1 引言

 

    超声波测流是一门新兴的测量技术。近年来，随着大型灌区现代化建设进程的加快，利用超声波流量计测量明渠渠道的过水流量，实现灌区量水的远程实时监测，在许多地方得到越来越多的应用。而传统的大型明渠渠道测流方法通常采用流速仪法，因此对超声波法测流与流速仪法测流进行比较研究非常必要。

 

    2 超声波法测流

 

    2.1 超声波流量计的时差法测流原理

 

    用超声波来测量流体的流量实质上是测量流体的流速。当流体流速向量与声波方向平行时，声波的波速将发生变化，即当声波向下游传播时波速增加，声波向上游传播时波速降低。在明渠中，一定高程的流体平均流速是通过测量两个换能器之间传播的历时差来确定的。

 

    超声波流量计的时差法测流布置如图1所示，在渠道两侧水下某深度处，相对地斜向装置一对电声可逆的换能器，其间距为L，该层水流平均速度为v，水流方向与AB的夹角为θ，水流在AB方向的分速度v1，v1=vcoθs，超声波在静水中传播速度为C。

    如果上游换能器A作为发射器向渠道对侧发射超声波（即顺流），经T1时间后，被作为接收器的下游换能器B所接收，此时超声波的速度是C+v1，超声波在水流中的传播历时为

 

    （1）

 

     反之，若以B作为发射器，A作为接收器（即逆流），在相同的水流速度影响下，超声波的速度应是C-v1，其传播历时T2为

 

   （2）

 

 

 

图1 时差法测流原理

 

    静水中超声波波速C受水温、压力和水中杂质含量的影响，故将式（1）、（2）整理得某一水层平均流速：

 

    （3）

 

    式中：为常数，只要测出顺流和逆流传播时间T1、T2就能求出v，式（3）就是时差法测流速的基本原理。根据测得的水层平均流速，即可计算出全断面的流量。

 

    2.2 流量计算

 

    大型明渠渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化较大，一般采用多声道超声波流量计进行分层测流。如图2所示，沿渠两侧安放多对换能器（由声道数决定），测得若干声道上的平均流速vi，计算各部分流量，使之累加即可求得整个断面的流量。

 

    声道断面流量  （4）

 

    渠底层流量   （5）

 

    水面顶层流量  （6）

 

 

 

图2 分层测流

 

    式中：Ai—第i好声道与第i+1好声道之间的断面面积；vi为从第i好声道计算出的流速；vi+1为从第i+1好声道计算出的流速；Ab为渠底和最下一个好声道之间的断面面积；At为最上一个好声道与水面之间的断面面积；v1、vn分别为最下、最上一个好声道的流速；vs为表面流速估计值，通过外推法利用最上一个好声道和下一个好声道计算；F为渠底摩擦系数；Wt为渠顶加权系数。

 

整个断面的流量Q为： （7）

 

    为保证测量精度，在明渠上采用超声波流量计测流时，一要使测流断面前后有足够的平直段，二要有足够的声道数量。对于渠道水流流态不均匀的，可考虑采用交叉声路布置。对于渠道水位变化较大的可考虑增加声道数量。

 

    3 流速仪法测流

 

    流速仪法测流是国内外使用最广泛的方法，也是最基本的测流方法。同时，到目前为止，因无更先进的仪器设备，该方法也是评定和衡量各种测流新方法精度的标准。流速仪法测流基于速度面积法，测流时必须在断面上布设测速垂线和测速点，以测量断面面积和流速，测速方法一般采用积点法。

 

    3.1 选择断面，确定测线及测点

 

    测流断面的选择十分重要。测流断面应选择在渠段平直、水流均匀、无漩涡或回流的地方，前后平直段应满足测试规范的要求（大于20倍水面宽度），断面与水流方向垂直。测速垂线及测点数目应能充分反应横断面流速分布。

 

    目前，我国对测速垂线数目的规定主要根据渠宽和水深而定，干、支渠水面宽5～15m时，可设5～9条测速垂线。垂线上测速点的数目主要考虑测流精度要求，水深为1～3m时，流速分布不均匀，可采用三点法、五点法或六点法施测。

 

    3.2 平均流速计算

 

    测流的过水断面平均流速及流量计算参考水利部《灌溉管理手册》有关规定进行。为提高测流精度，测线平均流速Vm均采用六点法计算：

 

  （8）

 

    式中：v0.0、v0.2、v0.4、v0.6、v0.8、v1.0、分别代表垂线流速分布曲线水面、相对水深为0.2m、0.4m、0.6m、0.8m及河底的测点流速。

 

    渠边部分平均流速   （9）

 

    式中：vm1、vmn分别为自渠边起第一条、最末一条测线平均流速；a为渠边流速系数，通常斜坡渠边取0.70，陡坡渠边取0.80。

 

    3.3 流量计算

 

    断面流量Q为各部分流量的代数和

 

   （10）

 

    4 测流比较

 

    4.1 测流地点的确定

 

    测流地点选在昌乐县高崖水库灌区。在总干渠高崖与唐吾分界处徐家庙监测站，渠道约有5km长恰好沿公路西侧笔直布置，混凝土板衬砌，渠底宽7m，边坡为1∶1.5，流量Q=3.0～14m3/s，水深h=1.0～2.0m。该渠段符合明渠超声波流量计的安装要求及流速仪的布置。

 

    4.2 测流比较方法

 

    测流比较采用流速仪法与超声波法同步测流的方法。为保证测流结果的可靠性，测试流量的范围从渠道最小流量到最大流量，进行多个工况的测流比较。

 

    徐家庙监测站水面较宽，约在10～12m，本次实测采用3部旋浆式流速仪，6人3组同时测量。断面设8条测速垂线，从渠道中间向两侧每隔1.1～1.4m设一条，在每条测速垂线上设2～6个测速点。为提高测量精度，每一部流速仪每一测次的测量时间不小于120s，每一个工况点测取3～4组读数，最后取其算术平均值作为测试结果。

 

    超声波流量计选用一台韩国进口明渠超声波5声道流量计，它由10只超声波流速传感器构成5个声道和一套声波水位计组成，精度±1.0%。明渠超声波流量计实际安装占用渠段长7m，监测站内同时安装二次仪表、数据采集等其它设备，水深、流速、瞬时流量、累积流量实时直接监测测出。正式测流前对超声波流量计进行了调试，主要是在渠道有水的情况（所有的换能器必须全部淹没于水中）下，进行流量计自检，然后检查各声道的工作情况。检查在静水和动水的情况下分别进行，而且静水检查非常重要，因为此时流量计测出的水流流速应为零，可以间接地检查流量计的准确性。一切正常后，流量计便可进入正常的测量状态，在最大测流工况时5声道工作，最小测流工况时为3声道工作。明渠超声波流量计测流结果采用与流速仪法对应测流时段的累计水量值进行计算，计算公式为：

 

   （11）

 

    式中：Q/为明渠超声波流量计测得流量值，m3/s；△G为与流速仪法测流时段对应的超声波流量计累计水量差值，m3；△T为与流速仪法测流时段对应历时，s。

 

    4.3 测流结果

 

    流量测试结果表明，两种测流方法绝大多数工况的流量相对偏差小于-2%。且超声波法测量值均小于流速仪法测量值。其中部分测试结果见表1。

 

 

 

    5 结语

 

    通过两种方法的实测可以看出：超声波测流技术测量精度高，方法简单，操作安全，不影响渠道水流状态，可直接与微机结合，实现水情数据的实时监测和实时传送，为灌区水资源的优化配置和现代化管理打下了基础。因此随着计算机网络技术的发展和遥测设备的不断完善，灌区量水将最终实现用水管理的信息化、自动化和智能化，超声波测流技术一定会作为准确测量明渠流量的一种方法加以推广应用。

 

    参考文献

 

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    [3]马树升.灌区水情无线数传实时监控的内容与方法[J].山东农业大学学报，2003，34（1）：91-95

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    [5]雷艳，范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法[J].武汉水利水电大学学报，I997，（1）：11-16

    [6]王竹青.超声波流量计在大型渠道测流中的应用[J].节水灌溉