馮瑞++馬尚賢

摘 要：本文簡要分析了現(xiàn)行幾種測流方法應(yīng)用時的局限性，就此提出了一種浮體式水面在線測流系統(tǒng)的設(shè)計方案，并簡要介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)備用途，闡述了浮體式水面在線測流系統(tǒng)的設(shè)計原理，指出了該系統(tǒng)實現(xiàn)后在實際應(yīng)用中應(yīng)注意考慮河床沖淤變化對測驗斷面面積的影響，分析了該系統(tǒng)實現(xiàn)后的優(yōu)缺點，以期能推進(jìn)水文測驗儀器的研究。

關(guān)鍵詞：浮體式 水面 在線 測流 夾角

中圖分類號：TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（b）-0238-02

流量測驗在水文測驗中占有重要地位，因此國內(nèi)外有眾多的測驗儀器被應(yīng)用于流量測驗。目前，國內(nèi)外常用的流量測驗方法主要有以下幾種，流速儀法、聲學(xué)多普勒流速剖面儀法（ADCP）以及電波流速儀法。流速儀法主要是用流速儀實測斷面上一系列測點流速，并施測斷面面積，推求斷面流量的一種方法。其測驗精度較高，測量成果較可靠，但在水流含沙量較大時轉(zhuǎn)軸加速、漂浮物多時易纏繞等問題難以解決；ADCP突破傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的傳感流速儀，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波被水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號，經(jīng)測定多普勒頻移而測算出流速。其具有能直接測出斷面的流速剖面、不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點，但在水流含沙量較大時，測量信號會有所衰減[1]；電波流速儀法是利用多普勒效應(yīng)，通過電磁波遇到河道水體表面時發(fā)生反射，在波源、觀察者、不同介質(zhì)之間發(fā)生相對運動而引起電磁波頻率改變來施測水面流速，測量過程不受含沙量、漂浮物影響，但在斷面流態(tài)平穩(wěn)，水面上波浪微弱時反射信號很弱，會導(dǎo)致儀器無法正常工作，且成本高昂[2]。上述流量測驗方法均需人工現(xiàn)場操作，在目前有相當(dāng)數(shù)量的水文站采用巡測方式取得水文資料的情況下，開發(fā)一種操作簡單、成本較低、具有實時遠(yuǎn)程在線測流功能的測流系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義和價值。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)包括浮體式水面流速儀、水面流速儀信號傳感器、角度傳感器、GPRS數(shù)據(jù)采集通訊終端、中心站計算機(jī)以及中心站數(shù)據(jù)接收處理及查詢顯示等軟件。流速儀是由固定長度的鋼絲繩牽引，然后懸掛在橫跨斷面左右岸的鋼絲繩上，如圖1所示。由此，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向會有一個夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測得。

2 系統(tǒng)設(shè)備用途

浮體式水面在線測流系統(tǒng)中浮體式水面流速儀用于測定水面流速，再結(jié)合斷面資料及系統(tǒng)系數(shù)來推求流量。用水面流速與斷面面積乘積求得的流量稱為虛流量。虛流量乘以系統(tǒng)系數(shù)可得到需要的實測流量。其中，系統(tǒng)系數(shù)可由浮體式水面在線測流系統(tǒng)測流與流速儀法測流進(jìn)行比測得到。角度傳感器用于測量不同水位時牽引鋼絲繩與水面水平方向的夾角，經(jīng)換算后可知斷面實時水位。GPRS數(shù)據(jù)采集通訊終端用于傳輸水面流速儀信號傳感器和角度傳感器收集的數(shù)據(jù)至中心站前置數(shù)據(jù)接收計算機(jī)。GPRS是一種基于CSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不僅提供點對點，而且提供廣域的無限IP連接，以分組的形式將數(shù)據(jù)傳送到用戶手中[3]。中心站計算機(jī)軟件主要有前置數(shù)據(jù)接收軟件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲軟件、實時數(shù)據(jù)查詢軟件。

3 系統(tǒng)主要功能

自動讀取水位；實時測量水面流速；實時計算斷面流量；顯示水位及流量報表和曲線；遠(yuǎn)程實時查詢斷面水情及流量數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用原理

在測流斷面布設(shè)多個底部安裝有滾水輪的浮體式水面流速儀，流速儀是由固定長度的鋼絲繩牽引，然后懸掛在橫跨斷面左右岸的鋼絲繩上。由此，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向會有一個夾角，夾角大小由安裝在兩者之間的角度傳感器測得。當(dāng)流速儀漂浮于水面，水流流過滾水輪時，水流直線運動能量產(chǎn)生滾水輪轉(zhuǎn)矩。此轉(zhuǎn)矩克服滾水輪的慣量、軸承等內(nèi)摩阻，以及水流與滾水輪之間相對運動引起的流體阻力等，使?jié)L水輪轉(zhuǎn)動[4]。從流體力學(xué)理論分析，上述各力作用下的運動機(jī)理十分復(fù)雜，而其綜合作用結(jié)果卻比較簡單，即在一定的速度范圍內(nèi)，流速儀滾水輪的轉(zhuǎn)速與水流速度呈簡單的近似線性關(guān)系。利用水槽實驗方法，可建立滾水輪轉(zhuǎn)速與水流速度之間的經(jīng)驗公式，公式（1）如下：

V=a+bn （1）

式中a為常數(shù)；b為滾水輪的水力螺距；n為滾水輪的轉(zhuǎn)率。

當(dāng)斷面水位發(fā)生變化時，牽引流速儀的鋼絲繩與水面水平方向的夾角也會發(fā)生變化。如圖1所示，依據(jù)夾角大小便可求得水深，公式（2）如下：

h=d-lsinα （2）

式中h為水深；d為橫跨斷面左右岸的鋼絲繩與河底之間的距離；l為牽引鋼絲繩長度；α為鋼絲繩與水面水平方向的夾角。

根據(jù)流速儀信號可求出部分平均虛流速，再利用水深求出部分面積，進(jìn)而可知部分虛流量。斷面虛流量的計算方法與浮標(biāo)法測流的計算方法基本相同，斷面虛流量乘以系統(tǒng)系數(shù)，即為斷面流量。在線測流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理，是將流速儀信號傳感器以及角度傳感器的采集數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送到中心站，中心站使用固定IP地址的計算機(jī)接受數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)儲程序解碼流速、角度等，同時進(jìn)行實時計算，經(jīng)解算的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，最終在查詢系統(tǒng)中以過程線和數(shù)據(jù)表格的方式加以體現(xiàn)，如流量和水位過程線、流速流量表格等。

5 系統(tǒng)應(yīng)用時應(yīng)注意的問題

該系統(tǒng)測流時，水道斷面面積正確與否，是影響流量精度的關(guān)鍵因素。尤其是河床沖淤變化顯著的測站，測驗的同時應(yīng)盡可能地實測斷面。但在特殊情況下，如果實測斷面有困難，可借用斷面計算流量，但應(yīng)注意此時借用斷面可能會帶來較大誤差，故必須注意加強(qiáng)分析。河床穩(wěn)定的測站，可借用最近的實測斷面資料。

6 系統(tǒng)的優(yōu)缺點

浮體式水面在線測流系統(tǒng)的優(yōu)勢是可測得連續(xù)時間內(nèi)的流量，穩(wěn)定性、可靠性、智能化程度高，操作簡單，測速范圍廣，自體保護(hù)性能強(qiáng)；其缺點一是浮體式流速儀由鋼絲繩上牽引，側(cè)風(fēng)較大時會影響其測驗精度。二是橫跨左右岸的鋼絲繩有一定弧度，風(fēng)力較大時會出現(xiàn)擺動，同樣影響其測驗精度。三是浮體式流速儀由鋼絲繩牽引，只能固定于某一斷面，移動性較差。

7 結(jié)語

浮體式水面在線測流系統(tǒng)實現(xiàn)后可用于無人值守情況下實時動態(tài)監(jiān)測水位流量變化過程，可提高儀器的可靠性和人員的安全性，降低測站的運行成本和人員的勞動強(qiáng)度，同時安裝維護(hù)方便，施工費用低，全自動穩(wěn)定可靠，為加快先進(jìn)水文儀器設(shè)備的開發(fā)積累有益經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡培青.幾種主要測流方法的簡述[J].數(shù)字化用戶， 2017，13（4）：107.

[2] 丁志良.電波流速儀的原理與應(yīng)用簡介[J].水利水文自動化，1991（2）：46-48.

[3] 馮建軍.ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法[J].港工技術(shù)， 2007（3）：53-55.

[4] 中華人民共和國水利部.河流流量測驗規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2015.endprint