超聲波流量計在引配水測驗中的適應性研究

1 研究背景

1.1 工程概況

近幾年來(lái)，杭州市的運河水質(zhì)惡化程度趨于不利，為更大程度改善運河（杭州段）水質(zhì)，杭州市從2006年開(kāi)始建設三堡配水工程，總投資2451萬(wàn)元。增加的輸水通道位于一線(xiàn)船閘東側，總長(cháng)935m，主要由進(jìn)水明渠、進(jìn)水閘門(mén)、砼管道、出水閘門(mén)、出水明渠及箱涵等組成。工程引水歷時(shí)保證率80%時(shí)的上游水位為3.53m，下游按常水位1.36m考慮。錢(qián)塘江同時(shí)滿(mǎn)足含沙率低于1kg/m³和含氯度小于0.25g/kg時(shí)的可引水時(shí)間為全年的64%，設計流量為25m³/s，最大引水流量35m³/s。通過(guò)工程的調度，達到多年平均從錢(qián)塘江引水入運河水量5億m³，確保城區運河水系河網(wǎng)主要河道水體得到充分流動(dòng)稀釋?zhuān)�水質(zhì)達到Ⅴ類(lèi)水標準。

1.2 超聲波流量計

2009年底，三堡船閘管理處在出水閘門(mén)下游渠道中安裝了一套申瑞牌GER9000型超聲波流量計。測流系統包括5聲路流速換能器，1個(gè)超聲波水位計和數據傳輸與顯示系統。系統測量的最大渠寬可達100m，流量測量可精確到0.001m³/s。

超聲波流量計換能器為壓電晶體，壓電晶體具有聲能和電能相互轉換的特性。利用此特性，儀器測量聲波在兩岸間的傳播速度分別反映出聲波在順流與逆流中的傳播時(shí)間，則可由式（1）求得水流流速，從而得到斷面流量；超聲波流量計的這種測流方法稱(chēng)為時(shí)差法測流。

    （1）

式中：υ—水流流速（m/s）；

L—換能器之間的距離（m）；

θ—聲波路徑和流向之間的夾角；

T₁、T₂—順流和逆流時(shí)的傳播時(shí)間（s、s）。

2 比對實(shí)驗

2.1 比測儀器

在配水通道下游，有已安裝使用近3年的岸式多普勒測流儀，并且測流成果符合測驗要求。本次對新裝超聲波流量計與此岸式多普勒測流儀的測量數據進(jìn)行比對，研究其在實(shí)測工作中的適應性。岸式多普勒測流儀設備型號為Argonaut－SL1.5（MHz），測量范圍是±6m/s，分辨率為0.001m/s，測流精度為±1%。

2.2 閘門(mén)調度

閘門(mén)調度覆蓋大、中、小各級流量，使得分析比對成果具有代表性。在比對時(shí)段中（2010年01月21日至26日），三堡外江水位逐日降低，閘門(mén)開(kāi)度也逐日減小，此舉是為增加比對時(shí)段內配水流量的覆蓋范圍。比對實(shí)驗多選擇在夜晚無(wú)船時(shí)段，以便提高實(shí)驗可靠性。

2.3 數據取用

此次用于比對新裝超聲波流量計的岸式多普勒測流儀（以下稱(chēng)SL）安裝在配水通道下游約1.0km處。SL測流斷面過(guò)船量大、水流紊動(dòng)極其劇烈。與此同時(shí)，在SL與配水通道口之間河段有三堡排灌站抽水口，工作時(shí)段為每日8∶00～20∶00。鑒于以上情況，為避免船閘過(guò)船和排灌站抽水影響，取用后半夜1∶00～4∶00之間數據進(jìn)行比對。

3 成果分析

由于SL所測為斷面的單層流速，因此，需事先對SL使用走航式多普勒測流儀（SonTek公司RiverCAT，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RC）進(jìn)行率定。此次RC走航斷面位于SL測流斷面下游約20m處，排除過(guò)船、儀器拖拽等影響，篩選出7組用于分析比對的數據，經(jīng)回歸計算，得出以下率定公式：

C＝-1.1263V_SL+1.1823     （2）

式中：C為流速比值（V_斷面平均/V_SL）。

現對上述率定成果進(jìn)行誤差等統計指標計算，如表1所示。

表1 岸式多普勒測流儀（SL）率定成果表

注：實(shí)測點(diǎn)標準差：1.29%；隨機不確定度：2.58%；系統誤差：0.003%.

對照SL247-1999《水文資料整編規范》，使用SL率定成果推求斷面實(shí)際流量，測驗精度評定的各項統計指標遠小于一類(lèi)精度水文站要求的上限。因此，使用已得的率定公式，結合已測斷面數據，可用SL所測流速與水位推求斷面流量，實(shí)現對超聲波流量計的高密度實(shí)時(shí)比對。

3.1 典型過(guò)程比對

SL與超聲波流量計均可進(jìn)行高密度的實(shí)時(shí)測量。本次實(shí)驗過(guò)程中，我們把測量的間隔設置為5min，這樣的采樣密度可充分滿(mǎn)足配水工作的要求。結合外江的水位的變化與5次對閘門(mén)的調度，選取每日1∶00～4∶00之間受外部影響較小的測量數據進(jìn)行逐個(gè)比對，分析統計指標。由于SL測流斷面水體紊動(dòng)較大，因此對SL所測數據進(jìn)行了平滑處理。表2所示為其中一次典型過(guò)程的比對情況。

表2 2010－01－25所測流量過(guò)程比對成果表

對選取的5次典型過(guò)程進(jìn)行統計，成果見(jiàn)表3。

表3 各典型過(guò)程的統計指標匯總表

3.2 相關(guān)性分析

此次比測期間配水流量跨度約20m³/s左右，為數據的相關(guān)性比對提供了可能。通過(guò)以上對典型過(guò)程的比對，我們選取5個(gè)典型過(guò)程中數據擬和較好的時(shí)段，計算期間30min時(shí)段均流量進(jìn)行相關(guān)性分析，得到回歸方程如（3）式所示：

Q_SL＝1.0844Q_超聲波-1.6146     （3）

回歸分析圖見(jiàn)圖1。由圖1可知相關(guān)系數R達到了0.99以上，相關(guān)性極好。

圖1 SL與超聲波流速儀所測時(shí)段均流量回歸分析圖

3.3 誤差與精度分析

三堡配水通道主要配水流量段為15.0～35.0m³/s，使用相關(guān)性分析所得出的回歸方程，通過(guò)給定流量，計算期望流量。由計算可知，主要配水流量段的給定流量與計算所得期望流量之間的相對離差除少部分略大于3.5%外，其余均控制在-2.5%～3.5%內，各流量節點(diǎn)誤差值較小。對于系統誤差的計算，我們使用進(jìn)行相關(guān)性分析的時(shí)段均流量進(jìn)行對比計算，得出SL測量的均流量為23.5m³/s，超聲波流量計測量的均流量為23.1m³/s，系統誤差為1.4%。通過(guò)對5次典型比測過(guò)程的分析，我們發(fā)現除一次（此次隨機不確定度為14.66%）隨機不確定度略大于14%（二類(lèi)精度流量站要求上限）外，其余四次均小于14%，且5次平均數為12.61%。符合SL247－1999《水文資料整編規范》3.3.3條要求：二類(lèi)精度站隨機不確定度小于14%，系統誤差小于±2%。

4 結語(yǔ)

本次實(shí)驗研究與數據成果分析表明：引進(jìn)的申瑞牌GER9000型超聲波流量計在三堡配水流量的測驗中表現穩定，測流時(shí)間短、誤差小、受干擾程度低，幾乎無(wú)缺測的情況。該儀器與經(jīng)率定的SL測流成果非常接近且精度高，在引配水流量測驗中適應性好，能夠滿(mǎn)足引配水調度工作的需要。我們相信，隨著(zhù)科技的進(jìn)步和新測流技術(shù)標準的出臺，超聲波流量計能夠在水文測驗中廣泛應用，充分發(fā)揮其“快速、準確、及時(shí)、安全”的優(yōu)點(diǎn)，為今后水資源管理、防汛抗旱、合理開(kāi)發(fā)利用水資源和保護水環(huán)境發(fā)揮重要作用。