劉 錕,孫 亮,劉培杰
(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院,天津 300456)
流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)驗(yàn)的重要工作內(nèi)容,也是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)工作,對(duì)其測(cè)量精度的探索研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。近年來,隨著科技的進(jìn)步和水利行業(yè)的快速發(fā)展,河流斷面流量測(cè)驗(yàn),尤其是水文纜道流量測(cè)驗(yàn)方式已逐漸由自動(dòng)化測(cè)流代替人工測(cè)流,市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種斷面流量自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)及設(shè)備[2-4]。
作為貫穿我國東西的兩大河流之一,長(zhǎng)江跨度較寬、江底地形復(fù)雜多變,因此在進(jìn)行斷面流速測(cè)量時(shí)會(huì)遇到諸多問題。如使用雷達(dá)波儀器測(cè)量,通常需要固定儀器的位置,雖然也可集成于纜道上用于復(fù)雜河道的流速測(cè)量[5],但也僅限測(cè)得表面流速流向,由于測(cè)線位置隨水面寬而變化,特別是當(dāng)水位變化大、河漫灘寬時(shí),測(cè)線位置更難確定、會(huì)給成果帶來較大的誤差[6]。因此,在長(zhǎng)江流域,根據(jù)現(xiàn)行GB50179-2015《河流流量測(cè)量規(guī)范》[7],利用探入式儀器進(jìn)行河流斷面流量測(cè)量依舊是主要的流量測(cè)量手段。目前,探入式斷面流量測(cè)量,均要求精確測(cè)出各個(gè)斷面垂線位置的水深,在特定水深位置進(jìn)行流速測(cè)量,從而得出垂線平均流速,可見精確計(jì)量垂線水深是河道斷面流量測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。然而,大多數(shù)探入式測(cè)量設(shè)備由于水流沖擊以及環(huán)境因素常常會(huì)導(dǎo)致水深測(cè)量精度偏低。纜道水深測(cè)量是影響纜道流量測(cè)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是水文纜道測(cè)量的難點(diǎn),主要原因是測(cè)量時(shí)主索垂度、鉛魚重量配置、漂浮物、流速等因素的影響。拉偏索纜道只能減小偏角,并不能消除因偏角影響帶來的水深誤差[8-9]。
本文結(jié)合自動(dòng)化測(cè)流技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)[2-4],通過深入研究實(shí)驗(yàn),提出一種河流斷面探入式精準(zhǔn)測(cè)流裝置,集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、線長(zhǎng)精確計(jì)量裝置、導(dǎo)向防擺裝置、偏角及傾角測(cè)量裝置、水深測(cè)量裝置及水文測(cè)量?jī)x器。該裝置集成化程度高,測(cè)量穩(wěn)定,可完整移接至各類纜道吊箱或測(cè)橋軌道測(cè)流裝置等自動(dòng)測(cè)量設(shè)備中,可大幅度提高垂線斷面測(cè)量精度,為精確流量測(cè)量提供可靠、有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
探入式自動(dòng)測(cè)流方式根據(jù)河面寬度可分為軌道式及纜道式兩種。
軌道式測(cè)量主要應(yīng)用于渠道斷面,尤其在河道淤積嚴(yán)重、斷面地形變化較大的黃河灌區(qū)應(yīng)用較多。軌道式測(cè)量即在河流斷面鋪設(shè)跨斷面自動(dòng)測(cè)量軌道,通過自動(dòng)測(cè)流設(shè)備在軌道上運(yùn)行到測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行垂線測(cè)量,最終得到斷面流量數(shù)據(jù),測(cè)流儀器正在向遙測(cè)、遙控、全自動(dòng)、智能化、存貯式、走航式方向發(fā)展[9-10]。
水文纜道是應(yīng)用于河流流量測(cè)量最為廣泛的技術(shù)裝備,該裝備通過跨河纜道將水文儀器設(shè)備或測(cè)驗(yàn)人員運(yùn)送到測(cè)驗(yàn)斷面的任一指定位置進(jìn)行測(cè)驗(yàn)作業(yè)[11-12]。
軌道式測(cè)流的優(yōu)勢(shì)在于可以利用現(xiàn)有測(cè)橋進(jìn)行依附式建設(shè),軌道相對(duì)平穩(wěn),測(cè)量結(jié)果受天氣因素影響較小[13],并且采用測(cè)流橋測(cè)流的施測(cè)人員的安全性相對(duì)較高[14-15]。纜道式自動(dòng)測(cè)流優(yōu)勢(shì)在于可以不受河寬的影響,橫跨大河流斷面進(jìn)行測(cè)流。
根據(jù)水文渠道量水規(guī)范對(duì)斷面測(cè)量的要求,無論纜道還是軌道探入式自動(dòng)測(cè)流,均為模擬人工測(cè)量方式,即通過測(cè)量設(shè)備在垂直于河道斷面的承重纜道或軌道上,運(yùn)行至指定斷面垂線位置,通過電機(jī)下放測(cè)量設(shè)備,采集水位信號(hào)、探底信號(hào),根據(jù)垂線相對(duì)水深h自動(dòng)計(jì)算得出測(cè)流位置(暢流期為0.2,0.6,0.8 h)并進(jìn)行測(cè)量[7,16],測(cè)量完成后回收儀器,再行至下一垂線點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,最終匯總垂線數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面流量計(jì)算。
其流量計(jì)算公式為
(1)
式中:Si為第i個(gè)分區(qū)的面積;Bi為第i條與第i-1條垂線間的水面寬度;Hm為斷面中垂線處的水深;Vi為第i個(gè)分區(qū)中垂線的等效平均流速[17]。Vi利用各類水文測(cè)流儀器測(cè)得,精度由水文儀器硬件性能確定,Bi可直接測(cè)量或提前人工標(biāo)定,因此,在探入式測(cè)量中,斷面流量Q的測(cè)量精度還受Hm影響。
根據(jù)式(1)可知,影響流量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)是水深H和垂線流速V。而流速測(cè)量的位置又完全由水深決定,因此垂線水深數(shù)據(jù)是最關(guān)鍵的測(cè)量數(shù)據(jù)之一。
自動(dòng)測(cè)量的測(cè)深原理是用懸索懸吊鉛魚,測(cè)定鉛魚自水面下放至河底時(shí),通過岸上的一些傳感裝置和計(jì)數(shù)表來測(cè)量懸索的入水長(zhǎng)度,且入水長(zhǎng)度即為實(shí)測(cè)水深[15]。而在現(xiàn)有的自動(dòng)測(cè)量設(shè)備中,放線長(zhǎng)度可由增量型編碼器通過導(dǎo)輪精確得出,而放線由于水流影響形成傾斜角導(dǎo)致放線長(zhǎng)度測(cè)量不精確,從而導(dǎo)致水深測(cè)量誤差較大。
針對(duì)線纜傾角問題,軌道式測(cè)量設(shè)備由于軌道鋪設(shè)基本保持平行,在測(cè)量中基本上只有平行于水流方向的傾角;而纜道式測(cè)量設(shè)備因承重主纜的大跨度導(dǎo)致的垂度,測(cè)量過程中不但有平行于水流方向的線纜傾角,還會(huì)因水流拉力導(dǎo)致測(cè)量設(shè)備傾斜,從而水深測(cè)量誤差會(huì)進(jìn)一步增大。因此水深測(cè)量偏差會(huì)嚴(yán)重影響流量測(cè)量精度,為了防止此類問題,纜道測(cè)流系統(tǒng)通常配有拉偏索,但只能減小誤差而不能消除誤差[11,18]。
在探入式測(cè)量方法中結(jié)合線長(zhǎng)精確測(cè)量、偏角和傾角修正的方式,提出了一種適用于多類型自動(dòng)測(cè)量設(shè)備的通用型裝置,結(jié)合采集處理技術(shù),可精確測(cè)量河流斷面水位、水深等參數(shù)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)垂線的渠底為標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面時(shí),還可通過水位、水深測(cè)量數(shù)據(jù)精確計(jì)算淤積深度和分層流速測(cè)量的目標(biāo)高度。
該裝置由驅(qū)動(dòng)裝置、線纜導(dǎo)向測(cè)量裝置、防擺架、偏傾角測(cè)量裝置、水文測(cè)流儀器和水深測(cè)量裝置組成,可簡(jiǎn)易結(jié)合纜道自動(dòng)測(cè)流吊箱或軌道式自動(dòng)測(cè)流裝置安裝在測(cè)流設(shè)備中。如圖1所示,驅(qū)動(dòng)裝置中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)纏線卷軸運(yùn)動(dòng),可進(jìn)行探入式儀器的下放及回收,線纜導(dǎo)向測(cè)量裝置通過轉(zhuǎn)動(dòng)精確計(jì)量實(shí)時(shí)放線長(zhǎng)度。線纜穿過線纜防擺架連接水文測(cè)流儀器和水深測(cè)量裝置。在防擺架上,安置的偏傾角測(cè)量裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線纜偏轉(zhuǎn)角度和整體裝置的傾斜角度。
圖1 探入式測(cè)流裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Device structure
通過以上所述結(jié)構(gòu),在河流斷面垂線自動(dòng)測(cè)量過程中,所輸出的信號(hào)可精準(zhǔn)計(jì)算得出垂線水深,從而大幅度提高垂線斷面參數(shù)測(cè)量的精度。
驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接軸、卷線盤和電刷滑環(huán)等組成,驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)及渦輪蝸桿減速機(jī)方式,采用PWM驅(qū)動(dòng)器控制,精確控制線纜收放,儀器停放水中測(cè)量,渦輪蝸桿減速機(jī)可保證停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定停放測(cè)量位置進(jìn)行測(cè)流工作不打滑。上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of drive part
通信線纜采用4 mm鎧裝線纜,在保證受水阻最小的情況下,提供可靠拉力(800 kg),中心信號(hào)線與電刷滑環(huán)連接輸出測(cè)量信號(hào)。
信號(hào)線纜穿過導(dǎo)向定滑輪,向下輸出;定滑輪帶動(dòng)定滑輪固定導(dǎo)輪,通過軟連接器連接角度傳感器,可精確測(cè)量放線長(zhǎng)度,并提供線長(zhǎng)測(cè)量接口;滑輪支架另一側(cè)的行程限位器在收至初始位置時(shí),確定上行定位;如圖3所示。
圖3 線長(zhǎng)測(cè)量結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of length measurement part
放線長(zhǎng)度通過角度編碼器換算進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量計(jì)算。放線長(zhǎng)度計(jì)算公式為
(2)
式中:Lf為實(shí)時(shí)放線距離;N為轉(zhuǎn)數(shù);θ0為初始暫存角度;θ1為實(shí)時(shí)角度;d為定向滑輪直徑。下放時(shí),每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,N自加1,回收時(shí),每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,自減1。
線纜穿過防擺架上的線纜輸出孔后,連接流速測(cè)量?jī)x器和水深測(cè)量裝置。防擺架兩側(cè)立柱上安置的防擺架滑塊確保防擺結(jié)構(gòu)可穩(wěn)定自由上下運(yùn)動(dòng),進(jìn)入防擺架線纜輸出孔后,鎧裝線纜被“井”形滾軸固定,使防擺架上方線纜實(shí)時(shí)處于與裝置相對(duì)垂直狀態(tài),并向下連接偏角測(cè)量傳感器。
防擺架在兩側(cè)立柱上方可安置合頁與頂部支撐架相連,適用于纜道式測(cè)流裝置,可使防擺架及線纜與水面實(shí)時(shí)保持垂直方向,消除纜道由于垂度導(dǎo)致的裝置前后傾斜偏量。
在防擺架中部安裝傾角傳感器及偏角傳感器,偏角傳感器可測(cè)量線纜與測(cè)流裝置垂直中線的夾角Δθ,傾角傳感器x軸偏量可測(cè)量出測(cè)流裝置與水平面間的傾角變化量Δη,如圖4所示。
圖4 防擺架及偏傾角測(cè)量裝置Fig.4 Structure of deflection angle measuring device
水深測(cè)量裝置安裝于測(cè)流裝置最下方,金屬鋁外殼為柱形結(jié)構(gòu),可防銹、整體結(jié)構(gòu)重于水密度、水阻小并且可以減小對(duì)水底地形的破壞,內(nèi)部采用浮子式行程開關(guān)信號(hào)在接觸河底時(shí)提供觸底信號(hào)。金屬鋁外殼上探針式測(cè)量點(diǎn)向外輸出,接觸水面時(shí)反饋觸水信號(hào),如圖5所示。
圖5 水深測(cè)量裝置Fig.5 Structure of water depth measuring device
結(jié)合本文所述探入式測(cè)流裝置及水文測(cè)量規(guī)范[4,11],自動(dòng)測(cè)流方法設(shè)計(jì)如下。
(1) 在自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)運(yùn)行至垂線測(cè)量點(diǎn)后,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行下放儀器,通過線纜導(dǎo)向測(cè)量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控放線長(zhǎng)度,在防擺架未運(yùn)行至底部前,線纜實(shí)時(shí)保持與車體垂直,防擺架下放完畢后,記錄初始線纜偏角,實(shí)時(shí)線纜偏角;實(shí)時(shí)計(jì)算放線垂直距離計(jì)算公式為
Lr=LfcosΔθ=Lfcos(θ1-θ0)
(3)
(2) 放線過程中,未接觸水面時(shí),傾角傳感器記錄實(shí)時(shí)采集的傾斜角度η0。
(3) 下放儀器置水面時(shí),水面測(cè)量接觸點(diǎn)提供水位信號(hào),記錄水面垂直放線距離La=Lr,收到水面信號(hào)時(shí),記錄傾斜初始角度β0,入水后實(shí)時(shí)計(jì)算放線垂直距離Lr,計(jì)算公式為
Lr=Lfcos(Δθ+Δη)
(4)
Lr=Lfcos(θ1-θ0+η1-η0)
(5)
(4) 下放儀器到渠道底部,浮子式觸底行程開關(guān)提供觸底信號(hào),記錄水面垂直放線距離Lb=Lr,從而實(shí)際測(cè)得水深:
Lm=Lb-La
(6)
式中:m為第m條垂線。
(5) 利用水深測(cè)算測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)Lc,Lc不唯一(0.6Lm,0.2Lm,0.8Lm等),可根據(jù)水文規(guī)約或當(dāng)?shù)貙?shí)際水文情況確定多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速測(cè)量,得出第m條垂線平均流速:
(7)
式中:n為垂線m測(cè)流點(diǎn)個(gè)數(shù)。
(6) 信號(hào)線纜向上帶動(dòng)流速測(cè)量設(shè)備至測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行垂線單點(diǎn)測(cè)流,數(shù)據(jù)通過鎧裝信號(hào)線纜中心信號(hào)線向上傳輸至接收控制終端。
(7) 垂線測(cè)量完成后,回收儀器至水面上目標(biāo)值,垂線測(cè)量完成。
(8) 運(yùn)行至下一垂線進(jìn)行測(cè)量。
(9) 河道斷面共計(jì)n條垂線,斷面流量的計(jì)算公式為
(8)
式中:S(L1)為第一條垂線前河道面積,L1為第1點(diǎn)水深;S(Ln)為第n條垂線后河道面積,Ln為第n點(diǎn)后實(shí)際水深;α為第1垂線前的流速系數(shù);β為第n條垂線后流速系數(shù);S(x)函數(shù)由于標(biāo)準(zhǔn)斷面和自然河道采用的面積算法并不相同,但均為常數(shù)或由邊坡系數(shù)和水深所確定[11],在本文中不再贅述;測(cè)量方法流程如圖6所示。
圖6 測(cè)量方法流程Fig.6 Flow of measurement method
在明渠斷面流量測(cè)量中,測(cè)量數(shù)據(jù)主要由流速、水深兩個(gè)主要參數(shù)確定,而該裝置主要作用為精確測(cè)量垂線水深。因此,裝置研發(fā)完成后分別在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析。
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,利用天津水運(yùn)工程檢測(cè)計(jì)量站的標(biāo)準(zhǔn)水槽,最大可標(biāo)定2.00 m/s流速下的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)際水深可達(dá)2.00 m以上,數(shù)據(jù)分析主要以標(biāo)準(zhǔn)流速下的水深測(cè)量數(shù)據(jù)分析為主,每個(gè)水深及流速下,測(cè)量5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)量結(jié)果如表1所列。
根據(jù)表1數(shù)據(jù),最大偏差發(fā)生在2.00 m水深、1.5 m/s及2.0 m/s流速下,水深的最大相對(duì)誤差發(fā)生在2.00 m水深的1.5 m/s流速下的測(cè)量中,最大相對(duì)誤差為0.73%;5次測(cè)量平均水深的相對(duì)誤差發(fā)生在2.00 m水深、2.0 m/s流速的測(cè)量中,相對(duì)誤差為0.44%,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測(cè)量數(shù)據(jù),水深測(cè)量相對(duì)誤差均小于1%。
表1 實(shí)驗(yàn)室裝置測(cè)深Tab.1 Measurements of bathymetric data in the laboratory
在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中,有淤積的渠道斷面無法和真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比。因此,軌道式斷面測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量環(huán)境選擇在山東濱州小開河灌區(qū)的無沉積的規(guī)則矩形渡槽上搭設(shè)軌道進(jìn)行軌道式測(cè)深實(shí)驗(yàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)包括人工水尺讀取水位高度,即水深、測(cè)流裝置垂線測(cè)深及人工測(cè)算流量和自動(dòng)測(cè)量流量數(shù)據(jù)比對(duì),流速儀均采用南水LS20B型旋槳流速儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所列。
表2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境裝置測(cè)深Tab.2 Measurement of bathymetric data in practical application by field device
人工讀取水位高度即認(rèn)定為平均水深,設(shè)備選取5條斷面垂線進(jìn)行測(cè)量,對(duì)比測(cè)量結(jié)果如表2所列。根據(jù)表2數(shù)據(jù),5次測(cè)量中,水深最大的相對(duì)誤差分別為0.83%,1.46%,0.98%,0.90%,0.87%。測(cè)量數(shù)據(jù)表明:水深相對(duì)誤差不超過1.50%,均值誤差小于1.00%。
由于自然河流斷面較寬,大多采用纜道式測(cè)量方式,該裝置的測(cè)量環(huán)境選擇河北邢臺(tái)艾辛莊水文觀測(cè)站。通過系統(tǒng)改造,測(cè)量裝置由絞車直接拉動(dòng)的流速測(cè)量設(shè)備改為拉動(dòng)吊箱式流速測(cè)量裝置,吊箱中安放本文設(shè)計(jì)的裝置來測(cè)量水深和垂線流速,吊箱內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)采用電池供電,自動(dòng)放線測(cè)量水深及流速。
測(cè)量對(duì)比方法為,在同一時(shí)間段內(nèi),通過斷面水尺讀取水位高度,先利用原始纜道測(cè)量設(shè)備測(cè)量斷面水深數(shù)據(jù),再利用吊箱設(shè)備進(jìn)行垂線點(diǎn)多次水深復(fù)測(cè),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì),測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所列。
表3 吊箱裝置測(cè)深Tab.3 Measurement of bathymetric data in practical application by hanging box devices
在表3中,水尺讀數(shù)為4.23 m。在自然河道斷面選取6條垂線進(jìn)行原始纜道與本文所述裝置進(jìn)行水深測(cè)量比對(duì)。最大水深測(cè)量偏差發(fā)生在原始纜道測(cè)深3.65 m(垂線4)的位置,吊箱裝置在該點(diǎn)5次平均測(cè)深為3.418 8 m。最大測(cè)量偏差0.246 m,均值偏差0.231 2 m。吊箱裝置測(cè)深均小于原始纜道測(cè)深,流速越大,偏差越大。原因是原始纜道以放線距離計(jì)算垂線水深,未曾增加流速導(dǎo)致的纜繩拉偏修正,所以水深偏大。由此推論,使用該裝置,可使纜道測(cè)量斷面垂線水深更加精確。
(1) 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,最大2.00 m水深、最大2.0 m/s流速的情況下,水深測(cè)量相對(duì)誤差均小于1%。
(2) 通過現(xiàn)場(chǎng)明渠斷面對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn),測(cè)流裝置設(shè)計(jì)可行,1.5 m水深內(nèi),水深測(cè)量最大相對(duì)誤差小于1.5%。
(3) 通過在自然河道斷面與傳統(tǒng)纜道進(jìn)行水深測(cè)量比對(duì)實(shí)驗(yàn)分析,運(yùn)用該裝置在纜道測(cè)流中可有效減小纜繩偏角導(dǎo)致的水深測(cè)量偏差。
(4) 通過河流斷面探入式精準(zhǔn)測(cè)流裝置在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)比測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用,證明該裝置可較大幅度提高渠道斷面自動(dòng)測(cè)流的測(cè)量精度,整體設(shè)計(jì)解決了長(zhǎng)度測(cè)量、傾角測(cè)量、偏角測(cè)量、水深測(cè)量等關(guān)鍵性問題,使自然斷面或明渠渠道自動(dòng)測(cè)流功能更加完善。該裝置可提供多種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),適用性強(qiáng),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)流設(shè)備,可進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改設(shè)計(jì)便可投入使用,具備較強(qiáng)的推廣價(jià)值。