吴景峰，刘 峰

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

面对水文监测数据的时效性、准确性要求越来越高的严峻形势，不断提高自动化监测水平是解决问题的有效途径。2021年全国水文工作会议提出“推进水文监测自动化，全面提升水文支撑能力”的战略，《河湖生态流量监测预警技术指南（试行）》文件要求“完善生态流量管控断面的水文监测设施设备，提升自动化水平”。河流流量在线监测主要方式有超声波多普勒法、超声波时差法、电波法、水力学法[1]。水平式声学多普勒剖面流速仪（H-ADCP）可检测水层单元流速分布，但一般采用局部代表流速分布数据参与断面流量计算；V-ADCP 可监测垂线单元流速分布，但易受断面淤积影响；电波法为非接触式水面流速测量方法，易受恶劣天气和测量角度影响；水力学法对水工建筑物的建设标准要求较高，且造价昂贵。平原河道水流速度小，南水北调及引黄输水断面主要是为了监测水资源量，收取水费，应尽可能采用高精度在线流量测量系统监测。随着电子信息技术的飞跃发展，超高频元器件、信号鉴别电路及滤波技术的不断更新，使用超声波原理测量河道、渠道流量变得越发可行[2]。目前，我国水文站安装使用的超声波时差法流量监测系统（以下简称监测系统）多为国外设备[3-6]，国产监测系统的应用鲜有报道。鉴于此，使用我国自主研发的监测系统，在华北平原引水渠道的衡水市东油故站开展应用试验和研究，验证监测系统性能及流量测验精度。

1 超声波时差法测流工作原理

超声波时差法利用超声波在水流中的传播特性，用 1 组或多组超声波换能器测量同水层平均流速，采用水位计测量水深，根据测量的各层流速和水深自动计算流量。

1.1 流速测量原理

超声波在顺流渠道中的传播速度比在逆流渠道中传播速度快。通过超声波换能器测得固定距离情况下顺、逆流方向的传输时间，用 2 个方向上传播时间差求解测线平均流速，这种方法称为时差法。根据换能器的频率，测量河宽可为 0.5～2 000.0 m，测流误差不应超过 ± 5%。在河道两岸安装超声波换能器 A 和 B，时差法测量流速工作原理[7]如图 1 所示。

图1 时差法测量流速工作原理概要图与示意图

换能器 A 和 B 之间的超声波传播时间分别为

式中：t1，t2分别为超声波信号由换能器 A 到 B 及 B 到 A 的传播时间；L为换能器 A 和 B 之间的距离；c为超声波在水中传播的速度；v为河道某水层平均流速；θ为声波路经与水流流向夹角。

由式（1）和（2）解得河道某水层平均流速为

流速计算与水中声速无关，只与传播时间及流向和路径之间的角度有关。

1.2 流量计算方法

渠道流量等于流速与断面面积之积。人工渠道主要有梯形和矩形 2 类断面，较大的渠道一般采用梯形断面，矩形断面的渠道往往尺寸较小。由于 2 个换能器测量的是一个水层的平均流速，而整个断面表面和底部的流速差别较大，因此，多层声道方式优于单声道方式，一般要测 3～4 个水层流速，这样能较好地覆盖从底部到水面各个深度水层流速，提高测流准确性，也不会因为传感器数量过多而导致造价飙升。明渠过水断面示意图如图 2 所示。

图2 明渠过水断面示意图

由于明渠底部起伏不平，将边坡上低于换能器1A-1B 且坡度改变处的高程定为Z0，测量并计算Z0以下不规则断面面积S0，则明渠过水横断面面积S为

采用多元线性回归分析法，计算过水断面平均流速v，公式为

由断面面积和平均流速计算的流量公式为

由式（4）～（6）得明渠时差法流量多元线性回归模型为

式中：Z为水面高程，即水位；b0为Z0处渠道宽度；m为边坡系数；vi为换能器所在水层上测定的水流速度；Q为断面流量；Qi为相应水层测定的流速与面积之积；ki为回归系数；C1和C为回归常数。

渠道中的水面高度采用自记式水位计测量，由式（4）计算出断面面积，每一水层流速指的是换能器之间水层的平均流速。用实测流量与各层流速计算的流量建立相关关系，求得渠道流量。SL 195—2015《水文巡测规范》规定，声学时差法与实测流量建立相关关系时，实测流量可用转子式流速仪法或走航式 ADCP 测量[8]14。走航式 ADCP 仪器检定的测量不确定度和流量测验精度要优于流速仪[9]，已被广泛应用于基本水文站和引水工程水量监测站，监测成果整编入《水文年鉴》[10]；由于 M9 走航式声学多普勒剖面流速仪（以下简称 M9）精确度高于 LS68 型转子式流速仪[11]，且具有全天候、高精度、高效率、自动化的诸多优点，故采用 M9 开展比测试验。

2 监测系统工作流程和功能

2.1 监测系统工作流程

监测系统主要由超声波换能器、自记水位计、流速信号处理器、流量在线监测控制器（以下简称控制器）、通信模块、电源系统、避雷设施等组成，采用太阳能直流供电，平均功耗只有 2.5 W，适用于野外工作。监测系统工作流程如下：1）控制器先发指令给自记水位计，令其采集水位数据，计算河道断面面积，并由水位值获知有几对换能器被水淹没，淹没深度至少 30 cm 才可以测量，未被淹没或者淹没深度不够的换能器不参与工作；2）流速信号处理器接收到控制器发来的测速指令后，换能器驱动发送信号并开始计时，信号切换给相应的分层换能器（A 或 B），对岸的分层换能器（B 或 A）信号经放大滤波后由处理器接收，计时终止，根据式（3）计算水层流速；3）每测完一层流速后立即将该层的流速数据发给控制器，测完所有分层的流速数据后，控制器根据时差法多元线性回归模型，将采集到的水位和流速数据进行统一的分析计算得到流量；4）最后通过数据传输单元（DTU）将所有测量数据，包括水位、各层流速和总流量发送至云平台数据中心服务器。监测系统工作流程如图 3 所示。

图3 监测系统工作流程图

设置监测系统每 10 min（可根据需求自行设定）监测 1 次流量，1 个流程大约需要 6 min，也就是每小时的每个 10 min 的前 6 min 是工作时间。

2.2 监测系统功能

监测系统可实现以下功能：能适应当地水流特性及温度、湿度、气压等环境因素，能够抗干扰，防雷电；能对河道水位、断面流速等进行 24 h 连续在线监测；能根据采集的水位、流速实时计算流量；监测数据能长期可靠存储；具备数据远传功能，可将实时水位、流速、流量通过公共通信网络传输到接收中心；可人工修订大断面数据和流量模型回归系数；安装视频监控装置可辅助远程管理，实现无人值守，有人看管的运行方式。监测系统技术指标如表 1 所示。

表1 监测系统技术指标

3 监测系统应用

3.1 测站基本概况介绍

东油故水文站属于引黄输水专用站，是清凉江入卫千渠的分水口控制站，向衡水湖补充生态用水。测验断面上游 150 m 处为入卫千渠控制闸，测验河段顺直，没有水量进出。测验断面呈梯形，河床两岸为混凝土护坡，水流状态稳定，符合时差法设备对测验河段的技术要求。

测验断面渠宽为 29.5 m，渠深为 3.9 m。在渠道的两侧岸壁上均匀安装 3 对超声波换能器，利用激光笔调整每对换能器的发射接收面，使之处于同一深度的一条水平直线上。从河底向岸边方向，3 对换能器安装高程依次为 22.17，23.04 ，23.88 m，断面布设如图 4 所示。根据现场情况，供电信号线路采用随上游水文测桥架空方式，安全可靠。所有换能器通过双层屏蔽电缆连接到渠道旁立杆上的设备箱中，采用太阳能电池板+蓄电池的方式供电。设备主机配备信号防雷保护器，接地电阻小于 1 Ω。

图4 断面布设图

安装换能器时，安装位置应干净、开阔、无遮挡，以利于超声波信号的传播。每对换能器的连接线与水流方向控制在 30～60° 内，以使测量效果最佳。角度过小，造成 2 个传感器之间距离过远，声信号在传播中的衰减增大，影响测量精度，还可能引起河床或水面产生反射信号，特别是河水存在垂直温度梯度时更是如此；角度过大，水流在测线上的投影分量过小，也不利于测量。尽管超声波在水中可能存在折射等问题，但渠道的宽度通常在数米到数十米量级，这样的距离上，折射是可以忽略的。

3.2 参数率定分析

在流量监测前，需要测绘换能器安装的上、下渠道断面及中断面。因河渠底部不平坦，取Z0为 21.5 m，计算常数S0。根据式（4），得到中断面面积计算公式为

式中：h为水深，即Z-Z0。

2020年12月29日—2021年1月26日东油故站引黄输水期间，采用 M9 监测流量为实测流量，与监测系统计算得到的时差法流量进行比测分析。M9 流量采集过程按相关规程进行，在水位与流速变化不大情况下，人工拖动 M9 三体船至少 2 个测回，再对采集的有效流量数据进行平均，得到时段平均流量。比测期间，率定测次为 36 次，水位变幅为 22.82～24.63 m，层流速变化范围为 0.29～0.77 m/s，实测流量变幅为 5.85～27.50 m3/s，包含高、中、低水位级。当仅使用某一层或几层流速配合时，利用各层流速计算的订正前后流量对比如图 5 所示。

图5 利用各层流速计算的订正前后流量对比

订正前的流量，指的是直接使用相应时段内的平均流速乘以断面面积得到的时差法流量；订正后的流量，指的是根据实测流量对订正前的流量数据进行订正得到的流量，也就是校核后的结果。可以看到，校核的效果是非常明显的，无论是哪一层数据，校核后的数据与实测流量结果均非常接近，说明单层也有很好的相关性。尤其是中间的第 2 层，即使不校核，本身就与实测流量很接近，校核后效果更加理想。为提高测量的准确性，根据式（7），在不同的水位级，采用淹没的换能器测量流速计算的流量与实测流量进行回归分析计算，求得回归系数[12]。

水位较低，只有第 1 层换能器被水淹没时的流量计算公式为

中等水位，第 1 和 2 层换能器被水淹没时的流量计算公式为

水位较高，3 层换能器均被水淹没时的流量计算公式为

按照式（9）～（11）计算出输水期间时差法流量，与同步实测流量进行对比分析，低、中、高3 种水位下相对误差分别为 2.2%，1.6%，1.1%。可见由 3 层换能器流速联合计算的流量最优，与实测流量对比的偏差也极小，为 0.06 m3/s，均方根误差为 0.29 m3/s，相关系数高达 0.998，通过置信水平α= 0.01 的显著性检验，说明两者线性关系非常密切。时差法流量与实测流量关系线如图 6 所示，散点数据均分布在 45° 对角线附近且十分接近，充分说明校核效果有良好的一致性。

图6 时差法流量与实测流量关系线

东油故站为调水水量计量站，属一类精度流量站。对东油故站率定的时差法流量与实测流量关系进行定线精度和合理性评定，并进行关系线符号、适线和偏离数值 3 种检验，定线精度和 3 种检验统计如表 2 所示。按照 SL/T 247—2020《水文资料整编规范》规定，一类精度水文站定线随机不确定度不应超过 10%，系统误差应在 ±2% 以内， 3 种检验的统计量允许值分别为 1.15，1.64，1.7[13]，而计算得到的随机不确定度为 3.12%，系统误差为 -0.03%，达到规范规定的精度要求，3 种检验的统计量分别为 0.17，-0.34，-0.1，均小于对应的允许值，说明通过 3 种检验。按照 SL 195—2015《水文巡测规范》规定，单次流量比测相对偏差应在 ±5% 以内[8]14，本次统计结果合格率为 100%。时差法流量经过率定及测流精度检验后，可在同等精度常规测流方法的使用范围内采用。

表2 定线精度及 3 种检验统计表

3.3 监测成果验证

3.3.1 流量成果对比分析

采用 2021年3月9日—4月3日引黄输水期间的监测流量进行验证，东油故站时差法流量与实测流量对比结果如图 7 所示。其中，单次流量比测中82% 的时差法流量与同步实测流量偏差在±3% 以内，最大偏差为 4.9%（＜ 5%），系统误差为 -0.55 m3/s，均方根误差为 0.38 m3/s，相关系数高达 0.997，满足流量规范的要求。从图 7 可以看出：2 种方法的时间序列曲线基本重合，峰谷对应，走势完全一致，无明显系统偏差，监测成果很理想。

图7 2021年3—4月时差法流量与实测流量对比

3.3.2 径流量成果对比分析

流量测验的基本原则是能准确推算出逐日平均流量和各项特征值。依据 SL/T 247—2020《水文资料整编规范》进行数据整编，将采集数据导入专用整编软件“水文资料整编系统 HDP5.0”，采用连流量过程线法定线推流，计算出逐日平均流量和径流量。时差法日均流量采用每日 72 测次流量整编，人工实测流量采用每日 2 次流量数据，依据水位变化绘制连实测流量过程线图，摘录流量录入软件整编。两者逐日平均流量 80% 的数据相对误差小于等于 ±5%，最大为 -6.7%。依据 SL 195—2015《水文巡测规范》规定，一类精度流量站一次洪水总量允许相对误差为 3%[8]7，时差法数据与实测数据整编出的径流量分别为 4 088 和 4 095 万 m3，两者偏差为 -7.78 万 m3，相对误差为 0.17%，符合规范要求。

4 结语

本研究在水量监测站开展了超声波时差法流量监测系统的应用试验。通过渠道断面形状结合水位值，拟合得到一个由水位推算实际过水断面面积的计算公式。根据水位和各层换能器的安装高程，对层流速计算断面平均流速进行了分段多元线性回归拟合，构建了精细化计算流量的多元线性回归模型，提高了测量范围和精度。

1 a 多的运行表明：该监测系统实现了明渠流量实时在线监测和数据远程传输，运行稳定可靠，测验精度高，为推广国产化系统在明渠流量监测中的应用提供了技术支撑，对推进水文测验现代化建设进程和提高水资源监控能力具有重要意义。今后在推广应用上，还须加强流量比测资料的收集和相关参数的适用性验证，在使用过程中不断细化参数。对于将监测系统应用于天然河道断面，采用无线超声波时差法技术等方面，还有待进一步研究。