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        固定式H—ADCP水流量監(jiān)測算法研究

        2017-05-18 23:29:22趙倩
        科技資訊 2017年9期

        趙倩

        摘 要:文章采用固定式H-ADCP實測數(shù)據(jù)計算流量,建立平均流速與指標流速的數(shù)學模型,通過指標流速法和數(shù)值法計算水流量與固定式H-ADCP實測水流量的相對誤差,指標流速法和數(shù)值法計算驗證了固定式H-ADCP水流量監(jiān)測算法的有效性,具有較好的應用前景。

        關鍵詞:H-ADCP水流量監(jiān)測 固定式CM型 計算水流量

        中圖分類號:S274.4 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2017)03(c)-0115-02

        隨著科學興建大量水利工程,為了獲得水流量變化過程,越來越迫切地要求高精度水流量監(jiān)測,勢必要增加測次,加大工作量及經濟成本。傳統(tǒng)水流量監(jiān)測方法僅適用于小流量環(huán)境,水流量水設備精度較低,亟需水流量監(jiān)測以解決受工程影響的水流量監(jiān)測問題[1]。目前,水流量在線監(jiān)測主要有流速面積法及水力學法。水力學法又分為水工建筑物測流法和量水建筑物測流法;流速面積法又分為剖面流速測量和表面流速測量。采用H-ADCP進行水流量監(jiān)測是現(xiàn)在常用的方法,固定式CM型(Channel Master)H-ADCP新型聲學多普勒水流量監(jiān)測儀器,流速量程可達±20 m/s,具有128個可選單元。三個型號(CM300、CM600和CM1200)系統(tǒng)頻率分別為300 kHz、600 kHz和1 200 kHz,H-ADCP通常長期固定安裝在某一站位,水流量監(jiān)測站可以是無人值守,水流量數(shù)據(jù)通過數(shù)字傳輸系統(tǒng)傳到任何地點。有兩種完全不同的流量計算方法,即是指標流速法和數(shù)值法,其中數(shù)值法本質上是流速-面積法,指標流速法本質是率定。指標流速法缺點是需要率定,優(yōu)點是不需要H-ADCP剖面范圍覆蓋整個過水斷面;數(shù)值法缺點要求H-ADCP剖面范圍覆蓋整個過水斷面,最大優(yōu)點是不需要率定[2]。

        因此,針對幾十米及以下寬的明渠,明渠寬小于H-ADCP剖面范圍,兩種流量計算方法都可以采用。大江大河寬度大于H-ADCP剖面范圍,只能采用指標流速法。

        1 計算實測數(shù)據(jù)流量

        1.1 實測數(shù)據(jù)概況

        試驗采用600 kHzCM型固定式H-ADCP從橋中段固定放入河流,H-ADCP設定參數(shù)為采樣間隔37.4 s,平均時間步長37.4 s,盲區(qū)0.5 m,單元數(shù)20,單元長度0.5 m。H-ADCP自13:00~14:00采樣,歷時1 h,共獲得361組流速、水位等數(shù)據(jù),H-ADCP水流量測驗現(xiàn)場如圖1所示。

        現(xiàn)場實測固定式H-ADCP實測水位和固定式H-ADCP實測流速分布和水位數(shù)據(jù)如表1所示,采用其數(shù)據(jù)指標流速法和數(shù)值法計算流量[3]。

        1.2 數(shù)值法

        利用明渠流速分布定律和H-ADCP實測流速數(shù)據(jù)推算過水斷面上各個點的流速,然后對整個過水斷面流速分布進行積分算出流量[4]。設為垂直于過水斷而的流速分量,流量計算公式為

        公式(2)中,為渠底高程,流速分布系數(shù)為α(y)。經驗常數(shù)為β,β=1/6,與河床慥率、河流流態(tài)有關。Zb和α(y)均為y的函數(shù),α(y)可由H-ADCP實測單元流速分量求得。

        該文實驗采用單元流速來推算過水斷面上各個點的流速。啟動數(shù)值算法模塊然后回放試驗得到的H-ADCP流速和水位數(shù)據(jù)算出水流量。

        1.3 指標流速法

        指標流速建立數(shù)學模型表示,即指標流速與數(shù)據(jù)斷面平均流速之間的相關關系,類似于代表點法或代表線法,其本質是率定法,指標流速法基本原理是利用實測流量,提出河流或明渠過水斷面上某處的局部流速[5]。該文實驗得到9組實測斷面平均流速與指標流速數(shù)據(jù)。利用指標流速法針對數(shù)據(jù)進行回歸分析,水面平均流速與指標流速的數(shù)學模型如下。

        (3)

        將數(shù)學模型公式(3)率定系數(shù)為0.863 5,水流斷面數(shù)據(jù)輸入H-ADCP啟動指標流速法模塊,然后回放實驗得到的H-ADCP流速和水位數(shù)據(jù),通過指標流速法計算出水流量。

        2 實驗結果比較分析

        通過表1可以看到,H-ADCP實測水位變化范圍為0.385~0.455 m,H-ADCP實測指標流速變化范圍為0.027~0.199 m/s。相對誤差計算對于小流量或小流速是沒有意義,不采用數(shù)值法的計算精度,利用流速相對誤差來評價指標流速法。分別采用數(shù)值法和指標流速法和計算相應的歷時水流量,累計歷時90 min的水流量,實測水流量、計算水流量及其相對誤差如表2所示。

        由表2可以看到,指標流速法計算的水量相對誤差較小的原因是其數(shù)學模型,H-ADCP指標流速法和H-ADCP數(shù)值法相對誤差分別為-0.12%和1.62%,該文達到1.62%相對精度具有實用價值。

        3 結語

        固定式H-ADCP水流量可很好地服務于最嚴格水資源管理,采用指標流速法、數(shù)值積分法實時計算流量,針對累計水流量測驗精度是比瞬時流量測驗精度更重要的參數(shù),設置了H-ADCP參數(shù)、水位獲取參數(shù)和流量計算模塊等,流速采集數(shù)據(jù)的實時獲取,數(shù)值積分法流量的自動計算,實現(xiàn)了H-ADCP數(shù)據(jù)無線遠程傳輸,具有較好的可擴展性,更有意義。

        參考文獻

        [1] 黃河寧.寬帶聲學多普勒技術用于灌區(qū)量水試驗研究—固定式H-ADCP在線流量監(jiān)測及其流量計算[J].中國農村水利水電,2007(11):50.

        [2] 周波,張國學,李雨.通用比降面積法流量測驗系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)[C]//水利量測技術論文選集(第九集).鄭州:黃河水利出版社,2014.

        [3] 李遠青.H-ADCP在珠江三角洲思賢滘測流中的應用[J].佛山科學技術學院學報:自然科學版,2005,23(3):18-20.

        [4] 李云中,胡焰鵬,葉德旭.H-ADCP自動流量監(jiān)測系統(tǒng)在長江三峽河段的應用[C]//全國水文學術討論會,2004.

        [5] WANG Fajun,HUANG He`ning.Horizontal acoustic Doppler current[C]// Water Engineering for the Future, Choices and Challenges.2005.

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