主渠下游截止閘開度，控制主渠水位，分別記錄下二者的測量數據。實測數據如圖9所示。

圖9 分水口實測數據對比Fig.9 Comparison of measured data of water diversion outlet

由以上測量結果比對可以看出。1～3 號分水口，二者實測數據比較接近，4 號和5 號分水口實測數據相差很大。分析原因如下：

（1）1～3號超聲波測量設備安裝在渠道平直段，且前后有充足的平直距離，水流能平穩進入測量設備，既沒有左右偏流，也沒有渠道坡降形成的沖力。

（2）4 號在坡度較大的坡面上安裝，內部水流為湍流狀態，直接影響超聲波對流速和液位的準確計量。

（3）5 號設備雖然也在渠道平直段，但距離坡道太近，水流在設備內沖擊較大，流態混亂，造成超聲波測流的數據波動巨大，無法形成有效的計量數據。

2.2 對比分析

對比實驗室實驗數據和實際工程中的運行數據，發現超聲波測流設備在計量條件不太理想工況下（相對于傳統計量方式），依然能較為準確的進行計量。但對于傾瀉、浸淹、流態紊亂的工況同樣無法進行有效計量，可見超聲波多層測量設備同管道超聲波流量計類似，需要滿足基本的水力學安裝條件，保證通過設備的水流態穩定、自由才能實現精準的計量。

2.3 超聲波多層測流設備的安裝

超聲波多層測流設備的水力學安裝條件如下：

（1）需要充足的上、下游長度來保證水流平緩，方可保證計量的精確性，一般要符合“前十后五”規則，即上游要有10 倍渠寬的平直段，下游要有5倍渠寬的平直段。

（2）為保證超聲波液位計的測量精度，設備安裝時底部需要保持水平。

（3）施工時需要注意設備邊框對水流的阻擋，避免設備內壁阻水造成的漩渦，特別是在“前十后五”的直渠段內，設備的進口、出口與渠道底部需要在同一平面，避免濺起水花影響液位計量。

如圖10所示，其中列出了兩種典型的安裝方式。

圖10 超聲波多層測流設備安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of ultrasonic multi layer flow measuring equipment

2.4 存在問題及改進建議

（1）針對低水位小流量的場景任無法精準計量。由于引洮工一期工程的特殊性，很多測點長期通過的水流遠低于其設計標準。尤其對于水位低于10 cm 的工況，使用超聲波多層測流也無法進行精準的測量。建議針對這種特殊工況，對測點前后的渠道進行改建，使用復合型梯形渠，小流量走小渠道進行計量。

（2）設備功率過大。該技術使用了多組超聲波探頭，綜合功率達到了20～40 W，這對于沒有市電，采用光伏供電的場景，是一個很大的用電負載。可以從硬件上選擇更加低功耗的超聲波換能器，軟件算法上選擇最佳采集頻率，通過水位判斷實際起作用的超聲波測流層，關閉空氣中沒有起作用的測流層電源，達到最優化的能源使用分配。

（3）算法上任有很大的開發空間。水力模型復雜多變，涉及因素非常多。今后可以考慮結合人工智能，針對每個具體測點進行動態率定，生成其特有的動態水力模型。

2.5 應用范圍

引洮供水一期工程三條干渠總長為145.4 km，總控制灌溉面積1.267 萬hm2（19 萬畝），斗農分水口共計113 處，現場條件復雜，斗農口地形多樣，而且在建設中還牽扯到征用農民耕地等問題，無法按照傳統量水渠道規格進行施工建設。可用于引洮工程各輸水隧洞流量和各矩形斗農口渠道水位高低變化范圍較大的場景，解決目前用液位+流速標準斷面法測流不夠準確的問題。

3 技術特點和優勢

超聲波多層測流技術裝置整體采用一體化設計，所有元器件封裝在一個矩形中空的桶形不銹鋼框架內。整體封裝可做到較高的防護等級，保證內部電子元器件的安全可靠；液位傳感器、超聲波換能器等探頭的安裝位置相對固定，出廠時已滿足了安裝精度，保證測量數據的可靠穩定；無論實際渠道是否規整，一體化化設計可保證過流斷面是一個標準的矩形斷面；便于運輸及安裝。

3.1 技術對比

目前常用的明渠測流方式主要有量水堰槽法、表面流速法、水位率定法和斷面平均流速法。

（1）量水堰槽法。量水堰槽法是傳統的明渠計量方式，在普通渠道內安裝量水堰槽，產生節流作用，通過測量水位，套用水位與流量的經驗公式，計算出流量。常用的量水堰槽有巴歇爾槽、三角堰、矩形堰、無喉堰等。

該方法計量準確度取決于流態的穩定性、渠道粗糙度、坡降比精度等多種因素，在實際工程環境中很難到達實驗室中的安裝實驗條件，往往誤差較大。

（2）表面流速法。表面流速法是根據非接觸式雷達測量的渠道表面流速和渠道水位計算出流量。這種方法具有測量穩定、安裝便捷的優點，但只能測量水流的表面流速，而流實際上是分了無數個層來分層流動的，尤其當水位較深，流態不平穩時，測量值與實際流量誤差較大。

（3）水位率定法。水位率定法通常是通過測量閘前、閘后水位，通過水位-流量模型計算出流量。這種方法最大缺點在于無法使用通用的數學模型，需要根據實際工況進行現場率定，得出具體的模型參數，現場調試工作量大，每個測點都不相同，不利于普遍推廣應用。

（4）斷面平均流速法。斷面平均流速法是通過分層測量多個流層流速，得出過水斷面平均流速，在根據水位得出過水斷面面積，最終計算出實際流量。

相較于其他明渠測流方法，斷面平均流速法是最接近于實際流量的測流方法，具有水位和流速測流區間大，準確度和穩定性高的優點。本文所述的多層流超聲波測流也是基于此種方法。

3.2 技術優勢

（1）智能的流量測定。通過超聲波多層測流技術、測流裝備的集成和信息采集、傳輸、處理、發布等多項技術的綜合運用，構建一套面向農業灌區取用水量的自動監測、預警及信息發布智能水量計量系統。

智能水量計量系統形象、直觀地為管理部門提供灌渠實時流量查詢、報表管理等服務，確保管理人員迅速、及時、準確地掌握灌渠的流量、雨量信息，為農田水利管理工作提供有效支撐，提升農田水利信息化水平。隨著超聲波傳感器的不斷發展，它們將使灌區量水技術更加穩健、高效和安全。就目前的趨勢而言，可以確信這項技術將有助于“智能灌區”的成熟發展。

（2）可靠的精準測流。超聲波傳感器技術的改進使它們更加精確和便宜，在減小尺寸的同時提高了可用性。憑借這些改進，它們將成為有效的流量測量技術，通過用超聲波傳感器替換掉原來的機械式流量計極大提高了測流的精度，且超聲波測流技術沒有任何機械的活動部件，確保了設備的高可靠性。

（3）集成人工智能和大數據分析技術。將灌區內各個超聲波測流設備看作獨立運轉單元，當某臺超聲波測流設備設備的個別傳感器等零部件故障時，雖然可以檢測到渠道流量數據，但其精度與實際值偏離較大，往往不易被管理者發現。為了進一步提升測流數據的準確度，引入人工智能技術結合大數據分析技術，利用多種超聲波測流設備提供的同一時間段、同一斷面流量數據情況，可以及時發現故障設備、及時維修，為引洮灌區流量檢測的精確度提供依據。

引洮灌區超聲波測流技術中應用的人工智能和大數據提升流量檢測精度的方法研究才剛剛起步，還有不同檢測設備在不同環境下檢測精度如何，幾類設備相互結合，能否進一步提升智慧測流的融合度等很多問題值得深入研究探索。

4 結 語

灌區用水的精準計量具有深遠的意義，本文針對甘肅引洮灌區明渠計量遇到的問題，引入了一體化超聲波多層測流設備。文中通過對測流原理的分析，并對室內試驗和工程現場實際測流數據進行對比分析，總結了超聲波換能器分布原則、適用場景、設備安裝的水力學條件等實際問題。該技術成熟可靠，安裝簡單，施工速度快、成本低，可有效解決灌區計量工程復雜環境下設計施工困難，計量精度難以滿足要求的問題，經濟和社會效益顯著，類似工程環境可參考應用。 □