胡琳君，周義仁

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

眾所周知，水是人類寶貴的資源, 合理開發(fā)和利用水資源是實現(xiàn)我國水資源可持續(xù)發(fā)展的重要措施?，F(xiàn)在我國的農(nóng)業(yè)、工業(yè)大部分采用明渠輸水，實行按量計費的方式，并且我國水資源的60%以上用于明渠灌溉、排洪或向工廠供水[1]。2012年國務院發(fā)布了《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，進一步明確了水資源開發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的主要目標； 2015年中央一號文件對農(nóng)業(yè)很多領(lǐng)域做出改革部署，包括推進農(nóng)業(yè)水價綜合改革；2013-2018年，實行了國家水資源監(jiān)控能力建設項目。因此，對量水設施的研究應該從測流精度、投資成本、便于操作等方面考慮。

傳統(tǒng)明渠測流有流速面積法、坡降-水力半徑-面積法、水工建筑物法、稀釋法等。流速面積法的關(guān)鍵技術(shù)問題是斷面平均流速測量誤差大，坡降-水力半徑-面積法只適用于均勻流，水工建筑物法需要提前修建特定建筑物，稀釋法采取現(xiàn)場取樣、人工讀數(shù)的方式，容易產(chǎn)生較大的誤差，耗時耗力。本文綜合分析了這些因素，研發(fā)了一種基于稀釋法的便攜式自動測流裝置。該測流裝置主要由YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)與單片機測控系統(tǒng)組成，使用時將YD-1H型鹽度計探頭調(diào)節(jié)至水面以下，通過單片機記錄水流的鹽度變化值，避免了現(xiàn)場取樣和人工讀數(shù)帶來的誤差，提高了測流精度，縮減了測流時間。

1 測流原理

稀釋法測流是采用鹽類、熒光染料和放射性同位素等示蹤劑，在具有一定紊動程度的明渠中，在一個控制斷面投入示蹤劑，與水充分混合后，在下游斷面用濃度傳感器測量水流濃度，然后換算成流量的方法。要求測流段無引入支流；有一定的混合長度，可以使示蹤劑溶液與水混合均勻；示蹤劑不能與水及水中物質(zhì)發(fā)生化學反應，不能與光發(fā)生光合作用。控制斷面注入示蹤劑有兩種方法：一次注入法和勻速注入法。本文實驗采用一次注入法，采用的示蹤劑是食鹽溶液。

明渠混合長度計算公式為：

(1)

式中：b為寬度；d為水深；C為謝才系數(shù)(15

一次注入法(積分法)流量推求公式為：

(2)

式中：Q為測驗明渠的流量；C0為取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度；C1為上游斷面處一次注入示蹤劑的濃度；C2為不同時間在取樣斷面處的示蹤劑濃度；V為上游斷面處一次注入示蹤劑濃度為C1的全部溶液體積；T為示蹤劑在取樣斷面由出現(xiàn)至消失的總歷時[2]。

明渠流量Q只是濃度C和時間T的函數(shù)，示蹤劑溶液投入后，在下游斷面用鹽度計測量各時段鹽度的變化值，通過總線RS232和上位機實現(xiàn)在線監(jiān)控，通過采用自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機處理實驗數(shù)據(jù)，并通過RS485通信接口，以無線傳輸?shù)姆绞?，傳輸?shù)娇刂浦行牡挠嬎銠C進行實時觀測。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)采用HT211ATC鹽度計折射儀(測量范圍0‰～100‰)和YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)測量水中鹽度值，兩種鹽度計感應的分別是光線的折射率和電導率，HT211ATC鹽度計折射儀測量示蹤劑溶液鹽度值，YD-1H型鹽度計測量實驗過程中水流持續(xù)變化的鹽度值。本文實驗裝置為基于稀釋法的自動測流裝置，其系統(tǒng)工作過程框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作過程框圖

實驗開始時，自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機發(fā)出指令，通過示蹤劑投放裝置上的電磁閥，控制示蹤劑溶液投放。下游檢測點感應到持續(xù)變化的16組鹽度值，把模擬量數(shù)據(jù)傳輸給多路開關(guān)電路(譯碼器)，然后由單片機發(fā)出指令，譯碼器執(zhí)行指令，分別把16組數(shù)據(jù) ，經(jīng)過放大器放大，傳輸給自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機進行處理，取簡單算數(shù)平均值。實驗測得流量Q(簡單算數(shù)平均值)可以直接傳給LED進行現(xiàn)場顯示[3]，也可以通過GPRS模塊，無線遠距離傳輸給控制中心，進行實時在線觀測和儲存。

系統(tǒng)主要由鹽度計橫板、示蹤劑投放裝置、多路開關(guān)電路、放大器、自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機、總線、遠程計算機組成。其中YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)采用的是16對電極及其電子單元，是核心部件。系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化測流的全過程。

2.2 基于稀釋法的自動測流裝置

基于稀釋法的自動測流裝置的結(jié)構(gòu)圖見圖2～圖4。圖2為示蹤劑投放裝置正視圖，圖3為示蹤劑投放裝置剖面圖，圖4為檢測點濃度計裝置的機械結(jié)構(gòu)圖。裝置由3部分組成：示蹤劑投放裝置、檢測點濃度計裝置和控制系統(tǒng)。示蹤劑投放裝置、控制系統(tǒng)和檢測點濃度計裝置通過總線RS485相互連接，控制系統(tǒng)是由多路開關(guān)電路、放大器、自帶A/D單片機、GPRS模塊及其顯示中心連接所述示蹤劑投放裝置與所述檢測點濃度計裝置構(gòu)成。示蹤劑投放裝置位于圖1中的投放斷面，由控制系統(tǒng)中的單片機控制示蹤劑投放；檢測點濃度計裝置位于下游檢測斷面，核心部件是YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)，用于測量水流鹽度值，并傳輸給控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)。示蹤劑投放裝置與檢測點濃度計裝置之間的水流長度為混合長度LM?；谙♂尫ǖ淖詣訙y流裝置是按下列步驟進行的：①將自動測流裝置置于渠道上方，將圖4中的濃度計橫板放于檢測斷面上方，橫板上均勻分布有n(其中n=16)個YD-1H型鹽度計，通過總線與單片機連接，調(diào)節(jié)n個鹽度計，使鹽度計探頭位于水面以下； ②將投放裝置橫板平行放在示蹤劑投放斷面，接通電源，點擊液晶顯示屏上的開始；③攪拌器開始自動運行5 min，攪拌水箱中的示蹤劑溶液，使靜置后的、具有一定濃度的示蹤劑溶液混合均勻；④5 min后，打開上電磁閥門，使混合均勻的示蹤劑溶液進入具有特定體積的量筒中，待溶液裝滿，關(guān)閉上電磁閥門，打開下電磁閥門；⑤量筒中溶液由管道一次投入，整個過程由自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機控制；⑥當檢測點感應到持續(xù)變化的n組濃度值，由總線RS485把模擬量數(shù)據(jù)傳輸給多路開關(guān)電路(譯碼器)，然后由單片機發(fā)出指令，譯碼器執(zhí)行指令，分別把n組數(shù)據(jù) ，經(jīng)過放大器放大，傳輸給自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機進行處理，取平均值；⑦放大器輸出的模擬信號，經(jīng)過自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機轉(zhuǎn)換后，可以直接傳給LED進行現(xiàn)場顯示，也可以通過GPRS模塊，無線遠距離傳輸給控制中心，進行實時在線觀測和儲存。

圖2 示蹤劑投放裝置的機械結(jié)構(gòu)圖(正視圖)

圖3 示蹤劑投放裝置的機械結(jié)構(gòu)圖(剖面圖)

圖4 檢測點濃度計裝置的機械結(jié)構(gòu)圖

3 試驗過程

3.1 實驗儀器

實驗儀器包括：HT211ATC鹽度計折射儀(測量范圍0‰～100‰)，YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)，500 mL量杯，卷尺，測水位千分尺，秒表，食鹽，電磁流量計，浮標。

3.2 實驗步驟

(1)選定待測物理量。b(寬度)，d(水深)，v(表面流速)，Q1(電磁流量計)，C1(上游斷面處一次注入示蹤劑的濃度)，V(注入示蹤劑濃度為C1的全部溶液體積)，t(時間)，C0(取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度)，C2(不同時間在取樣斷面處的示蹤劑濃度)。

(2)已知水力實驗大廳矩形明渠寬度b=0.5 m，用千分尺測得水位d=0.277 1 m，g取9.8 m/s2,謝才系數(shù)C取50(為保證最大混合長度)，計算混合長度LM為：

其中，本實驗選定混合長度為27 m。

(3)讀取電磁流量計流量為0.058 m3/s；用浮標法測得表面流速為0.432 m/s；選擇紊動程度較高的斷面為投放食鹽溶液斷面(記為A)，用卷尺向下游測量27 m，為取樣斷面處(記為B)；量杯裝500 mL水，加入適量食鹽，攪拌至食鹽全部溶解，用HT211ATC鹽度計折射儀(測量范圍0‰～100‰)測量量杯中食鹽溶液的濃度值為96.5 g/L，量杯中溶液體積為0.5 L；將YD-1H型鹽度計(測量范圍0‰～9.999‰)放入水中，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄C0(取樣斷面處水流中原有的示蹤劑濃度)值為0.502 g/L；與此同時，在A斷面一次注入500 mL食鹽溶液，注入瞬間開啟秒表，63 s后，YD-1H型鹽度計的讀數(shù)開始增大，每隔3s記錄一次讀數(shù)，直到讀數(shù)變?yōu)?.502 g/L時，停止記錄；至此，一次實驗結(jié)束。

(4)重復以上實驗6次。

3.3 注意事項

實驗所用示蹤劑不能與水以及水中的物質(zhì)發(fā)生反應，同時不能與光發(fā)生光合作用；食鹽溶液必須具有一定的混合長度，并且投放斷面A處應該保證一定的紊動程度，使得食鹽溶液充分混合均勻；所選儀器的測量范圍必須與實驗開始前估算的濃度范圍一致。

3.4 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了檢測該自動測流裝置的實用性，在太原理工大學水力實驗大廳的矩形明渠進行實驗，矩形明渠底寬為50 cm，將實驗測得流量與電磁流量計所測流量進行對比分析，一次實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 一次實驗數(shù)據(jù)(測得C0=0.502 g/L)

3×0.016+3×0.021+3×0.040+3×0.097+

3×0.041+3×0.024+3×0.013+3×0.011+

3×0.008+3×0.004=0.825

重復上述實驗，通過改變矩形明渠流量進行多次重復實驗，重復實驗數(shù)據(jù)見表2。

4 結(jié) 語

通過對矩形明渠中的實驗數(shù)據(jù)進行分析，基于稀釋法的自動測流裝置在矩形明渠中測流和電磁流量計測流的相對誤差控制在了4%以內(nèi)，進一步證明了基于稀釋法的自動測流裝置在矩形明渠中測流的可行性與準確性[4]。

傳統(tǒng)的測流方法如流速面積法[5]具有斷面平均流速難以測量的關(guān)鍵問題，稀釋法通過測量濃度，然后換算成流量，不需要對斷面平均流速進行測量，減少了不可避免發(fā)生的誤差(斷面平均流速無法精確測量)。但需要保證溶液混合均勻和所選示蹤劑不與水以及水中物質(zhì)發(fā)生反應，不與光發(fā)生光合作用，保證示蹤劑溶液具有一定的混合長度，與水流混合均勻。本文將稀釋法與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相結(jié)合，對單片機進行硬件和軟件設計，制作了一種基于稀釋法的自動測流裝置。由YD-1H型鹽度計測量水流的鹽度變化值，通過自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2單片機，換算成明渠流量值，由總線RS485和上位機通訊傳輸，實現(xiàn)在線監(jiān)控，還可以通過無線，傳給遠程計算機進行監(jiān)測和儲存。

基于稀釋法的自動測流裝置與傳統(tǒng)的測流裝置，如流速儀測流相比，減小了成本和誤差，提高了適用性。本文所述裝置實現(xiàn)了自動化測流過程，節(jié)省了人力、物力和測流時間，解決了應用稀釋法測流時，人工讀數(shù)容易產(chǎn)生較大誤差的問題。解決了斷面平均流速不能精確測量的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過濃度直接換算流量，極大地減小了測流誤差?；谙♂尫ǖ淖詣訙y流裝置能應用于多種斷面明渠中，對斷面形狀沒有要求，流量只是濃度和時間的函數(shù)。該裝置測流精度高，經(jīng)濟實惠，易攜帶，能應用于各種各樣的復雜環(huán)境，具有良好的應用前景和市場推廣前景。