超聲波水位流量計在灌區的應用

    1 灌區概況

    霍泉位于洪洞縣城東北15km處的廣勝寺霍山南麓。地理位置東徑111°47'30''，北緯36°17'30''，泉口高程581.6m，多年平均流量3.25m³/s，現有流量2.88m³/s，是山西省著(zhù)名的鹽溶大泉。

    泉內比較大的出水點(diǎn)20余處，其余小出水點(diǎn)呈蜂窩狀出流，無(wú)以數計。泉水集中在人工修建的矩形泉池內，由渠道及管道引出，現有南干、北干、中干3條渠道及山西焦化集團工業(yè)生活供水、1個(gè)縣城生產(chǎn)生活管道出水口，擔負著(zhù)1.533萬(wàn)hm²農田灌溉和向山焦集團工業(yè)供水、洪洞縣生產(chǎn)生活供水的重任，是本縣重要的水源地之一。

    2 應用情況說(shuō)明

    通過(guò)建設自動(dòng)化系統來(lái)實(shí)現泉源上南干、北干、中干3條渠道的水量自動(dòng)計量和傳輸，3條渠道基本情況見(jiàn)表1。

    3 渠道流量監測原理分析

    3.1 渠道流量監測方法介紹

    流量一般無(wú)法直接觀(guān)測，主要是在流速和水位測定的基礎上根據特定的關(guān)系式計算出流量。常用的方法有流速面積法、水力學(xué)法、化學(xué)法、物理法。

    （1）流速面積法。根據流速測定和斷面測定計算流量。

    （2）水力學(xué)法。根據水位流量關(guān)系，由測得的水位代入水力學(xué)公式求算流量。

    （3）化學(xué)法。將已知量的可溶性指示劑注入河水中，由于水流作用使指示劑在水中擴散，通過(guò)測定指示劑在水中的濃度推算流量。

    （4）物理法。根據某種物理量在水中的變化情況，測定河流的斷面和水流的平均流速，再計算流量。如超聲波法、電磁感應法、光學(xué)法等。

    在實(shí)際應用中最為常用的觀(guān)測流量的方法是流速面積法、力學(xué)法和物理法。流量大于10m³/s的渠道，一般采用流速面積法，以保證測量精度；流量為1~10m³/s的渠道面廣量大，測流應求簡(jiǎn)便，優(yōu)先考慮力學(xué)法，利用建筑物量水。

    3.2 自動(dòng)化測流儀器介紹

    自動(dòng)化測流儀器也是利用上面的原理進(jìn)行測流的，從原理上可分為2大類(lèi)：一類(lèi)是利用流速面積法及物理法，一類(lèi)是利用力學(xué)法。

    利用流速面積法測流的儀器一般分為2部分：一部分測量流速，一部分測量斷面面積，從而計算出流量。測量流速部分有超聲波（時(shí)差法、多譜勒法）、電磁感應等。此類(lèi)設備造價(jià)很高，安裝復雜，精度較高，多用于較寬的渠道或河道，進(jìn)行多點(diǎn)測流。

    利用力學(xué)法測流的儀器是測量水位，然后根據相應的公式測算流量，測量水位有壓力式、浮子式、超聲波式等。此類(lèi)設備造價(jià)較低、安裝方便，但精度根據量水建筑物而不同，多用于小型渠道，配合量水建筑物使用。

    根據霍泉灌區實(shí)際情況，南干、中干、北干3條渠道都比較規則，且有歷年的人工觀(guān)測資料，所以我們選用超聲波水位流量計，通過(guò)資料分析得出水位~流量關(guān)系表，然后安裝超聲波水位流量計自動(dòng)通過(guò)水位~流量關(guān)系表測算出實(shí)時(shí)流量，并進(jìn)行累計。

    超聲波水位流量計直接測量的物理量是液位。用于明渠測流量時(shí)，在明渠上安裝量水堰槽，量水堰槽把明渠內流量的大小轉成液位的高低。儀表測量量水堰槽內的水位，再按相應量水堰槽的計算公式或水位~流量關(guān)系反算出流量。

    儀器的的探頭安裝在量水堰槽水位觀(guān)測點(diǎn)位置上，測量流經(jīng)量水堰槽的水位。在儀器安裝時(shí)，把相應量水堰槽的水位~流量關(guān)系輸入主控制器。儀器的主控制器由測出的水位，用查表法求出對應的流量值。數表中兩相鄰數值之間的數，用線(xiàn)性插值法求出，見(jiàn)圖1。

圖1 測流原理

    超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達到實(shí)用的要求。

    因此，采用超聲波水位流量計與渠道量水建筑物相結合，進(jìn)行流量計量是非常經(jīng)濟可靠的，并且是切實(shí)可行的。

    4 渠道量水解決方案分析

    4.1南干渠量水解決方案

    南灌干渠渠首建有巴歇爾槽，但由于建筑尺寸不規范，其量水精度將受到較大影響，直接采用原流量公式計算流量會(huì )產(chǎn)生較大誤差。因此我們利用已有巴歇爾槽作為斷面控制，以2006-2008年積累的183次流速儀測流資料為基礎，分析建立水位~流量關(guān)系，經(jīng)誤差分析合格后用于該渠道量水。

    （1）數據分析處理。對2006-2008年積累的183次測流資料采用漸近法進(jìn)行回歸分析，有效點(diǎn)據為109個(gè)。水位~流量關(guān)系式為：Q=1.215H^3.4509。

    （2）誤差分析結果。累積頻率95%的誤差為4.850%，累積頻率75%的誤差為3.290%，平均誤差為2.174%，系統誤差為0.033%。滿(mǎn)足流量觀(guān)測要求。

    （3）結論。在保持原渠道工程及巴歇爾量水槽不變的情況下，可以利用原水尺進(jìn)行量水。實(shí)現自動(dòng)量水可采用流量公式：

    （4）應用條件。水尺的位置和零點(diǎn)不變。

    4.2 中干渠量水解決方案

    中干渠首建有無(wú)吼段量水槽，比較規范。積累原始流量觀(guān)測數據56次。經(jīng)分析，數據資料分布規則。建議利用原有公式進(jìn)行流量測算或根據56次觀(guān)測數據重新分析水位~流量關(guān)系，建立新的流量公式推算流量。

    （1）數據分析處理。對56次測流資料進(jìn)行回歸分析，全部為有效點(diǎn)據。分析得出水位~流量關(guān)系式為：

    （2）誤差分析結果。累積頻率95%的誤差為2.352%，累積頻率75%的誤差為0.595%，平均誤差為0.613%，系統誤差為0.005%。滿(mǎn)足流量觀(guān)測要求。

    （3）結論。在保持原渠道工程及無(wú)喉段量水槽不變的情況下，以下2種方法均可用于實(shí)現自動(dòng)量水，量水方案可以任選其一：（1）利用原有公式進(jìn)行量水；（2）利用新公式Q=3.8345H ^1.5484進(jìn)行量水。

    （4）應用條件。水尺的位置和零點(diǎn)不變。

    4.3 北干渠量水解決方案

    北干渠前段為暗渠，渠道深度1.85m，渠道樁號0+000~0+889段的平均縱坡為1/3000，量水斷面處（樁號0+065.5）的渠底高程比渠首（樁號0+000）處高0.23m。樁號0+115以下的渠道縱坡約為1/1500。

    根據該渠道的工程條件情況，該渠在通過(guò)正常輸水流量0.9m³/s時(shí)，水深為0.89~0.90m，渠道超高約為0.95m，允許澭水的高度較大。量水方案擬在原量水斷面處設置全寬薄壁堰。為保證流量測算精度，采用自由流態(tài)設計。

    4.3.1 結構設計

    經(jīng)設計計算，全寬薄壁堰高度P₁=0.6m，寬度與量水斷面處的渠道寬度一致，即B=2.15m。

    （1）全寬堰的堰上水舌與行近渠道等寬，沒(méi)有側收縮現象。使水舌下保持為大氣壓力，需在堰檻下的兩邊側墻上各開(kāi)一個(gè)通氣孔，如圖2所示。通氣孔的面積為最大水頭時(shí)堰上過(guò)水斷面積的1/10~1/20。

圖2 全寬薄壁堰

    （2）堰頂應經(jīng)常保持良好的表面光潔度。薄壁堰的堰口宜用工廠(chǎng)加工的整體金屬構件，或用不銹鋼、低炭鋼或鑄鐵加工的堰板（鋼板厚度在5mm以上為好，以保證它有足夠的強度和韌度），薄壁堰的堰頂表面光潔度應相當于滾軋金屬板的光潔度。

    （3）堰板強度應能承受最大流量而不致變形或損壞，建議采用角鋼加肋。

    （4）堰頂厚度應為1~2mm。堰板厚度大于1~2mm時(shí)，堰口要加工成銳緣，傾斜面在下游，斜面與缺口頂面及側面的夾角不小于45°。

    （5）堰板上游的行近渠道兩側墻應豎直并相互平行，表面平整光滑。

    （6）水尺設置位置在堰板上游，與堰板安裝位置的距離為2m。

    4.3.2 流量計算

    采用肯斯瓦特-卡特公式：

    式中：Q為過(guò)堰流量，m³/s；Cd為流量系數；g為重力加速度，m/s²；B為堰口寬度，m；h為實(shí)測的堰上水頭，m；P₁為相對于上游渠底的堰頂高度，m；h_e為有效水頭，m，h_e=h+k_h，k_h=0.001m，可忽略，即h_e»h。

    公式適用條件：h/P₁≤2.5；h≥0.03m。

    當B=2.15m，P₁=0.60m時(shí)，流量公式為：

    精度：全寬堰的測流精度主要取決于水頭觀(guān)測和寬度測量的精度，以及所采用的流量公式和流量系數是否合適。若按規定的要求進(jìn)行安裝，在公式適用范圍內，流量系數所引起的不確定度X_CD（置信水平為95%）為：①h/P₁<1時(shí)，X_CD≤1.5%；②h/P₁=1~1.5時(shí)，X_CD≤2%；③h/P₁=1.5~2.5時(shí)，X_CD≤3%。

    4.3.3 安裝養護

    （1）全寬堰必須豎直并垂直于渠道邊墻，堰板與渠道邊墻及底板的交接處必須牢固和不透水，迎水壁面應光滑平整。各部分裝置應準確牢固，且不致因水流和溫度的變化而腐蝕變形。    

    （2）應做好基礎處理，保證安裝質(zhì)量，不致因各種原因發(fā)生傾覆、滑動(dòng)、斷裂、沉陷和漏水的情況。為防止可能發(fā)生的下游沖刷，可建造消能池。

    （3）薄壁堰安裝后要進(jìn)行竣工測量，經(jīng)驗收合格后方可使用。各部位尺寸的允許偏差應符合下列規定：①堰寬的允許偏差為0.2%，該寬度的且最大絕對值不大于0.01m；②堰高的允許偏差為設計堰高的1%，且最大絕對值不應大于0.002m。    

      （4）堰槽在使用期間應注意養護防止損壞，要有有效的防淤防腐防凍和防裂措施。要經(jīng)常檢查校測，防止變形，保持各部位尺寸的準確和表面良好的光潔度，當發(fā)生槽底淤積或堰頂上粘貼有漂浮物時(shí)應及時(shí)清洗。    

    5 應用效果評價(jià)

    我們本次建設的渠道流量計量系統經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，其精度和穩定性都能達到使用的要求，與灌區歷史數據基本吻合。并通過(guò)和調度管理系統相結合，提高了灌區的管理效率，為灌區調度決策提供了穩定可靠的依據和先進(jìn)的手段。

    采用超聲波水位流量計與量水建筑物相結合的方法來(lái)計量水量在經(jīng)濟性、實(shí)用性、穩定性等各方面都是值得推廣的。

    一般灌區在渠道上都有自建的量水建筑物，采用超聲波水位流量計投資少、見(jiàn)效快，能與灌區原有的計量工作結合起來(lái)。