明渠时差法流量计流量计算方法分析研究

韩继伟　邵军

摘要：目前国内外对明渠时差法流量计流量计算方法研究较少，对时差法流量计流量计算方法进行系统完整的研究，从时差法测验原理、理论标定系数[WTB1X]k1的计算方法、水道断面面积的计算方法、现场标定系数k2的计算方法，详细阐述了明渠时差法流量计流量计算方法，提出了线性插值计算理论标定系数k1的方法。以南水北调输水断面运河站为例采用线性插值计算理论标定系数k1的方[WTBZ]法，进行时差法流量计流量计算，计算结果与流速仪法对比显示两者一致性较好，误差可控。进而为工程技术人员提供参考；为国产化时差测流装置提供重要技术支撑；为我国重点通航河道和低流速实时在线流量监测提供技术保障。

关键词：时差法流量計；流量计算方法；理论标定系数；现场标定系数

中图分类号：TV13文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）02019606

Abstract：

At present there is few research on the ultrasonic flow meter method for flow calculation.This paper presents a systematic study on this method.It elaborates on the ultrasonic flow meter method for flow calculation in terms of the principle of ultrasonic test，the calculation method for theoretical calibration coefficient [WTB1X]k1[WTBZ]，the calculation method for channel crosssection area， and the calculation method for field calibration coefficient [WTB1X]k2[WTBZ].It puts forward the linear interpolation method for calculating theoretical calibration coefficient [WTB1X]k1[WTBZ].Taking the Yunhe station of the SouthtoNorth Water Transfer Project as a case study， we used linear interpolation to calculate the theoretical calibration coefficient [WTB1X]k1[WTBZ]，and calculated the flow by the ultrasonic flowmeter method.The calculation results were compared with the results of the current meter method.The comparison showed good consistency and controllable error.This study can provide a reference for engineering and technical personnel，provide important technical support to the localization of ultrasonic measurement devices，and provide technical support to the realtime online flow monitoring of key navigable channels and low velocity in China.

Key words：

ultrasonic flow meter； flow calculation method； theoretical calibration coefficient； field calibration coefficient

近年来，河流流量在线测验成为水文工作者研究的热点，目前有接触式的有水平固定式ADCP、时差法、二线能坡法；非接触式有雷达测流、激光粒子图像测流等[1，3]。非接触主要是测量表面流速，影响因素较多，主要应用于高洪流量测验，精度稍差；接触式测量的水层流速或垂线流速，影响因素较少，主要应用于常规流速测量以及水资源计量测量，南水北调不少输水断面就是采用接触式时差法在线流量测量系统，也称为明渠时差法在线测量系统或者超声波时差法在线流量测量系统。明渠时差法测流的优点是能够测得全断面的瞬时流速、流量及其连续变化过程，并且可以数字或过程线的形式显示；原理简单，人工内外业工作量少；无需过河设备，操作安全，劳动强度低，还适用于受回水顶托、冰凌、潮汐和受水工建筑物影响的河段的测流；测速范围大，有测低速和高速的能力；便于遥测，为迅速提供江河水情、及时做出洪水预报为防洪抢险指挥创造了有利条件[46 ]。因此明渠时差法是一种江河自动化测流最有前途的方法[7]。明渠时差法流量计测验计算方法关系到流量测验精度；关系到水资源计量的准确性；关系到水生态水安全的治理；关系到水环境质量；关系到人们的生产生活。继而明渠时差法流量测验计算方法最值得水文学者关注研究。本文从关注其测验原理开始。

1时差流量测验原理

时差法测速布置如图1所示。在河流两岸边A、B两点水下某深度处，相对地装置一对电声可逆的换能器，其间距为L，该层水流平均流速为[WTB1X]v[WTBX]，水流方向与AB的夹角为θ，水流在AB方向的分速度为[WTB1X]v1[WTBX]，超声波在静水中传播速度为c[WTBZ]。

2時差法流量计算

时差法流量计流量计算采用流速面积法，分为单声路系统和多声路系统。两种系统均是采用断面平均流速与断面面积相乘计算，多声路系统流量计算相对简单，具体可参考国际标准ISO 6416。本文主要研究单声路系统流量计算，[JP2]依据传感器测量水层平均流速[WTB1X]v[WTBX]和由测量水位Z计算过水断面面积A以及理论流速标定系数 [WTB1X]k1[WTBZ]计算平底明[JP]渠断面流量，参见ISO 6416；非平底明渠流量Q按式（3）计算。

Q=[WTB1X]k1k2v[WTBX]A[JY]（3）

式中：Q表示时差法计算流量（m3/s）；[WTB1X]k1[WTBX]表示理论流速计算的标定系数；[WTB1X]k2为现场安装造成的标定系数； v[WTBZ]为时差法传感器实测水层平均流速（m/s）；A表示过水断面面积（m2）。

[BT3][STHZ]2.1[STBZ][WTB1X]k1[WTBZ]的确定

[JP2]依据ISO 6416：2004（E）的测量规范[4]，许多宽阔的天然河流，流速分布与水位有一定的关系[1520]。理论流速计算的标定系数 [WTB1X]k1[WTBZ]对于不同的安装水深有不同的数值。这些值是在规则梯形渠道上，其断面形态见图2；平均水深在1939 m到2201 m范围内，深度为0149 m到[JP]1613 m之间的确定的7条单独的超声波线速度的野外观测结果。每条单独的超声波线速度做了15组实验，经统计分析得各个相对位置的流量理论标定系数[WTB1X]k1值，详见表1。以换能器相对位置为横坐标，理论标定系数 k1为纵坐标，绘制换能器相对位置与 k1的[WTBZ]关系见图3。

2.2水道断面面积的计算

由测量的断面数据起点距DQDJ（i）和河底高程HHD（i），以及垂线号i=1，2，3，…，n；目前时差法是采用水位面积曲线来查算水道断面面积的，或者将水位面积曲线建立回归模型进而计算水道断面面积。这两种计算方法和实际的过水断面面积有一定的计算误差，为减小这种误差这里提出采用实时水位计算相应的水道断面面积的方法。

（1）测深垂线的确定。

测深垂线的选择（布设）要满足水道断面形状的要求，布设宜均匀，并能控制河床的转折点，使部分水道断面面积无大割补情况。依据实测水位从测量的断面数据中选取起点距DQDJ（j）和河底高程HHD（j），j=1，2，3，…，l。

（2）间距的计算。

3.3时差法流量的计算结果分析

水位从2293 m到2415 m变幅122 m；时差法流量177～1 318 m3/s；对应流速仪流量174～1 130 m3/s。相对误差17%～187%，所有值都在20%以内，最小值仅17%；时差法流量计测的最小流量是177 m3/s，流速仪测得的最小流量是174 m3/s，两者相差3 m3/s，相对误差17%；时差法流量计测的最大流量是1 311 m3/s，流速仪测得的最大流量是1 130 m3/s，两者相差181 m3/s，相对误差1603%；水位2415 m时，相对误差最大1874%。

综上所述，单声路时差法测流系统不适合水位变幅较大的河流，高洪测验误差稍大。

运河站水位大于2422 m时是复式断面[21]，漫滩面积较大，时差法测验误差稍微大。计算时[WTB1X]k2实际比测仅4次，也就是4个控制点，15测次的k2是[WTBZ]采用4个控制点计算出来的；随着比测次数增加时差法测验精度会逐渐降低，也就是说，通过增加比测次数，可以降低测验误差。总体看来，时差法和流速仪法一致性较好，精度可控。

4结论

（1）采用线性插值计算理论标定系数[WTB1X]k1[WTBZ]的时差法流量计能满足一般河流流量测验要求，其与流速仪法一致性较好，精度可控。

（2）时差法测流在复式断面上尚可使用精度稍差，单式断面使用效果更佳。

（3）通过增加现场比测可以提高复式断面的测验精度，但复式断面单声路时差法流量计流量计算方法有待于进一步研究。因此本文的方法有一定的适用条件，水位变幅不太大的非平底且无复式断面的明渠应用效果较好。

（4）以上研究成果可为工程技术人员提供参考；为国产化时差测流装置提供重要的技术支撑，进而为我国的重点通航河道和低流速的实时在线流量监测提供技术保障。

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