摘要：声学时差法在线测流系统是当前先进的测流设备，为了实现设备在水文流量测验中的应用，本文以浏渭河流域中下游金牌站为例，简单介绍QUANTUM声学时差法流量设备工作原理，以及将声学时差法在线测流流量与走航式ADCP实测资料进行流量精度对比测试和对标定系数K2进行分析率定，结果表面声学时差法在线测流设备符合现行规范的测验精度。
关键词：声学时差法 在线测流 测流原理 k2率定
一 引言
流量在线监测，是指利用自动监测设备自动、实时地对河道瞬时流量进行监测和报送。常规河流流量测验方法为使用流速仪或者ADCP。而声学时差法在线测流是通过测量横跨断面的一个或几个水层的平均流速流向，利用这些水层平均流速和断面平均流速建立关系，求出断面平均流速，然后根据水位计算断面面积，从而得出流量。声学时差法流量计可以长时间连续的全自动测量，并且无需任何人力支持。除了连续测量提供数据外，所需的人工、时间也大大减少，此外，在水位流量关系不好的测流断面，借助超声波流量计系统可以进行连续测流。
随着科技的发展，声学在线测流设备在水文流量测验中的应用的逐渐增多，在线测流在很大程度上解决了测验中人力不足的问题，但测验精度和使用性能也一直是基层测验人员最关心的问题，本文将通过浏渭河流域上的金牌站点对QUANTUM声学时差法流量设备测流原理，及其精度进行测试和对标定系数K2进行了率定。
二 QUANTUM声学时差法流量计的技术原理
超声波时差法测流系统与水平声学多普勒剖面流速仪测流方法一样，都是测量断面上某个水层的部分流速，然后根据部分流速与断面平均流速的关系得到断面的平均流速，再根据水位数据得到断面面积，两值相乘得到断面流量。
2.1 技术原理
由于测流介质是流动状态的，存在介质波，超声波在该介质中单向来回传播过程中，声波与介质波之间存在波的衰减和叠加。在河流中，由于水流速度的存在，下游方向发射的声音的脉冲比向上游方向发射的脉冲更快。两者之间的行程时间的差为ΔT ，利用公式可计算出河流断面的平均流速V，并通过测流介质断面的剖面面积A，计算出流量Q。
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图1 ：声学时差法流量计测流原理
如图 1 所示，设河流某水层平均流速为V，
换能器1与换能器2连线与水流方向的夹角为α，两点间的距离为 L，
cw为超声波在静水中的传播速度。
则：
从换能器1到换能器2的历时为：
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从换能器2到换能器1的历时为：
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计算时差为Δt= t2-t1
计算时差为Δt=.png)
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由于V2 cos2(α)<< cw,舍弃V2 cos2(α)后，流速技术公式为：
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(公式1)
而流量公式为：
Q=k1*k2*V*A （公式2）
——公式2中：Q为流量、V为层流速、A为断面面积
K1为第一修正系数，可由ISO6414标准查读
K2为第二修正系数，通过比测率定获取。
实际使用中:A=f1（G) k1=f2（G) k2=f3（G) 。
其中：G为当前水位
2.2 系统构成
声学时差法测流系统由超声波时差法流速仪、水位计、数据采集设备（RTU）、通信设备、供电系统、机箱等组成。
根据河流情况，测流条件的不同，声学时差法流量设备可为单路径系统、交叉路径系统，响应器系统、多层测量系统。
单路径系统：当水流与河岸平行，则可以使用单路径系统，这种配置由两个传感器安装在同一个水平面上，且与水流方面成对角线，用于发送和接收信号，适用于河流流速和断面基本垂直的河段，是最基本的形式。
交叉路径系统：交叉路径系统是在两岸同一平面上设置两组四个交叉的传感器，用两个声道测出平均流速和主流方面，此方式能计算出水流与河岸之间的角度，所以适用于水流方向与岸边不完全平行，水流方向受河道弯曲、形状、深度影响的河段。
响应器系统：将响应器安装在河流一侧，位于与测量系统同侧的传感器对面
在响应器系统中，首先沿着传感器4和3确定的路径对着水流发送声信号，在最小延迟下，响应器对信号进行指引然后沿着传感器2和1 确定的路径对着水流发送，当信号沿着1—2和3—4确定的路径反方向传播时，对持续时间进行测量，因响应器方式不需要架设跨河信号电缆，所以适用于通航河流和较大河流。
多层声道测量系统：上述三种系统都可配置多层测量装置，此方式适用于水深较大的断面。
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图2：
三 QUANTUM声学时差法流量计在金牌站的应用
浏渭河发源于湘赣交界的大围山麓，又名浏阳河，北源为大溪河，南源为小溪河，两源在双浏阳河干流向西而流，流经浏阳市、长沙县全境，进入长沙城区，注入湘江。金牌站位于湖南省浏阳市镇头镇金牌村，位于浏渭河右岸，在浏渭河长沙县与浏阳市交界断面处，测验项目有水位、流量，集水面积3356K㎡。
3.1 金牌站设备主要技术参数：
测量方法： 时差法
系统配置： 单路径
测量范围： -10m/s~+10m/s
电源电压： 12-36 VDC
消耗功率： <1v（在待机模式下运作）
超声换能器：_
-测量频率：200千赫/最大;
-测量长度：1至10m;
-声束 ： 9度。
3.2 安装情况
金牌站时差法设备使用的是单路径系统（见图3、图4），根据换能器频率选择原则：一是物理原理，当水中声波波长（一个正弦波跨越的距离）与水中杂质直径相比，比值越大，其穿透能力越强（即反射越弱），10khz、28khz和200khz对应的波长分别是：148mm、52.8mm和7.4mm(水中声波以每秒1480米计算，1.2mhz的波长是1.2mm），因此，在多沙河流宜选择低频仪器；二是为提高测验进度宜选择高频，当超声脉冲打到接收换能器时，换能器有建立机械震动的过程，这个过程晚一个声波周期（一个正弦波占用的时间）其测量不确定度就要随之增加， 10khz、28khz和200khz对应的周期分别是： 0.1ms、0.035ms和0.005ms，因此，在满足河流泥沙适应性条件下宜尽量选择高频仪器，三是除考虑泥沙和精度外，选型时还有考虑河宽和造价，一般讲，低频更适合在较宽河流但造价更高。所以，当两换能器之间声道长度小于200m时，换能器使用频率为200千赫，声道长度为两换能器之间信号发射路线，与河宽B的关系为：
B=COSα *L
式中：换能器1与换能器2连线与水流方向的夹角为α，两点间的距离为 L
金牌站换能器安装角度为45度，安装处高程为36.78m；换能器的选择的频率为200千赫，该设备可测量的最小水深可达5cm，水体覆盖换能器探头即可实现超声波信号传输，实时测量流速、流量数据，有效测量范围基本也能保证低估水的流量测验，所以金牌站设备选择和仪器安装完全符合系统的安装和测验要求。
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图:3：换能器安装位置
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图4：金牌站设备安装平面图
3.3 运行比测
金牌站是2019年1月设立的防汛专用站，断面位置为浏渭河长沙县和浏阳市分界断面处，作为一个无人驻守站，实现流量的自动化测量，能节省不少的人力物力。金牌站使用的此套设备流量计算见公式2，对系统实际测出的断面流速理论值加以K1、 K2作为标定。K1根据ISO6416的测量规范对于不同的安装水深有不同的数值（相关取值见表1）。对河道弯折，水面有风、河道内有排水口取水口等因素影响流量精度的K1系数标定无法测出实际平均流速的影响，可利用K2系数参数的标定解决。为保证自动测量流量的精度，采用走航式ADCP测量的流量对k2进行分析率定。
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表1：k1取值表
注：z/h为相对水深。
3.4 QUANTUM声学时差法流量系数率定
3.4.1 比测情况
在2019年3月、7月，在金牌站采用DQUANTUM声学时差法在线测流系统和走航式声学多普勒流速仪进行了25次流量比测；在比测期间，实测最大流量1260m3/s，相应水位41.53m；实测最小流量97.1 m3/s，相应水位37.66m; 测量水位范围在37.66m~41.53m，水位变幅3.87m
3.4.2 声学时差法流量系数k2分析
1）声学时差法测流数据每5分钟自动更新，比测人员采用ADCP根据水位级匀布置测点，将ADCP测量时间范围的时差法流量算术平均值与ADCP所测流量进行对比率定，并进行直线拟合，求出时差法流量第二率定系数K2。
2） 相关系数分析
通过采用ADCP实测流量与声学时差法所测流量进行直线拟合，综合相关系数R=1.00，时差法流量第二率定系数K2为1.14（关系图见图5）。
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图5：金牌站时差法在线流量与ADCP实测流量关系图
4）关系线检验
通过3种检验分析，从分析成果可见，由声学时差法流量*k2与ADCP实测流量作检验，三种检验均在直线关系的允许误差之内，标准差为5.6%,系统误差为0.1%，满足测验精度要求，检验成果符合规范要求。
四 结语
目前，流量测验以流速仪和ADCP为主，高洪水时使用电波流速仪，这些仪器设备都需要人员现场操作。声学时差法是集测流、计算、存储、传输为一体的自动化的测流设备，可以实现无人实时测流，极大的提高流量测验的连续性和实效性，适合在无人驻守和水位流量关系复杂、测验工作量大的河流站点使用。通过金牌站对声学时差法在线测流设备的比测分析，该设备符合现行规范的测验精度，能应用在实际工作中，但根据测验河段条件的不同，应选用不同的设备型号及安装方式。
参考文献：
[1]嘉禾环科 超声波无线时差法流量测验技术
[2]姚永熙，陆燕 声学时差法流量计在明渠流量测验中的应用，水利水文自动化，2006，1期
[3] 河流流量测验规范GB 50179-2015
论文作者:吴尚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：流量论文; 时差论文; 声学论文; 流速论文; 断面论文; 在线论文; 测验论文; 《基层建设》2019年第27期论文;