吳景峰，劉 峰

（河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000）

面對水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性、準確性要求越來越高的嚴峻形勢，不斷提高自動化監(jiān)測水平是解決問題的有效途徑。2021年全國水文工作會議提出“推進水文監(jiān)測自動化，全面提升水文支撐能力”的戰(zhàn)略，《河湖生態(tài)流量監(jiān)測預警技術(shù)指南（試行）》文件要求“完善生態(tài)流量管控斷面的水文監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，提升自動化水平”。河流流量在線監(jiān)測主要方式有超聲波多普勒法、超聲波時差法、電波法、水力學法[1]。水平式聲學多普勒剖面流速儀（H-ADCP）可檢測水層單元流速分布，但一般采用局部代表流速分布數(shù)據(jù)參與斷面流量計算；V-ADCP 可監(jiān)測垂線單元流速分布，但易受斷面淤積影響；電波法為非接觸式水面流速測量方法，易受惡劣天氣和測量角度影響；水力學法對水工建筑物的建設(shè)標準要求較高，且造價昂貴。平原河道水流速度小，南水北調(diào)及引黃輸水斷面主要是為了監(jiān)測水資源量，收取水費，應(yīng)盡可能采用高精度在線流量測量系統(tǒng)監(jiān)測。隨著電子信息技術(shù)的飛躍發(fā)展，超高頻元器件、信號鑒別電路及濾波技術(shù)的不斷更新，使用超聲波原理測量河道、渠道流量變得越發(fā)可行[2]。目前，我國水文站安裝使用的超聲波時差法流量監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng)）多為國外設(shè)備[3-6]，國產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用鮮有報道。鑒于此，使用我國自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)，在華北平原引水渠道的衡水市東油故站開展應(yīng)用試驗和研究，驗證監(jiān)測系統(tǒng)性能及流量測驗精度。

1 超聲波時差法測流工作原理

超聲波時差法利用超聲波在水流中的傳播特性，用 1 組或多組超聲波換能器測量同水層平均流速，采用水位計測量水深，根據(jù)測量的各層流速和水深自動計算流量。

1.1 流速測量原理

超聲波在順流渠道中的傳播速度比在逆流渠道中傳播速度快。通過超聲波換能器測得固定距離情況下順、逆流方向的傳輸時間，用 2 個方向上傳播時間差求解測線平均流速，這種方法稱為時差法。根據(jù)換能器的頻率，測量河寬可為 0.5～2 000.0 m，測流誤差不應(yīng)超過 ± 5%。在河道兩岸安裝超聲波換能器 A 和 B，時差法測量流速工作原理[7]如圖 1 所示。

圖1 時差法測量流速工作原理概要圖與示意圖

換能器 A 和 B 之間的超聲波傳播時間分別為

式中：t1，t2分別為超聲波信號由換能器 A 到 B 及 B 到 A 的傳播時間；L為換能器 A 和 B 之間的距離；c為超聲波在水中傳播的速度；v為河道某水層平均流速；θ為聲波路經(jīng)與水流流向夾角。

由式（1）和（2）解得河道某水層平均流速為

流速計算與水中聲速無關(guān)，只與傳播時間及流向和路徑之間的角度有關(guān)。

1.2 流量計算方法

渠道流量等于流速與斷面面積之積。人工渠道主要有梯形和矩形 2 類斷面，較大的渠道一般采用梯形斷面，矩形斷面的渠道往往尺寸較小。由于 2 個換能器測量的是一個水層的平均流速，而整個斷面表面和底部的流速差別較大，因此，多層聲道方式優(yōu)于單聲道方式，一般要測 3～4 個水層流速，這樣能較好地覆蓋從底部到水面各個深度水層流速，提高測流準確性，也不會因為傳感器數(shù)量過多而導致造價飆升。明渠過水斷面示意圖如圖 2 所示。

圖2 明渠過水斷面示意圖

由于明渠底部起伏不平，將邊坡上低于換能器1A-1B 且坡度改變處的高程定為Z0，測量并計算Z0以下不規(guī)則斷面面積S0，則明渠過水橫斷面面積S為

采用多元線性回歸分析法，計算過水斷面平均流速v，公式為

由斷面面積和平均流速計算的流量公式為

由式（4）～（6）得明渠時差法流量多元線性回歸模型為

式中：Z為水面高程，即水位；b0為Z0處渠道寬度；m為邊坡系數(shù)；vi為換能器所在水層上測定的水流速度；Q為斷面流量；Qi為相應(yīng)水層測定的流速與面積之積；ki為回歸系數(shù)；C1和C為回歸常數(shù)。

渠道中的水面高度采用自記式水位計測量，由式（4）計算出斷面面積，每一水層流速指的是換能器之間水層的平均流速。用實測流量與各層流速計算的流量建立相關(guān)關(guān)系，求得渠道流量。SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，聲學時差法與實測流量建立相關(guān)關(guān)系時，實測流量可用轉(zhuǎn)子式流速儀法或走航式 ADCP 測量[8]14。走航式 ADCP 儀器檢定的測量不確定度和流量測驗精度要優(yōu)于流速儀[9]，已被廣泛應(yīng)用于基本水文站和引水工程水量監(jiān)測站，監(jiān)測成果整編入《水文年鑒》[10]；由于 M9 走航式聲學多普勒剖面流速儀（以下簡稱 M9）精確度高于 LS68 型轉(zhuǎn)子式流速儀[11]，且具有全天候、高精度、高效率、自動化的諸多優(yōu)點，故采用 M9 開展比測試驗。

2 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程和功能

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

監(jiān)測系統(tǒng)主要由超聲波換能器、自記水位計、流速信號處理器、流量在線監(jiān)測控制器（以下簡稱控制器）、通信模塊、電源系統(tǒng)、避雷設(shè)施等組成，采用太陽能直流供電，平均功耗只有 2.5 W，適用于野外工作。監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如下：1）控制器先發(fā)指令給自記水位計，令其采集水位數(shù)據(jù)，計算河道斷面面積，并由水位值獲知有幾對換能器被水淹沒，淹沒深度至少 30 cm 才可以測量，未被淹沒或者淹沒深度不夠的換能器不參與工作；2）流速信號處理器接收到控制器發(fā)來的測速指令后，換能器驅(qū)動發(fā)送信號并開始計時，信號切換給相應(yīng)的分層換能器（A 或 B），對岸的分層換能器（B 或 A）信號經(jīng)放大濾波后由處理器接收，計時終止，根據(jù)式（3）計算水層流速；3）每測完一層流速后立即將該層的流速數(shù)據(jù)發(fā)給控制器，測完所有分層的流速數(shù)據(jù)后，控制器根據(jù)時差法多元線性回歸模型，將采集到的水位和流速數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的分析計算得到流量；4）最后通過數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）將所有測量數(shù)據(jù)，包括水位、各層流速和總流量發(fā)送至云平臺數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖 3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)每 10 min（可根據(jù)需求自行設(shè)定）監(jiān)測 1 次流量，1 個流程大約需要 6 min，也就是每小時的每個 10 min 的前 6 min 是工作時間。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能

監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：能適應(yīng)當?shù)厮魈匦约皽囟?、濕度、氣壓等環(huán)境因素，能夠抗干擾，防雷電；能對河道水位、斷面流速等進行 24 h 連續(xù)在線監(jiān)測；能根據(jù)采集的水位、流速實時計算流量；監(jiān)測數(shù)據(jù)能長期可靠存儲；具備數(shù)據(jù)遠傳功能，可將實時水位、流速、流量通過公共通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮罩行模豢扇斯ば抻喆髷嗝鏀?shù)據(jù)和流量模型回歸系數(shù)；安裝視頻監(jiān)控裝置可輔助遠程管理，實現(xiàn)無人值守，有人看管的運行方式。監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標如表 1 所示。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標

3 監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 測站基本概況介紹

東油故水文站屬于引黃輸水專用站，是清涼江入衛(wèi)千渠的分水口控制站，向衡水湖補充生態(tài)用水。測驗斷面上游 150 m 處為入衛(wèi)千渠控制閘，測驗河段順直，沒有水量進出。測驗斷面呈梯形，河床兩岸為混凝土護坡，水流狀態(tài)穩(wěn)定，符合時差法設(shè)備對測驗河段的技術(shù)要求。

測驗斷面渠寬為 29.5 m，渠深為 3.9 m。在渠道的兩側(cè)岸壁上均勻安裝 3 對超聲波換能器，利用激光筆調(diào)整每對換能器的發(fā)射接收面，使之處于同一深度的一條水平直線上。從河底向岸邊方向，3 對換能器安裝高程依次為 22.17，23.04 ，23.88 m，斷面布設(shè)如圖 4 所示。根據(jù)現(xiàn)場情況，供電信號線路采用隨上游水文測橋架空方式，安全可靠。所有換能器通過雙層屏蔽電纜連接到渠道旁立桿上的設(shè)備箱中，采用太陽能電池板+蓄電池的方式供電。設(shè)備主機配備信號防雷保護器，接地電阻小于 1 Ω。

圖4 斷面布設(shè)圖

安裝換能器時，安裝位置應(yīng)干凈、開闊、無遮擋，以利于超聲波信號的傳播。每對換能器的連接線與水流方向控制在 30～60° 內(nèi)，以使測量效果最佳。角度過小，造成 2 個傳感器之間距離過遠，聲信號在傳播中的衰減增大，影響測量精度，還可能引起河床或水面產(chǎn)生反射信號，特別是河水存在垂直溫度梯度時更是如此；角度過大，水流在測線上的投影分量過小，也不利于測量。盡管超聲波在水中可能存在折射等問題，但渠道的寬度通常在數(shù)米到數(shù)十米量級，這樣的距離上，折射是可以忽略的。

3.2 參數(shù)率定分析

在流量監(jiān)測前，需要測繪換能器安裝的上、下渠道斷面及中斷面。因河渠底部不平坦，取Z0為 21.5 m，計算常數(shù)S0。根據(jù)式（4），得到中斷面面積計算公式為

式中：h為水深，即Z-Z0。

2020年12月29日—2021年1月26日東油故站引黃輸水期間，采用 M9 監(jiān)測流量為實測流量，與監(jiān)測系統(tǒng)計算得到的時差法流量進行比測分析。M9 流量采集過程按相關(guān)規(guī)程進行，在水位與流速變化不大情況下，人工拖動 M9 三體船至少 2 個測回，再對采集的有效流量數(shù)據(jù)進行平均，得到時段平均流量。比測期間，率定測次為 36 次，水位變幅為 22.82～24.63 m，層流速變化范圍為 0.29～0.77 m/s，實測流量變幅為 5.85～27.50 m3/s，包含高、中、低水位級。當僅使用某一層或幾層流速配合時，利用各層流速計算的訂正前后流量對比如圖 5 所示。

圖5 利用各層流速計算的訂正前后流量對比

訂正前的流量，指的是直接使用相應(yīng)時段內(nèi)的平均流速乘以斷面面積得到的時差法流量；訂正后的流量，指的是根據(jù)實測流量對訂正前的流量數(shù)據(jù)進行訂正得到的流量，也就是校核后的結(jié)果?？梢钥吹?，校核的效果是非常明顯的，無論是哪一層數(shù)據(jù)，校核后的數(shù)據(jù)與實測流量結(jié)果均非常接近，說明單層也有很好的相關(guān)性。尤其是中間的第 2 層，即使不校核，本身就與實測流量很接近，校核后效果更加理想。為提高測量的準確性，根據(jù)式（7），在不同的水位級，采用淹沒的換能器測量流速計算的流量與實測流量進行回歸分析計算，求得回歸系數(shù)[12]。

水位較低，只有第 1 層換能器被水淹沒時的流量計算公式為

中等水位，第 1 和 2 層換能器被水淹沒時的流量計算公式為

水位較高，3 層換能器均被水淹沒時的流量計算公式為

按照式（9）～（11）計算出輸水期間時差法流量，與同步實測流量進行對比分析，低、中、高3 種水位下相對誤差分別為 2.2%，1.6%，1.1%。可見由 3 層換能器流速聯(lián)合計算的流量最優(yōu)，與實測流量對比的偏差也極小，為 0.06 m3/s，均方根誤差為 0.29 m3/s，相關(guān)系數(shù)高達 0.998，通過置信水平α= 0.01 的顯著性檢驗，說明兩者線性關(guān)系非常密切。時差法流量與實測流量關(guān)系線如圖 6 所示，散點數(shù)據(jù)均分布在 45° 對角線附近且十分接近，充分說明校核效果有良好的一致性。

圖6 時差法流量與實測流量關(guān)系線

東油故站為調(diào)水水量計量站，屬一類精度流量站。對東油故站率定的時差法流量與實測流量關(guān)系進行定線精度和合理性評定，并進行關(guān)系線符號、適線和偏離數(shù)值 3 種檢驗，定線精度和 3 種檢驗統(tǒng)計如表 2 所示。按照 SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》規(guī)定，一類精度水文站定線隨機不確定度不應(yīng)超過 10%，系統(tǒng)誤差應(yīng)在 ±2% 以內(nèi)， 3 種檢驗的統(tǒng)計量允許值分別為 1.15，1.64，1.7[13]，而計算得到的隨機不確定度為 3.12%，系統(tǒng)誤差為 -0.03%，達到規(guī)范規(guī)定的精度要求，3 種檢驗的統(tǒng)計量分別為 0.17，-0.34，-0.1，均小于對應(yīng)的允許值，說明通過 3 種檢驗。按照 SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，單次流量比測相對偏差應(yīng)在 ±5% 以內(nèi)[8]14，本次統(tǒng)計結(jié)果合格率為 100%。時差法流量經(jīng)過率定及測流精度檢驗后，可在同等精度常規(guī)測流方法的使用范圍內(nèi)采用。

表2 定線精度及 3 種檢驗統(tǒng)計表

3.3 監(jiān)測成果驗證

3.3.1 流量成果對比分析

采用 2021年3月9日—4月3日引黃輸水期間的監(jiān)測流量進行驗證，東油故站時差法流量與實測流量對比結(jié)果如圖 7 所示。其中，單次流量比測中82% 的時差法流量與同步實測流量偏差在±3% 以內(nèi)，最大偏差為 4.9%（＜ 5%），系統(tǒng)誤差為 -0.55 m3/s，均方根誤差為 0.38 m3/s，相關(guān)系數(shù)高達 0.997，滿足流量規(guī)范的要求。從圖 7 可以看出：2 種方法的時間序列曲線基本重合，峰谷對應(yīng)，走勢完全一致，無明顯系統(tǒng)偏差，監(jiān)測成果很理想。

圖7 2021年3—4月時差法流量與實測流量對比

3.3.2 徑流量成果對比分析

流量測驗的基本原則是能準確推算出逐日平均流量和各項特征值。依據(jù) SL/T 247—2020《水文資料整編規(guī)范》進行數(shù)據(jù)整編，將采集數(shù)據(jù)導入專用整編軟件“水文資料整編系統(tǒng) HDP5.0”，采用連流量過程線法定線推流，計算出逐日平均流量和徑流量。時差法日均流量采用每日 72 測次流量整編，人工實測流量采用每日 2 次流量數(shù)據(jù)，依據(jù)水位變化繪制連實測流量過程線圖，摘錄流量錄入軟件整編。兩者逐日平均流量 80% 的數(shù)據(jù)相對誤差小于等于 ±5%，最大為 -6.7%。依據(jù) SL 195—2015《水文巡測規(guī)范》規(guī)定，一類精度流量站一次洪水總量允許相對誤差為 3%[8]7，時差法數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)整編出的徑流量分別為 4 088 和 4 095 萬 m3，兩者偏差為 -7.78 萬 m3，相對誤差為 0.17%，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本研究在水量監(jiān)測站開展了超聲波時差法流量監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用試驗。通過渠道斷面形狀結(jié)合水位值，擬合得到一個由水位推算實際過水斷面面積的計算公式。根據(jù)水位和各層換能器的安裝高程，對層流速計算斷面平均流速進行了分段多元線性回歸擬合，構(gòu)建了精細化計算流量的多元線性回歸模型，提高了測量范圍和精度。

1 a 多的運行表明：該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了明渠流量實時在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠程傳輸，運行穩(wěn)定可靠，測驗精度高，為推廣國產(chǎn)化系統(tǒng)在明渠流量監(jiān)測中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，對推進水文測驗現(xiàn)代化建設(shè)進程和提高水資源監(jiān)控能力具有重要意義。今后在推廣應(yīng)用上，還須加強流量比測資料的收集和相關(guān)參數(shù)的適用性驗證，在使用過程中不斷細化參數(shù)。對于將監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于天然河道斷面，采用無線超聲波時差法技術(shù)等方面，還有待進一步研究。