胡跃华
(河北省水文勘测研究中心，石家庄 050031)
随着经济社会的发展，现有水文站网布局和功能已不能满足监测管理需求。但计算机技术的发展，实现了自动化监测方式，提高了水文监测效率。目前，超声波时差法流量计被广泛用于管道流量测量。。
近年来，许多专家学者对水流流量监测进行了研究。王杰等[1]基于数值仿真模拟，建立流量分析模型，结合监测数据，对该模型进行完善，并将其应用于实际工程中，结果表明该模型能显著提高流量监测的准确性。尚国秀等[2]基于室内试验，采用时差法，测定超声波流量计的水位及流速，以验证该方法的可行性与准确性，结果表明其准确性良好，误差在3%以内。杜晓泽等[3]开展室内试验，对影响流量系数的相关参数进行敏感性分析，研究不同参数对流量系数的影响程度，得出不同参数对流量系数的影响规律。徐文焯等[4]基于时差法，对气体的稳恒流场进行有限元模拟，并将其结果与实际监测数据对比，以验证理论分析的准确性，结果表明两者之间的差异较小，其差值小于5%。李志军等[5]基于小波降噪算法，设计了一种超声波流量计，并将其应用于实际工程中，结果表明该装置操作简便，且精度较高。
本文以华北平原为研究对象，建立时差法流量监测系统，对其流量进行自动化监测，分别测量在单声道和多声道下明渠流量的变化情况，并考虑不同流速下该监测系统的精度变化规律。
本研究以华北平原为研究对象，该地区水文站为引调水分水口控制站，向衡水湖补充生态用水，测验断面呈梯形，坡底比降为0.01%，最大流速为0.8 m/s，是典型的平原渠道站。
经过多年的站网建设，该地区的水文站网初步建成，基本能满足防洪抗旱管理需要。但随着经济社会的发展，现有水文站网布局和功能已不能满足监测管理需求。随着水文现代化水平的不断提高，自动化的测报方式大大提高了水文监测效率，同时减少了监测断面建设的复杂性，许多人迹罕至的地方亦可以无人值守不间断施测。本研究基于时差法，设计一种超声波明渠流量测量系统，对明渠的流量进行自动化监测。
试验装置主要由水泵、涡轮流量计、单片机系统和超声探头组成。通过水泵对水池的流速进行控制，当水流通过涡轮流量计时，对水流的相关参数进行测定，得出其流量；
再通过超声探头对水流流量进行测定，通过单片机系统进行分析，得出该水流的流量；
通过与涡轮流量计的流量数据进行对比，即可得出该测试装置的准确性。水流流速(v)的计算公式如下：
t=aMe+b+Δc
(1)
式中：t为渡越时间；
Me为采样顺序值；
a、b分别为相关系数；
Δc为温度补偿系数。
(2)
式中：C为水下声速；
θ为超声波发射方向与河岸的夹角；
L为河道宽度。
为消除测量过程中产生的误差，重复进行10次测量，得出温度为27.5℃下平均采样顺序值和对应的渡越时间，见表1。
表1 平均采样顺序值和对应的渡越时间
由表1可知，平均采样顺序值与渡越时间呈正相关关系，随平均采样顺序值的增大，渡越时间逐渐增大，且二者之间存在一定的线性相关关系。根据表1中的相关数据计算相关系数，将式(1)简化为：
t=0.739Me-134.51
(3)
断面流量Qs的计算公式如下：
(4)
式中：S1、S2为截面面积；
v1为声道流速；
vt为顶层流速；
ke为底层流速系数，取0.8。
3.1 单声道、多声道的流量监测
本研究分别测量在单声道和多声道下明渠流量的变化情况，并考虑不同流速下该监测系统的精度变化规律。根据式(4)计算得出单声道、多声道的流量监测数据见表2、表3。
表2 单声道流量监测数据
表3 多声道流量监测数据
由表2、表3可知，随声道流量档数增大，测量流量逐渐增大，且其增长趋势接近线性增长。在单声道流量监测中，除1档外，其余参考流量均小于单声道监测流量，且1档的单声道监测流量结果与参考流量差距最大，其值为0.132m3/h；
3档的单声道监测流量结果与参考流量的差距最小，其值为0.037m3/h。多声道监测的测量流量的变化趋势与单声道具有一致性，但其参考流量均大于多声道流量监测值。其中，4档多声道的流量监测结果与参考流量的差距最小，其值为0.007m3/h；
2档多声道流量监测值与参考流量的差距最大，其值为0.041m3/h。对比单声道流量监测结果可知，多声道流量监测结果均大于单声道流量监测结果，且多声道流量监测误差较小。在实际工程中，多声道流量监测的准确性较高，具有良好的可行性。
3.2 单、多声道监测绝对误差
为研究该监测系统的精度，引入流量绝对误差进行分析。该参数定义为监测流量与参考流量之差，分析不同流量及单、多声道对监测系统准确性的影响。1档流速下流量绝对误差见图1。
图1 1档流速下流量绝对误差
由图1可知，在1档流速下，单、多声道的流量绝对误差无明显的变化趋势，其波动较大，与测量次数之间无相关关系。其中，单声道测量的绝对误差波动范围较大，其误差主要集中于-0.6 ～0.6 m3/h，当测量次数为27次时，单声道测量的流量绝对误差的绝对值最大，其值为0.59 m3/h。多声道测量的绝对误差波动范围较小，其误差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，当测量次数为30次时，多声道测量的流量绝对误差的绝对值最小，其值为0.01 m3/h；
当测量次数为21次时，多声道测量的流量绝对误差的绝对值最大，其值为0.2 m3/h。相对于单声道测而言，多声道测量的误差较小，且测量结果的误差波动较为稳定，表明在1档流速下，多声道监测的准确性较高。
2档流速下，单、多声道的测量次数-流量绝对误差曲线见图2。由图2可知，流量绝对误差与测量次数无明显的相关关系，流量绝对误差的变化呈波动趋势。单声道测量的绝对误差波动范围较大，其误差主要集中于-0.5 ～0.8 m3/h，当测量次数为12次时，单声道测量的流量绝对误差的绝对值最大，其值为0.71 m3/h。多声道测量的绝对误差波动范围较小，其误差主要集中于-0.2 ～0.2 m3/h，当测量次数为1次时，多声道测量的流量绝对误差的绝对值最小，其值为0.01 m3/h。对比1档流速可知，单声道测量的流量绝对误差波动范围有增大趋势，而多声道测量的流量绝对误差波动范围与1档流速差距较小。相对于单声道测量而言，多声道测量的误差较小，且测量结果的误差波动较为稳定，表明在2档流速下，多声道监测的准确性较高。
图2 2档流速下流量绝对误差
3档流速下，单、多声道的测量次数-流量绝对误差曲线见图3。由图3可知，单声道测量的绝对误差波动范围较大，其误差主要集中于-1.5～1.25 m3/h，当测量次数为23次时，单声道测量的流量绝对误差的绝对值最大，其值为1.48 m3/h。多声道测量的绝对误差波动范围较小，其误差主要集中于-0.2～0.2 m3/h，当测量次数为29次时，多声道测量的流量绝对误差的绝对值最小，其值为0.02 m3/h。在3档流速下，单声道的流量绝对误差波动值逐渐增大，而多声道流量绝对误差与其它流速下的差距较小，说明不同流速对单声道测量准确性的影响较大，对多声道测量准确性的影响较小。相对于单声道测量而言，多声道测量的误差较小，且测量结果的误差波动较为稳定，表明在3档流速下，多声道监测的准确性较高。
图3 3档流速下流量绝对误差
4档流速下，单、多声道的测量次数-流量绝对误差曲线见图4。由图4可知，单声道测量的绝对误差波动范围较大，其误差主要集中于-1～0.7 m3/h，当测量次数为22次时，单声道测量的流量绝对误差的绝对值最大，其值为0.91 m3/h。多声道测量的绝对误差波动范围较小，其误差主要集中于-0.2～0.3 m3/h，当测量次数为2次时，多声道测量的流量绝对误差的绝对值最小，其值为0.01 m3/h。相对于3档流速下的流量绝对误差而言，4档流速下的单声道测量的流量绝对误差有减小趋势，多声道测量的流量绝对误差变化量较小，且多声道测量的误差较小，表明在4档流速下，多声道监测的准确性较高。
图4 4档流速下流量绝对误差
3.3 单、多声道监测相对误差
由上述分析可知，在不同流速下，多声道测量的误差较小，监测的准确性较高。为进一步反映单、多声道测量的准确性情况，引入流量相对误差进行分析，单声道测量的测量次数-流量相对误差见图5。由图5可知，单声道测量的流量相对误差波动范围在-0.4～0.3之间。其中，1档流速和3档流速下的流量相对误差波动较大，其平均流量相对误差分别为-0.051、0.048，当测量次数为26次时，单声道测量的流量相对误差的绝对值最大，其值为0.36；
2档流速和4档流速下的流量相对误差波动较小，其平均流量相对误差分别为-0.046、0.038。4档流速下，单声道测量的流量相对误差最小，表明在该流速下，流量测量的结果较为准确。
图5 流量相对误差随单声道测量次数曲线
图6为流量相对误差随多声道测量次数曲线。
图6 多声道测量次数-流量相对误差图
由图6可知，多声道测量的流量相对误差波动范围在-0.06～0.08之间。其中，1档流速和2档流速下的流量相对误差波动较大，其平均流量相对误差分别为0.032、-0.025；
3档流速和4档流速下的流量相对误差波动较小，其平均流量相对误差分别为0.019、0.015。4档流速下，多声道测量的流量相对误差最小，表明在该流速下，流量测量的结果较为准确。对比单声道测量误差可知，多声道测量误差较小，且在4档流速下有最小相对误差。在实际工程中，可采用4档流速下的多声道进行流量测量。
本文以华北平原为研究对象，建立时差法流量监测系统，对其流量进行自动化监测，分别测量在单声道和多声道下明渠流量的变化情况，并考虑不同流速下该监测系统的精度变化规律。结论如下：
1)多声道监测的测量流量变化趋势与单声道具有一致性，但是其参考流量均大于多声道流量监测值，且多声道流量监测的误差较小。
2)单、多声道的流量绝对误差无明显的变化趋势，其波动较大，与测量次数之间无相关关系。其中，单声道测量的绝对误差波动范围较大，多声道测量的绝对误差波动范围较小。
3)对比单声道测量误差可知，多声道测量误差较小，且在4档流速下有最小相对误差。在实际工程中，可采用4档流速下的多声道进行流量测量。
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