郭天德，焦小成，李文新，程焱釗

（1.甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，蘭州730000；2.甘肅大河科技有限公司，蘭州730000）

0 引 言

對(duì)量水技術(shù)和設(shè)備的研究最早始于19 世紀(jì)20年代，經(jīng)過Parshall等人的努力，量水堰和量水槽在灌區(qū)量水中得到了初步應(yīng)用。20 世紀(jì)50年代以后，由于量水要求日趨迫切，對(duì)量水技術(shù)和設(shè)備的研究有了更多進(jìn)展，與早期灌區(qū)所用較為單調(diào)的量水設(shè)備相比，現(xiàn)在的量水設(shè)備無論在種類上和規(guī)模上都得到了很大發(fā)展。1987年國際灌排委員會(huì)把“水量量測與調(diào)節(jié)”這一課題納入其工作計(jì)劃之中，其后由于單板機(jī)及計(jì)算機(jī)的普及和推廣，一大批用于灌區(qū)自動(dòng)化量水的觀測儀表相繼問世。以美國為例，人飲和灌溉管理技術(shù)是一種以自動(dòng)化控制和計(jì)量為主要內(nèi)容的綜合性多學(xué)科的管理手段。自20 世紀(jì)80年代以來，美國一直致力于自動(dòng)化控制在人飲供水、灌溉管理技術(shù)中的研究與應(yīng)用，用水?dāng)?shù)據(jù)如瞬時(shí)流量、累積流量、水壓、水質(zhì)等可以在控制中心運(yùn)用大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄和報(bào)表分析，形成了強(qiáng)大的自動(dòng)控制和計(jì)量系統(tǒng)。

我國灌區(qū)從20 世紀(jì)50年代即已開始采用量水方法做流量和水量測驗(yàn)，經(jīng)過四、五十年的發(fā)展，在灌區(qū)水量計(jì)量方面形成了比較成熟的技術(shù)。目前，灌區(qū)渠系水量計(jì)量方法可以歸納為4 類：①利用水工建筑物量水，即通過量測水工建筑物進(jìn)、出水側(cè)的水位差和建筑物流量系數(shù)，計(jì)算通過的流量和累計(jì)水量；②利用流速儀量水，通過量測標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面水位和特征點(diǎn)的流速，推求過水?dāng)嗝嫫骄魉?，?jì)算渠道過水流量及累積水量；③特設(shè)量水設(shè)備量水，一般包括量水堰和量水槽，也包括分流式量水計(jì)和CST 型渠道系統(tǒng)水表等；④新型量水設(shè)備，如轉(zhuǎn)輪式量水計(jì)、矩形箱涵量水計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等［1］。

本文在介紹基于斷面平均流速法的超聲波多層測流技術(shù)原理、硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)超聲波多層測流技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，通過引洮供水工程智能水量計(jì)控系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，介紹了該項(xiàng)技術(shù)在明渠流量測定應(yīng)用情況，以期為超聲波多層測流技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些有益的參考，為引洮供水工程智能水量計(jì)控成果積累經(jīng)驗(yàn)。

1 一體化超聲波多層測流設(shè)備

1.1 原理結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，一體化超聲波多層測流設(shè)備的過流斷面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形，利用超聲波時(shí)差法原理，通過多層分布的超聲波換能器來時(shí)間測量明渠中不同水層的流速，結(jié)合超聲波液位測量，利用“速度-面積積分法”計(jì)算，得到精準(zhǔn)的斷面流量［2］。

圖1 多聲道時(shí)差法明渠測流原理結(jié)構(gòu)Fig.1 Principle structure of multi-channel time difference method for open channel flow measurement

1.1.1 矩形渠道流速分布規(guī)律

由于設(shè)備整體采用304 不銹鋼材質(zhì)，可以認(rèn)為是一段光滑邊界的矩形渠道。根據(jù)胡春宏［2］等人的研究，對(duì)于矩形明渠，整個(gè)斷面最大流速必然在中垂線上，隨著靠近渠底和邊壁，流速逐漸減小。當(dāng)寬深比（B/H）>10 時(shí)，最大流速發(fā)生在水面，隨著寬深比減小，最大流速位置下移，但其位置總是高于0.5 倍的水深。以上表述可以用圖2來直觀表達(dá)。

圖2 矩形明渠不同寬深比時(shí)流速分布Fig.2 Velocity distribution of rectangular open channel with different width depth ratio

根據(jù)超聲波時(shí)差法的測流原理，實(shí)際測量到的并非某一點(diǎn)的流速，而是超聲波所過路徑的水流平均流速。在測流設(shè)備所覆蓋的距離內(nèi)，某一平面沿水流方向的流速可以近似認(rèn)為是固定的，所以超聲波所測得的流速可以代表斷面測量水平方向的平均流速。

1.1.2 水層平均流速在垂直方向的分布

為研究不同水位下矩形渠斷面各水層平均流速的分布，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)水槽進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)記錄。水槽為金屬材質(zhì)，寬0.8 m，高1 m，長20 m，坡降比為1 000∶1。實(shí)驗(yàn)水源由變頻水泵提供。

通過調(diào)節(jié)供水變頻泵流量，將渠道水位分別控制在0.1、0.35、0.6 m附近，進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中水位由超聲波液位計(jì)測量，水層平均流速由外夾式超聲波流速儀測量，水流表面流速由雷達(dá)流速儀測量。每組實(shí)驗(yàn)中，分別取相對(duì)水深（y/h）為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0（表面）處進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，繪制曲線如圖3所示。

可見，在接近底部的黏性層，流速減緩的趨勢(shì)較為明顯。在實(shí)際渠道中，靠近底部的水流中又常常伴有石子、泥沙等雜質(zhì)，其測量難度大，數(shù)據(jù)可靠性低。所以在實(shí)際計(jì)算時(shí)，將黏性層的測量忽略，只進(jìn)行理論值上的率定。在0.1～0.6 m的常用水流測量范圍內(nèi)，曲線的線性較平穩(wěn)，合理分配超聲波探頭的間距即可得到有效的測值進(jìn)行流量積算。

1.2 流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

矩形明渠某一層流的測量結(jié)構(gòu)簡化圖如圖4 所示，渠寬為D，超聲波路徑長度為L，順流傳播時(shí)間為Tu，逆流傳播時(shí)間為Td，超聲波路徑與渠道軸線夾角為θ。

根據(jù)超聲波時(shí)差法測量原理［3］，液體流速v可以表示為：

表1 平均流速實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental test data of average velocity

式中：C0為超聲波在靜止水中的傳播速度，Δt=Tu-Td?？芍渲?，T=(Tu+Td)/2。

將式（2）代入式（1），可得：

通過測量某一層水流線上超聲波傳播的Tu與Td，由式（3）可計(jì)算出該水流線的平均流速，再用積分方法進(jìn)行流量計(jì)算［5］。如圖5 所示，過水?dāng)嗝媸蔷匦?，設(shè)底邊寬度為W，實(shí)際液位高度為H，根據(jù)水力學(xué)流量計(jì)算原理，采用面積流速分層積分可計(jì)得出實(shí)際流量Q：

圖5 流量積算示意圖Fig.5 Flow accumulation diagram

由圖3 可知，v(h)無法用確定的函數(shù)表述，式（4）的積分有困難。所以用積分近似計(jì)算公式，將式（4）轉(zhuǎn)化為：

式中：hi表示積分節(jié)點(diǎn)；v(hi)是對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)所在聲道水流的平均流速；Pi是對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)。

在實(shí)際測量中，需要對(duì)聲道分布位置進(jìn)行求解，將聲道分布位置代入積分公式中的節(jié)點(diǎn)式（5）才能作為式（4）的近似計(jì)算公式。由式（3）可知：

所以，矩形過流斷面超聲波多層測流的流量計(jì)算公式為：

針對(duì)一段固定渠道，H、W、D為固化值，ti、Ti由超聲波測量系統(tǒng)實(shí)際測得。超聲波路徑與渠道軸線夾角θ，測流層分布位置和對(duì)應(yīng)的加權(quán)積分系數(shù)需要進(jìn)一步求解，以得到最佳的測量精度。

1.3 超聲波換能器布局

1.3.1 超聲波換能器在水平方向的分布

理論上，在超聲波的有效測距內(nèi)，L越長，則T與Δt的值越大，對(duì)于計(jì)時(shí)芯片測得的時(shí)間越精確，最終測得的流速也更精確，相對(duì)應(yīng)的θ角度則越小，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮以下因素：

（1）受設(shè)備尺寸和成本限制，兩個(gè)傳感器的水平間距不可能過大，θ越大越有利于縮減設(shè)備尺寸。

（2）對(duì)于芯片的計(jì)算，公式越簡化，越有利于進(jìn)行高頻率的計(jì)算。

綜合以上因素，當(dāng)選擇θ= 45°時(shí)，sinθ= cosθ，式（3）可以簡化為：

目前所使用的主流計(jì)時(shí)芯片精度已達(dá)皮秒級(jí)，而隨著第二代全數(shù)字TDC 電路的普及，超聲波的計(jì)量精度已經(jīng)非常高。θ角度在一定范圍內(nèi)減小以增加的L長度帶來的收益已經(jīng)很小了。所以將θ角度定為45°已是一個(gè)非常優(yōu)化的方案。實(shí)際布局中，為避免相鄰超聲波聲道之間的干擾，會(huì)采用相互交叉的布局，如圖6（a）所示，L1和L2表示相鄰的兩路超聲波路徑。

圖6 換能器的分布Fig.6 Transducer distribution

1.3.2 超聲波換能器在垂直方向的數(shù)量和分布

由式（7）可知，測量的聲道數(shù)越多，計(jì)算出的流量越接近于真實(shí)值。參考圖3 中不同液位下的流速分布曲線，計(jì)算流量相對(duì)實(shí)際流量的誤差與聲道數(shù)關(guān)系曲線呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)聲道數(shù)≤4 時(shí)，相對(duì)誤差隨聲道數(shù)增加顯著減少；當(dāng)聲道數(shù)≥5 時(shí)，相對(duì)誤差隨聲道數(shù)增加減少變緩。

引洮工程中，所測流渠道的實(shí)際液位多數(shù)在0.1～0.6 m 之間。測流層可以根據(jù)以下原則進(jìn)行布設(shè)：

（1）0.1 m以下只設(shè)一組測流層，作為參考計(jì)算。

（2）0.1～0.4 m 為主要水位變化區(qū)間，作為主要測流區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)測流層分布應(yīng)較為密集。

（3）0.4 m 以上測流層分布可相對(duì)稀疏，具體數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測流水位最大值決定。

綜合考慮硬件成本、測流精度、以0.8 m 寬矩形明渠為例，測流層的分布如圖5（b）所示。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)水位的變化范圍，最大液位等因素確定測流層分布。

1.4 軟件計(jì)算

根據(jù)測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，軟件使用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)軟件工作拆分成多個(gè)任務(wù)，包括水位采集、流速采集任務(wù)、流量積算任務(wù)、顯示任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)、通訊任務(wù)等。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

1.4.1 時(shí)差測算

無論是流速還是水位的測量，核心在于超聲波發(fā)送與接收時(shí)間差的測算。程序中主要是通過定時(shí)器的計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)超聲波發(fā)送時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)，得到回波信號(hào)后停止計(jì)數(shù)。計(jì)時(shí)器的時(shí)間固定為1 微秒，則該計(jì)數(shù)累加值就是回波的時(shí)差（單位：μs）。再根據(jù)時(shí)差法測量的原理，即可計(jì)算得出流速與水位數(shù)據(jù)［4］。

1.4.2 溫度補(bǔ)償

水位的測量主要依據(jù)空氣中的聲速作為主要參數(shù)，而空氣中聲速受環(huán)境溫度的影響較大，直接影響測量結(jié)果。所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算。

已知在0 ℃下的聲速為331.45 m/s，環(huán)境溫度為t，則該溫度下的聲速C可由下面公式得出：

1.4.3 流量積算

根據(jù)式（7）可知，軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行兩種計(jì)算。一是通過測量超聲波上下游時(shí)差Δt，計(jì)算出對(duì)應(yīng)聲道所在流層的平均流速；二是對(duì)各層流速和面積進(jìn)行積算，最終得出整個(gè)斷面的流量Q。由式（7）和式（8）可得

按照超聲波換能器的分布，不同流層的流速可表征該取樣平面附近的面積的流速。Pi實(shí)際反映的是該流層的面積權(quán)重，則式（10）可變換為：

式中：Δhi為相鄰兩層換能器之間的垂直距離。

1.5 矩形渠道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)渠道為標(biāo)準(zhǔn)矩形斷面，寬為0.8 m。實(shí)驗(yàn)水源為水泵循環(huán)供水，流量通過出口管道電磁流量計(jì)進(jìn)行測量，分別對(duì)設(shè)備的水位和流量測量準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表2所示。

由表2 可知，各水位工況下實(shí)驗(yàn)和測量流量相對(duì)誤差大部分在3%以內(nèi)，相對(duì)誤差平均值為1.32%，滿足《取水計(jì)量技術(shù)導(dǎo)則》中，明渠輸水時(shí)誤差應(yīng)≤±5%的規(guī)定［6］。

表2 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental test data

2 工程實(shí)際應(yīng)用

2.1 引洮工程中的應(yīng)用

在引洮一期工程二干渠頭寨支渠10處分水口，配合智能閘門已安裝上述超聲波多層測流設(shè)備。分布如圖8所示。

圖8 頭寨支渠分水口分布圖Fig.8 Distribution of water diversion outlets of Touzhai branch canal

其中1～5號(hào)分水口下游原來安裝有三角量水堰。所以選用這5處超聲波多層測流結(jié)果與量水堰測流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)主渠下游截止閘開度，控制主渠水位，分別記錄下二者的測量數(shù)據(jù)。實(shí)測數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 分水口實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison of measured data of water diversion outlet

由以上測量結(jié)果比對(duì)可以看出。1～3 號(hào)分水口，二者實(shí)測數(shù)據(jù)比較接近，4 號(hào)和5 號(hào)分水口實(shí)測數(shù)據(jù)相差很大。分析原因如下：

（1）1～3號(hào)超聲波測量設(shè)備安裝在渠道平直段，且前后有充足的平直距離，水流能平穩(wěn)進(jìn)入測量設(shè)備，既沒有左右偏流，也沒有渠道坡降形成的沖力。

（2）4 號(hào)在坡度較大的坡面上安裝，內(nèi)部水流為湍流狀態(tài)，直接影響超聲波對(duì)流速和液位的準(zhǔn)確計(jì)量。

（3）5 號(hào)設(shè)備雖然也在渠道平直段，但距離坡道太近，水流在設(shè)備內(nèi)沖擊較大，流態(tài)混亂，造成超聲波測流的數(shù)據(jù)波動(dòng)巨大，無法形成有效的計(jì)量數(shù)據(jù)。

2.2 對(duì)比分析

對(duì)比實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際工程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)超聲波測流設(shè)備在計(jì)量條件不太理想工況下（相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)量方式），依然能較為準(zhǔn)確的進(jìn)行計(jì)量。但對(duì)于傾瀉、浸淹、流態(tài)紊亂的工況同樣無法進(jìn)行有效計(jì)量，可見超聲波多層測量設(shè)備同管道超聲波流量計(jì)類似，需要滿足基本的水力學(xué)安裝條件，保證通過設(shè)備的水流態(tài)穩(wěn)定、自由才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的計(jì)量。

2.3 超聲波多層測流設(shè)備的安裝

超聲波多層測流設(shè)備的水力學(xué)安裝條件如下：

（1）需要充足的上、下游長度來保證水流平緩，方可保證計(jì)量的精確性，一般要符合“前十后五”規(guī)則，即上游要有10 倍渠寬的平直段，下游要有5倍渠寬的平直段。

（2）為保證超聲波液位計(jì)的測量精度，設(shè)備安裝時(shí)底部需要保持水平。

（3）施工時(shí)需要注意設(shè)備邊框?qū)λ鞯淖钃酰苊庠O(shè)備內(nèi)壁阻水造成的漩渦，特別是在“前十后五”的直渠段內(nèi)，設(shè)備的進(jìn)口、出口與渠道底部需要在同一平面，避免濺起水花影響液位計(jì)量。

如圖10所示，其中列出了兩種典型的安裝方式。

圖10 超聲波多層測流設(shè)備安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of ultrasonic multi layer flow measuring equipment

2.4 存在問題及改進(jìn)建議

（1）針對(duì)低水位小流量的場景任無法精準(zhǔn)計(jì)量。由于引洮工一期工程的特殊性，很多測點(diǎn)長期通過的水流遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。尤其對(duì)于水位低于10 cm 的工況，使用超聲波多層測流也無法進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。建議針對(duì)這種特殊工況，對(duì)測點(diǎn)前后的渠道進(jìn)行改建，使用復(fù)合型梯形渠，小流量走小渠道進(jìn)行計(jì)量。

（2）設(shè)備功率過大。該技術(shù)使用了多組超聲波探頭，綜合功率達(dá)到了20～40 W，這對(duì)于沒有市電，采用光伏供電的場景，是一個(gè)很大的用電負(fù)載?？梢詮挠布线x擇更加低功耗的超聲波換能器，軟件算法上選擇最佳采集頻率，通過水位判斷實(shí)際起作用的超聲波測流層，關(guān)閉空氣中沒有起作用的測流層電源，達(dá)到最優(yōu)化的能源使用分配。

（3）算法上任有很大的開發(fā)空間。水力模型復(fù)雜多變，涉及因素非常多。今后可以考慮結(jié)合人工智能，針對(duì)每個(gè)具體測點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)率定，生成其特有的動(dòng)態(tài)水力模型。

2.5 應(yīng)用范圍

引洮供水一期工程三條干渠總長為145.4 km，總控制灌溉面積1.267 萬hm2（19 萬畝），斗農(nóng)分水口共計(jì)113 處，現(xiàn)場條件復(fù)雜，斗農(nóng)口地形多樣，而且在建設(shè)中還牽扯到征用農(nóng)民耕地等問題，無法按照傳統(tǒng)量水渠道規(guī)格進(jìn)行施工建設(shè)?？捎糜谝こ谈鬏斔矶戳髁亢透骶匦味忿r(nóng)口渠道水位高低變化范圍較大的場景，解決目前用液位+流速標(biāo)準(zhǔn)斷面法測流不夠準(zhǔn)確的問題。

3 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

超聲波多層測流技術(shù)裝置整體采用一體化設(shè)計(jì)，所有元器件封裝在一個(gè)矩形中空的桶形不銹鋼框架內(nèi)。整體封裝可做到較高的防護(hù)等級(jí)，保證內(nèi)部電子元器件的安全可靠；液位傳感器、超聲波換能器等探頭的安裝位置相對(duì)固定，出廠時(shí)已滿足了安裝精度，保證測量數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定；無論實(shí)際渠道是否規(guī)整，一體化化設(shè)計(jì)可保證過流斷面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形斷面；便于運(yùn)輸及安裝。

3.1 技術(shù)對(duì)比

目前常用的明渠測流方式主要有量水堰槽法、表面流速法、水位率定法和斷面平均流速法。

（1）量水堰槽法。量水堰槽法是傳統(tǒng)的明渠計(jì)量方式，在普通渠道內(nèi)安裝量水堰槽，產(chǎn)生節(jié)流作用，通過測量水位，套用水位與流量的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出流量。常用的量水堰槽有巴歇爾槽、三角堰、矩形堰、無喉堰等。

該方法計(jì)量準(zhǔn)確度取決于流態(tài)的穩(wěn)定性、渠道粗糙度、坡降比精度等多種因素，在實(shí)際工程環(huán)境中很難到達(dá)實(shí)驗(yàn)室中的安裝實(shí)驗(yàn)條件，往往誤差較大。

（2）表面流速法。表面流速法是根據(jù)非接觸式雷達(dá)測量的渠道表面流速和渠道水位計(jì)算出流量。這種方法具有測量穩(wěn)定、安裝便捷的優(yōu)點(diǎn)，但只能測量水流的表面流速，而流實(shí)際上是分了無數(shù)個(gè)層來分層流動(dòng)的，尤其當(dāng)水位較深，流態(tài)不平穩(wěn)時(shí)，測量值與實(shí)際流量誤差較大。

（3）水位率定法。水位率定法通常是通過測量閘前、閘后水位，通過水位-流量模型計(jì)算出流量。這種方法最大缺點(diǎn)在于無法使用通用的數(shù)學(xué)模型，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行現(xiàn)場率定，得出具體的模型參數(shù)，現(xiàn)場調(diào)試工作量大，每個(gè)測點(diǎn)都不相同，不利于普遍推廣應(yīng)用。

（4）斷面平均流速法。斷面平均流速法是通過分層測量多個(gè)流層流速，得出過水?dāng)嗝嫫骄魉伲诟鶕?jù)水位得出過水?dāng)嗝婷娣e，最終計(jì)算出實(shí)際流量。

相較于其他明渠測流方法，斷面平均流速法是最接近于實(shí)際流量的測流方法，具有水位和流速測流區(qū)間大，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。本文所述的多層流超聲波測流也是基于此種方法。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）智能的流量測定。通過超聲波多層測流技術(shù)、測流裝備的集成和信息采集、傳輸、處理、發(fā)布等多項(xiàng)技術(shù)的綜合運(yùn)用，構(gòu)建一套面向農(nóng)業(yè)灌區(qū)取用水量的自動(dòng)監(jiān)測、預(yù)警及信息發(fā)布智能水量計(jì)量系統(tǒng)。

智能水量計(jì)量系統(tǒng)形象、直觀地為管理部門提供灌渠實(shí)時(shí)流量查詢、報(bào)表管理等服務(wù)，確保管理人員迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握灌渠的流量、雨量信息，為農(nóng)田水利管理工作提供有效支撐，提升農(nóng)田水利信息化水平。隨著超聲波傳感器的不斷發(fā)展，它們將使灌區(qū)量水技術(shù)更加穩(wěn)健、高效和安全。就目前的趨勢(shì)而言，可以確信這項(xiàng)技術(shù)將有助于“智能灌區(qū)”的成熟發(fā)展。

（2）可靠的精準(zhǔn)測流。超聲波傳感器技術(shù)的改進(jìn)使它們更加精確和便宜，在減小尺寸的同時(shí)提高了可用性。憑借這些改進(jìn)，它們將成為有效的流量測量技術(shù)，通過用超聲波傳感器替換掉原來的機(jī)械式流量計(jì)極大提高了測流的精度，且超聲波測流技術(shù)沒有任何機(jī)械的活動(dòng)部件，確保了設(shè)備的高可靠性。

（3）集成人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)。將灌區(qū)內(nèi)各個(gè)超聲波測流設(shè)備看作獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)單元，當(dāng)某臺(tái)超聲波測流設(shè)備設(shè)備的個(gè)別傳感器等零部件故障時(shí)，雖然可以檢測到渠道流量數(shù)據(jù)，但其精度與實(shí)際值偏離較大，往往不易被管理者發(fā)現(xiàn)。為了進(jìn)一步提升測流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，引入人工智能技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，利用多種超聲波測流設(shè)備提供的同一時(shí)間段、同一斷面流量數(shù)據(jù)情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備、及時(shí)維修，為引洮灌區(qū)流量檢測的精確度提供依據(jù)。

引洮灌區(qū)超聲波測流技術(shù)中應(yīng)用的人工智能和大數(shù)據(jù)提升流量檢測精度的方法研究才剛剛起步，還有不同檢測設(shè)備在不同環(huán)境下檢測精度如何，幾類設(shè)備相互結(jié)合，能否進(jìn)一步提升智慧測流的融合度等很多問題值得深入研究探索。

4 結(jié) 語

灌區(qū)用水的精準(zhǔn)計(jì)量具有深遠(yuǎn)的意義，本文針對(duì)甘肅引洮灌區(qū)明渠計(jì)量遇到的問題，引入了一體化超聲波多層測流設(shè)備。文中通過對(duì)測流原理的分析，并對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和工程現(xiàn)場實(shí)際測流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了超聲波換能器分布原則、適用場景、設(shè)備安裝的水力學(xué)條件等實(shí)際問題。該技術(shù)成熟可靠，安裝簡單，施工速度快、成本低，可有效解決灌區(qū)計(jì)量工程復(fù)雜環(huán)境下設(shè)計(jì)施工困難，計(jì)量精度難以滿足要求的問題，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，類似工程環(huán)境可參考應(yīng)用。 □