设为主页 加入收藏 繁體中文

几种常见的河道断面流量测量仪表与装置

首先我们先了解一些有关河流的基本知识


水文:指自然界中水的变化、运动等各种现象。是研究自然界的时空分布、变化规律的一门学科。“文”作自然界的现象讲,如“天文”。属于一门边缘学科。


据《人民日报》2020年1月23日报道:我国水文监测站已从新中国的353处发展到12.1万处,站网总体密度达到了中等发达国家水平。在防汛抗旱减灾、水资源管理和生态保护上发挥作用。


常见的水文站有:大中型水库、小一型以上水库、水文站、水位站、雨量站、水质站几个分类。


河流:降水或由地下涌出地表的水,汇集在地面低洼处,在重力作用下经常地或周期地沿流水本身造成的洼地流动。
水系:河流沿途接纳众多支流,形成的复杂的干支流网络系统。


水情要素:
1:水位,河流中某一标准基面或测站基面上的水面高度。
2:流速,单位 m/s,定义:水质点单位时间内通过的距离。
3:流量,单位m3/s,定义:在单位时间内通过河道过水断面的总水量。
4:水温与冰情,影响水温的因素:河流补给特征(冰川、雨、雪、湖泊),时间(季节),流程远近及流向,


河流中流速分布情况:河底与河岸附近流速最小,流速从水底向水面和岸边向主流线递增。绝对最大流速出现在水深的1/10-3/10处(河道主流线接近水面处),弯曲河道的最大流速接近凹岸处。
流速在垂线上的分布多呈抛物线形状。
河流平均流速:通常出现在水深的6/10处(河道主流线中部偏下)。


天然河道中垂线上的流速分布特征:

除了上面最大流速点、最小流速点、平均流速点外,
1:当河底有地形起伏变化或河面结冰时,垂线上的流速分布则会出现明显的变化
2:水面结冰时,河水最大流速的出现会下移到一定深度,
3:河底地形变化时,在深槽处最大流速的出现距水面较近,浅滩处最大流速则出现距水底较近。


流量的测定方法:流速面积法。
用流速仪测定水流速度,并由流速与断面面积的乘积来推求流量的方法。


目前国内主要断面流量测量方式:
1:缆道测流
2:声学多普勒流速ADV和声学多普勒剖面分析仪ADCP
3:传统超声波时差法
4:水工建筑(涵闸)推算流量
5:水位比降法推算流量
6:雷达表面波流速测量推算流量
7:新型无线超声波时差法(多层多声道)

具体测量方式:
1:缆道测流



20200713A.jpg


缆道测流是适合我国国情的一种测流方式,经 50多年发展,技术设备较为成熟,其中全自动缆道测流系统测流精度可达到95~98%。该方法由人工一次性启动缆道测流装置后,可自动测量全断面测点流速和垂线水深,并自动计算出断面面积和流量。由于缆道测流的测量精度较高,且不需要进行率定,在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测量,实现对主要测流断面的流量控制。


2:声学多普勒流速ADV和声学多普勒剖面分析仪ADCP



20200713B.jpg


声学多普勒流速测流是利用声学多普勒原理进行研制的,是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备,自1981 年在美国诞生以来,随着技术不断进步和日益完善,已从海洋测量逐步应用于河流流量测量,测量精度也得到很大的提高。从最初的盲区1 m 以上,降低到所谓的“零盲区”,剖面单元缩小到目前的0.05~0.25m ,使其在宽浅河流上的应用成为可能。


3:传统超声波时差法



20200713C.jpg


超声波时差法测量流速国内外均有定型产品用于管道和渠道,但国内没有定型生产用于天然河流的产品。本方法能方便地解决断面不同水层的平均流速测量,充分利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体后,可构建实时在线的流量测量系统,该方法适用于断面较稳定,
有一定水深的河道,还需要借用断面面积参数(另用人工方法测量)和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后,才能正常启用,其建站总投资大于缆道测流站。
超声波时差法自动测流站工作原理为在测量断面上设置单层或多层超声波换能器斜交叉布置在河两岸,超声波换能器由二次仪表控制,从河道的一岸顺流发射超声波,另一岸接收,然后再反向进行工作,根据顺、逆流传输测到的时间差计算出相应水层的平均流速,另外一换能器向上发射超声波,遇到水面时反射再由同一换能器接收回波,根据时间差测出水深(也可选用压力水位计测量出水深)。如果是规则断面则通过水位算出断面面积,通过流速积分和人工标定的流量系数可计算出流量,其流量精度可达5%以内。若为不规则断面则必须根据数据建立数学模型,根据测量数据计算流量或通过人为标定流量系数计算流量。
该仪器的最大特点是在线连续测量,缺点是在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用。另外,由于换能器是安装在河的两岸,二次仪表只能放在某一岸,而另一岸的换能器信号线则必须从河底或高架过河。如果从河底过施工难度较大,无疑增加了工程量和投资。再则超声波时差法测流,易受行船影响,致使测流精度降低。


4:水工建筑(涵闸)推算流量



20200713d.jpg


关系曲线求出对应的过水流量。其优点是只要准确地测量出上下游水位及闸门开度,即可换算出过流量,但不足之处是需人工进行标定,确定经验公式的相关系数。

由于受水工建筑物的结构、闸门形状和下游出水口的流态等多种因素影响,流量系数不易准确确定,需要通过人工测量来确定流量关系曲线,测量精度不高。


5:水位比降法推算流量


20200713e.jpg


通过测量河流上一段距离的上下游水位及水面坡度,设定的河流的糙率系数,根据曼宁经验公式推算流量。当测流河道的水流不是自由流,水位受上下游水工建筑物的影响较大时就无法推算流量。另外,此方法精度不高,在比降不大的河段更是不准确。
核心原理与超声波明渠流量计:巴氏槽类同。


6:雷达表面波流速测量推算流量



20200713g.jpg


雷达流速仪流速测量基于多普勒效应,探头斜向下发出一束雷达波,雷达波在照射到水体表面反射,由于多普勒效应,发出去和雷达波和接收到的雷达波会产生多普勒频移, 多普勒频移正比于流速。通过测量多普勒频移即可测量出流体的流速。
表面流速与断面平均流速换算,一直为行业难题,有国内公司宣称:通过实验分析与校正,获取不同断面的表面流速与断面平均流速的水利数学模型。从而换算出平均流速。具体实际情况如何?不得而知。


7:新型无线超声波时差法(多层多声道)



20200713f.jpg


与前文第三项的传统时差法超声波相比不同的。不使用单一仪表主机,而是主机、从机双机共同工作。
因此两岸设备并不存在连接问题,主、从机通过澳泰专用的宽带数据,进行数据交换。
优点:实时测量,设备简单,投资小
缺点:易受船只影响(通过回波判断可以解决短时间阻断的影响,但长期阻断则无法解决)。
随时技术的快速发展,这一产品的所需的各项应用技术一一完成突破,使得这一测量方式得以实现。
产品通过安装在河道两岸的工作站的两套设备交互工作来实现测量。通常呈与河流方向45度角的安装方位,双机交替发射调制的超声波信号,根据双机接收到对方信号所需时间的差值来确定河道流速。这一测量原理,决定了计算出来的流速信号为两机站声呐换能器间的平均流速。
远距离高速数据链:新型网桥的应用,让通信距离拓展到5公里,5.8G的工作频率,主、从机的数据无错通信容量达到了每5秒(测量值刷新一次的周期)38K。这一技术不依赖公用通信4G\5G机站,让装置独立运行,无通信费用。
高精度授时与定位:通过北斗/GPRS/格洛纳斯三模高精度授时,让主、从机同步精度控制在20纳秒以下,满足时差法测量同步要求。
声呐换能器:安装了1对88KHZ换能器,1对为高灵敏度的阵列换能器。
全新的声音解析算法:调制了特别信息音频信号,让收发识别准确率大幅提高。减少了驻波、多途、环境噪音的干扰。
双向流量测量:装置支持双向流量测量,也可以通过设置禁止这一功能。
(小流量、微流量、负流量(潮汐倒灌))
内置物联网模块,支持4G/GPRS通信,内置全网通插槽,4G的LET UE-CAT.1模组的应用,极为方便地将数据上传到澳泰云平台或者第三方云平台。
主、从机采用12VDC供电,可以支持太阳能供电系统,支持外挂设备:超声波水位计等(用来将流速值转换流量值)。
7寸大屏彩色液晶显示器的应用,让波形图、菜单具有更佳的人机交互体验。


20200715A.jpg


水文站内的27寸LED点阵屏,通过GPRS、4G无线信号,从澳泰云平台获取相关数据,实时显示在大厅上。对水文信息了如指掌。


【部分摘自:《自然地理学》.海洋和陆地水】

 


在线客服

商务在线
点击这里给我发消息
支持在线
点击这里给我发消息
李毅吧动态第138期/被同学拉到没人的地方摸下面/黄色网站网址/free from voice在线