超声波流量计在引配水测验中的适应性研究

1 研究背景

1.1 工程概况

近几年来，杭州市的运河水质恶化程度趋于不利，为更大程度改善运河（杭州段）水质，杭州市从2006年开始建设三堡配水工程，总投资2451万元。增加的输水通道位于一线船闸东侧，总长935m，主要由进水明渠、进水闸门、砼管道、出水闸门、出水明渠及箱涵等组成。工程引水历时保证率80%时的上游水位为3.53m，下游按常水位1.36m考虑。钱塘江同时满足含沙率低于1kg/m³和含氯度小于0.25g/kg时的可引水时间为全年的64%，设计流量为25m³/s，最大引水流量35m³/s。通过工程的调度，达到多年平均从钱塘江引水入运河水量5亿m³，确保城区运河水系河网主要河道水体得到充分流动稀释，水质达到Ⅴ类水标准。

1.2 超声波流量计

2009年底，三堡船闸管理处在出水闸门下游渠道中安装了一套申瑞牌GER9000型超声波流量计。测流系统包括5声路流速换能器，1个超声波水位计和数据传输与显示系统。系统测量的最大渠宽可达100m，流量测量可精确到0.001m³/s。

超声波流量计换能器为压电晶体，压电晶体具有声能和电能相互转换的特性。利用此特性，仪器测量声波在两岸间的传播速度分别反映出声波在顺流与逆流中的传播时间，则可由式（1）求得水流流速，从而得到断面流量；超声波流量计的这种测流方法称为时差法测流。

    （1）

式中：υ—水流流速（m/s）；

L—换能器之间的距离（m）；

θ—声波路径和流向之间的夹角；

T₁、T₂—顺流和逆流时的传播时间（s、s）。

2 比对实验

2.1 比测仪器

在配水通道下游，有已安装使用近3年的岸式多普勒测流仪，并且测流成果符合测验要求。本次对新装超声波流量计与此岸式多普勒测流仪的测量数据进行比对，研究其在实测工作中的适应性。岸式多普勒测流仪设备型号为Argonaut－SL1.5（MHz），测量范围是±6m/s，分辨率为0.001m/s，测流精度为±1%。

2.2 闸门调度

闸门调度覆盖大、中、小各级流量，使得分析比对成果具有代表性。在比对时段中（2010年01月21日至26日），三堡外江水位逐日降低，闸门开度也逐日减小，此举是为增加比对时段内配水流量的覆盖范围。比对实验多选择在夜晚无船时段，以便提高实验可靠性。

2.3 数据取用

此次用于比对新装超声波流量计的岸式多普勒测流仪（以下称SL）安装在配水通道下游约1.0km处。SL测流断面过船量大、水流紊动极其剧烈。与此同时，在SL与配水通道口之间河段有三堡排灌站抽水口，工作时段为每日8∶00～20∶00。鉴于以上情况，为避免船闸过船和排灌站抽水影响，取用后半夜1∶00～4∶00之间数据进行比对。

3 成果分析

由于SL所测为断面的单层流速，因此，需事先对SL使用走航式多普勒测流仪（SonTek公司RiverCAT，以下简称RC）进行率定。此次RC走航断面位于SL测流断面下游约20m处，排除过船、仪器拖拽等影响，筛选出7组用于分析比对的数据，经回归计算，得出以下率定公式：

C＝-1.1263V_SL+1.1823     （2）

式中：C为流速比值（V_断面平均/V_SL）。

现对上述率定成果进行误差等统计指标计算，如表1所示。

表1 岸式多普勒测流仪（SL）率定成果表

注：实测点标准差：1.29%；随机不确定度：2.58%；系统误差：0.003%.

对照SL247-1999《水文资料整编规范》，使用SL率定成果推求断面实际流量，测验精度评定的各项统计指标远小于一类精度水文站要求的上限。因此，使用已得的率定公式，结合已测断面数据，可用SL所测流速与水位推求断面流量，实现对超声波流量计的高密度实时比对。

3.1 典型过程比对

SL与超声波流量计均可进行高密度的实时测量。本次实验过程中，我们把测量的间隔设置为5min，这样的采样密度可充分满足配水工作的要求。结合外江的水位的变化与5次对闸门的调度，选取每日1∶00～4∶00之间受外部影响较小的测量数据进行逐个比对，分析统计指标。由于SL测流断面水体紊动较大，因此对SL所测数据进行了平滑处理。表2所示为其中一次典型过程的比对情况。

表2 2010－01－25所测流量过程比对成果表

对选取的5次典型过程进行统计，成果见表3。

表3 各典型过程的统计指标汇总表

3.2 相关性分析

此次比测期间配水流量跨度约20m³/s左右，为数据的相关性比对提供了可能。通过以上对典型过程的比对，我们选取5个典型过程中数据拟和较好的时段，计算期间30min时段均流量进行相关性分析，得到回归方程如（3）式所示：

Q_SL＝1.0844Q_超声波-1.6146     （3）

回归分析图见图1。由图1可知相关系数R达到了0.99以上，相关性极好。

图1 SL与超声波流速仪所测时段均流量回归分析图

3.3 误差与精度分析

三堡配水通道主要配水流量段为15.0～35.0m³/s，使用相关性分析所得出的回归方程，通过给定流量，计算期望流量。由计算可知，主要配水流量段的给定流量与计算所得期望流量之间的相对离差除少部分略大于3.5%外，其余均控制在-2.5%～3.5%内，各流量节点误差值较小。对于系统误差的计算，我们使用进行相关性分析的时段均流量进行对比计算，得出SL测量的均流量为23.5m³/s，超声波流量计测量的均流量为23.1m³/s，系统误差为1.4%。通过对5次典型比测过程的分析，我们发现除一次（此次随机不确定度为14.66%）随机不确定度略大于14%（二类精度流量站要求上限）外，其余四次均小于14%，且5次平均数为12.61%。符合SL247－1999《水文资料整编规范》3.3.3条要求：二类精度站随机不确定度小于14%，系统误差小于±2%。

4 结语

本次实验研究与数据成果分析表明：引进的申瑞牌GER9000型超声波流量计在三堡配水流量的测验中表现稳定，测流时间短、误差小、受干扰程度低，几乎无缺测的情况。该仪器与经率定的SL测流成果非常接近且精度高，在引配水流量测验中适应性好，能够满足引配水调度工作的需要。我们相信，随着科技的进步和新测流技术标准的出台，超声波流量计能够在水文测验中广泛应用，充分发挥其“快速、准确、及时、安全”的优点，为今后水资源管理、防汛抗旱、合理开发利用水资源和保护水环境发挥重要作用。