超聲波流量計在長距離輸水調度中的應用

哈斯也提·依米提

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊寧 835000）

0 引言

受氣候條件和地理空間條件的影響，中國水資源分布極不均衡，總體表現為東部、南部水資源相對豐富，而西部、北部水資源相對匱乏。為滿足干旱地區居民生活用水和工農業用水需求，中國普遍采取了長距離、跨區域調水的方式，如：南水北調工程、東水西調工程等。新疆地區地處中國西北邊陲，氣候炎熱干燥，水資源極度匱乏，是中國水資源調入的重要地區之一。在跨區域、長距離調水過程中，受輸水渠道單位距離容納能力、水資源的蒸發量及外部天氣情況等多種因素的影響，需要實時監控渠道的水量并根據實時數據，機動調整輸水的總量。近幾年，隨著電子技術、數字技術和新材料技術的不斷發展，超聲波流量計被研發并得到了廣泛的推廣和使用。超聲波流量計利用超聲波在流體中傳播的特性，能夠監測出渠道中水量、流速等信息，為流量控制與調度提供數據上的支持。現以新疆某長距離輸水渠道工程為例，研究了超聲波流量計的工作原理，及在渠道水資源調度方面的意義和價值。

1 工程項目概況

新疆某長距離輸水渠道工程的總投資為25 億元人民幣，從特克斯河出山口到中哈邊境的拉塔口岸，水渠總長度為168.80 km。該工程項目屬于大（1）型Ⅰ等工程，不僅承擔著新疆地區10.60 hm2的農作物灌溉用水需求，還滿足了地區水力發電的要求。該項水利工程共設計了37座取水口、6座支渠分水閘、26 座干管分水閘和7 座揚水站分水閘，以滿足沿途地區和新疆地區工農業用水的基本需求。

中國對于工程用水的管理較為嚴格，水資源的調度和使用都秉承統一規劃、合理調度的基本原則，避免過高的成本投入及造成水資源的浪費。新疆長距離輸水渠道水資源調度，具體包括引水調度、輸水調度、水量調配等多個環節。其中，每個環節都需要對渠道水位、徑流量、流速等指標做系統化的數據監控，超聲波流量計在每個管理環節都發揮著重要的作用，超聲波流量計的推廣使用，對于中國長距離水資源調度工作的順利開展具有重要的價值和意義

2 超聲波流量計的測量原理

2.1 測量原理

由于超聲波流量計具有非接觸式設計，具有廣泛的適用性，尤其適合于環境較為惡劣條件下的水位測量和徑流量測量；超聲波流量計在結構設計上也不易受監測客體化學性質的影響，可以用于長期、在線測量。此外，超聲波流量計還具有較高的自動化程度，能夠節省大量的人力、物力及測量成本。超聲波流量計借助多普勒效應原理設計而成，通過分析輸水渠道中順水流和逆水流的多普勒頻差，反映出渠道中水流的速度，進而計算出總的流量。超聲波在水中會產生多普勒效應，而在測量過程中流量計中的超聲波發生器是唯一的聲源，聲波經過入射和反射之后會產生頻率差，進而引起多普勒效應。由此可見，監控超聲波在水流中的頻率差是測量水流量的關鍵步驟。

2.2 測量算法分析

當超聲波與水分子固體顆粒以相同的速度運動時，即能夠激發出多普勒運動效應。設流體的速度為v，此時流量計接收到的聲波頻率為f1：

此時，兩者之間的頻率差Δf表示為：

為了在測量過程中，有效地采集和接收到多普勒信號，超聲波流量計發射器和還能器都采用一體化的設計方式，可以在信息加窗范圍內反復多次計算頻率差的均值。基于超聲波流量計測量水量還需測量水斷面的水深指標，在特定的條件下超聲波在空氣中和水下的傳播速度都是固定的，利用超聲波探頭向渠道斷面發送超聲波并計算返回時間，就能夠推算出水渠的深度。為了測量結果具有代表性和普遍性，在測量渠道段的選擇上，需要選擇水流均勻、無旋渦和回流的區域作為測試地點，避免由于渠道的特殊位置而引起測量結果的波動。

3 超聲波流量計的應用與重要性分析

3.1 超聲波流量計在長距離輸水調度中的應用

將超聲波流量計應用于新疆長距離水資源調度工程項目中，能夠有效解決測量成本高、準確性低、人力物力資源消耗大的問題。例如：該項目總干渠工程中的分水閘水量計量，用傳統的人工樣本數據采集和人工測量的方式，無法獲得準確的數據，且無法滿足多次采樣和多次測量的基本要求；而用超聲波流量計測量分水閘水量，可以實現對該段工程水量的實時監控和自動化監控。更為重要的是常態化、實時化監控，有利于工程施工的安全和水資源的合理利用。整個水渠工程項目設有多個取水口和閘門，傳統以人工為主的監控模式下無法實現同步監控和數據的傳遞與共享。而超聲波流量計的測量效率高，測量點密度大，可以實時掌握各閘門水量水位信息，并將信息同步給上下游關聯段的管理人員，能夠實現對各段水位、流量等指標的綜合控制，確保水渠的安全運行。

隨著監控技術和網絡技術的進步，對渠道重點部位的水位，如：閘門蝶閥處水位的監控可以實現自動化作業。將關鍵位置安裝超聲波流量計和數據傳感器，并根據需要設定好監控頻率，基于局域網或WSNs 網絡實施監控傳遞到監控室，提醒工作人員整個水渠的水位是否處于一個正常的區間范圍。資源調度中心的相關管理人員、技術人員，通過網絡可以直接接收相關的信息，利用數據庫系統和相關軟件，匯總分析和處理干渠、閘門蝶閥等所有監視范圍內的真實情況。數據中心的管理人員在網絡監控設備的幫助下，無須親自到場實施監控就可以獲得第一手的準確數據，并迅速做出反應，以遠程控制的方式調整各段的流量，在確保水渠安全的前提下合理調配和調度水資源。該長距離輸水渠道工程戰線較長、沿線點多，其中可能會流經一些較為特殊的環境，且渠道管理人員難以過去，或由于環境因素而無法較好地開展管理工作，因而，借助數字化建設系統能夠實現對渠道運行狀況的遠程管理。另外，通過該系統可以及時了解渠道及渠系建筑物運行情況，繼而使渠道管理人員對渠道予以及時的維護和維修處理，確保渠道的運行安全，且滿足周邊農田等對水資源的需求。

3.2 超聲波流量計的重要性分析

超聲波流量計應用在水量調度管理中的重要性主要體現在以下幾個方面。

3.2.1 能夠實現水量的多點計量，測量成本更低

超聲波流量計測量水量成本較低，經過培訓合格后的人員都能夠獨立使用設備。而且通過安全傳感器的方式還可以實現自動化監控，解決傳統監控模式下監控成本高，及單點監控存在的各種問題與弊端。長距離輸水渠道是一個統一的整體，上游的水量會直接影響到下游的水量，且有的水渠還兼具了沿途灌溉功能、發電功能等，水渠每段的水量都處于實時變化之中，因此對水渠各段水量實施實時多點監控，具有重要的現實意義。應用超聲波流量計監控符合安全性和經濟性的基本原則，能夠為水量集中調度與綜合使用提供數據上的支持。

3.2.2 長距離輸水渠道水量監控值更準確、可靠

從監控方法上來看，基于超聲波流量計的監控方式更加科學、實用，借助現代科學技術、電子科學技術、傳感網絡技術、超聲波技術等設計的超聲波流量計在實踐中已被證明具有良好的準確性和可靠性。相對于傳統的水量監控方式，監控值更準確，測量的誤差區間更小。由于采用了多點監控的方式，如果在監控中出現了監控值的異常波動，可針對該奇異點做重復測量，以判斷水量是的確出現了問題，還是監控設備的故障導致。超聲波流量計的使用不受光線條件的影響，即使在夜間或能見度較差的環境下也可以實現對水量的監控，這對于保證水渠在安全水位下運行十分關鍵。隨著技術不斷進步，超聲波流量計的設計水平和軟硬件水平都會不斷提高，通常對設備參數的調整、監控閾值范圍的設定等，監控指標值的精度會越來越高，同時得到的監控數據可靠性也會提升。

3.2.3 設備的操作便捷，質量穩定，采購成本較低

受專業性條件的限制，傳統的水渠水量監控需要由專業的人員操作，受人力資源因素的限制，專業技術人員匱乏，也是限制水量監控和調度的重要因素之一。與傳統監控方式不同，基于超聲波流量計的水量監控方式無須專業的人員操作，只要經過崗位培訓的人員，在特定的條件下都可以使用設備。崗位培訓的內容包括超聲波流量計的各項參數調整、使用場景和環境、被監測對象的限定條件等，只要符合這些條件策略得到的數據就具有較高的參考價值。從采購成本的角度分析，基于多普勒頻率差原理設計的超聲波流量計采購成本較低，且質量穩定耐用，只需按照設備保養的基本原則，定期更換電池等易損零部件，即可確保設備的穩定運行。

4 結語

隨著中國水資源跨區域調度工程的全面推進與展開，實施輸水渠水量監控，就成為水資源調度工作中的重點工作之一。當前，中國正在穩步推進長距離輸水渠道工程數字化建設系統建設工作，通過數字化、網絡化的監控，提升水資源調度系統運行的穩定性。在自動化監控模式下，水資源調度系統運行更加穩定，操作更為便捷，同時數據的采集處理也更加方便，網絡化、數字化進程對其他設備使用與開發也日趨完善。在水資源的綜合調度過程中，主要通過監控渠道內水位、流速、徑流量等指標，實現自動測報系統監測渠道水位，并完成流量數值精確計算和提取。在引入超聲波流量計以后，在水渠供水調度過程中大大降低了管理人員的勞動強度和人員成本，并逐步推進自動化的運行管理模式，進一步提高數據監控的可靠性。