摘要：論述了超聲波流量計在張掖市甘州區(qū)西浚灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造量測水設(shè)施建設(shè)項目當(dāng)中的應(yīng)用，利用超聲波原理對地表水明渠水量進(jìn)行分層測流，精確計量明渠的實(shí)時過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，運(yùn)行情況良好，具有推廣價值。

　　1工程概況

　　張掖市甘州區(qū)西浚灌區(qū)地處河西走廊中部的黑河中游左岸，甘州區(qū)西端，距城區(qū)37km。灌區(qū)東北以黑河為界，西南與肅南縣相連，西北和臨澤縣接壤，南北長約60km，東西寬約25km，總土地面積98.79萬畝。灌區(qū)內(nèi)綠洲與戈壁相間，地勢由東南向西北方向傾斜，海拔1453～1700m之間，屬祁連山前沖洪積平原區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)有干、支渠47條，其中在大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目建設(shè)中修建無喉段量水槽8處，其余均為標(biāo)準(zhǔn)斷面測水。

　　2項目區(qū)地表水計量現(xiàn)狀及存在的問題分析

　　1）目前灌區(qū)干、支渠量測水方式均采用標(biāo)準(zhǔn)斷面量水，利用現(xiàn)狀渠道的標(biāo)準(zhǔn)斷面，設(shè)置水尺，采取人工多次讀取數(shù)據(jù)的方式，率定測流斷面的水位流量關(guān)系，以此來測量渠道水量，這種量水方式人力、物力耗費(fèi)大、且測量精度低。

　　2）灌區(qū)干、支渠多數(shù)建于上世紀(jì)六、七十年代，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低。經(jīng)過多年的運(yùn)行，渠道凍賬變形嚴(yán)重，水流不穩(wěn)、測量精度低、水量計量爭議大，水費(fèi)征收困難的情況嚴(yán)重。

　　3）現(xiàn)有的量測水方式自動化程度低，不能適時觀測流量，且不符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。為此，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水量的持續(xù)增長以及水資源嚴(yán)重不足的矛盾，灌區(qū)地表水明渠計量除人工配合外，還有通過自動化量水設(shè)備進(jìn)行實(shí)時采集、傳輸和存儲已勢在必行。

　　2018年，結(jié)合大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造量測水設(shè)施項目建設(shè)，甘州區(qū)在西浚灌區(qū)建設(shè)超聲波明渠流量計量水19處。通過超聲波明渠流量計的建設(shè)使灌區(qū)部分渠道水量得到精確計量，量水得到了遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。

　　3項目區(qū)地表水計量方案比選

　　目前水利行業(yè)均采用水位法測流。此種測流方式具有測流精度低，管理難度大的缺點(diǎn)。我國大部分灌區(qū)均采用這種方式進(jìn)行測流，而在節(jié)水型社會和新時代的背景下，提高計量精度和降低管理難度將是大勢所趨。近年來，隨著灌區(qū)信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，利用超聲波流量計測量明渠渠道的過水流量，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)量水的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，在越來越多的地方得到應(yīng)用。為此，本次設(shè)計量測水設(shè)施采用超聲波法與流速儀法兩種方式綜合比較。流速儀法測流是國內(nèi)外使用非常基本的方法，也是非常廣泛的測流方法。也是評定和衡量各種測流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。流速儀法測流基于速度面積法，測流時必須在斷面上布設(shè)測速垂線和測速點(diǎn)，以測量斷面面積和流速，測速方法一般采用積點(diǎn)法。用超聲波來測量明渠的流量實(shí)質(zhì)上是測量明渠水流的流速。當(dāng)明渠水流流速向量與聲波方向平行時，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向上游傳播時波速降低，聲波向下游傳播時波速增加。

　　在明渠中，一定高程的水流平均流速是通過測量兩個換能器之間傳播的歷時差來確定的。通過兩種方法的比較可以看出：超聲波明渠測流通過高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片對超聲波傳輸時間進(jìn)行測量，有效克服零點(diǎn)漂移、小流量測量誤差大等問題；綜合利用頻差法和時差法，使用實(shí)時聲速、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對流量進(jìn)行補(bǔ)償；人機(jī)接口畫面豐富，支持多種通信方式；測量精度高，方法簡單，操作安全，不影響渠道水流狀態(tài)，可直接與計算機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時傳送，為灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。

　　4超聲波明渠流量計應(yīng)用

　　超聲波明渠流量計專為明渠方涵流量測量而設(shè)計。該設(shè)備采用先進(jìn)的超聲波時差法進(jìn)行分層測量，精確計量方涵的實(shí)時過水流量，又可以以30ma低功率進(jìn)行正常運(yùn)行。明渠流量測水箱具有GPRS無線傳輸功能同時也可以進(jìn)行以太網(wǎng)局有線傳輸，且不需外接電源，自帶鋰電池可以長時間不間斷工作，解決了方涵野外測量不精準(zhǔn)，施工困難的實(shí)時計量難題。聲波矩陣進(jìn)行流量測量，可以有效的避免因水流流態(tài)的不穩(wěn)定、建筑物不標(biāo)準(zhǔn)而引起的無法精準(zhǔn)測量問題。使用實(shí)時聲速、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對流量進(jìn)行補(bǔ)償；人機(jī)接口畫面豐富，支持多種通信方式；具有計量精度高、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。支持多聲道測量（默認(rèn)八聲道），有效提高了儀表在復(fù)雜流體狀態(tài)中的測量準(zhǔn)確性和可靠性；

　　綜合采用頻差法和時差法測量技術(shù)，聲速自動補(bǔ)償，時間分辨率達(dá)到45皮秒，有效避免零點(diǎn)漂移，提高了小流量測量精度；支持RS485通信，與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成更加方便；支持AC220V、DC12V、市電、太陽能電源等輸入方式；主機(jī)與探頭類型多樣化，可根據(jù)現(xiàn)場需求搭配使用，能夠滿足特殊環(huán)境的安裝與測量；人機(jī)界面豐富，使用操作便捷。使用場合：污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)化工液體、廢水排放渠道、水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道、泄洪閘門等場合流量測量。施測點(diǎn)必須有移動3G、4G信號。

　　4.1工作原理、8通道測量示意

　　超聲波流量計通過上、下游傳感器相互發(fā)送及接收112kHZ-1Mhz超聲波，當(dāng)超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間發(fā)生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，如圖1所示。

　　聲道超聲波流量計通過8組傳感器測量渠道內(nèi)各層的實(shí)際流速，模擬實(shí)際運(yùn)行流速分布情況，解決線速度V轉(zhuǎn)換為面速度V的準(zhǔn)確性以提高儀表整體的計量精度。

　　4.2傳感器結(jié)構(gòu)

　　傳感器分8個層次，測量8層次的水流流速。傳感器結(jié)構(gòu)示意：如圖2所示。

　　4.3系統(tǒng)組成部分（如圖3所示）

　　4.4技術(shù)參數(shù)

　　流速

　　流速精度：1%；流速范圍：5m/s；測量線性度:優(yōu)于0.5％，重復(fù)性精度:優(yōu)于0.2%；時差測量分辨率：20皮秒。防護(hù)等級：IP67；溫度范圍：-20℃～80℃；測水精度：90%以上(0一10%）；流量范圍：0.1m3/s～2.0m3/s。非常大采樣率1Hz，波束頻率：112kHz-1MHz；通道數(shù)：8通道（同時測量，非循環(huán)測量）

　　水位（壓阻式液位計或超聲波）

　　采用壓阻式傳感器；量程：0～3m；精度：≤0.3%FS；分辨率:0.3%FS；線性度、重復(fù)性0.03%FS；溫度測量精度：1.0℃；溫度補(bǔ)償范圍：-5℃至+45℃；工作溫度：-25℃至+70℃；防護(hù)等級：ip68

　　聲波矩陣控制器

　　能同時采集多個實(shí)時流速；能實(shí)時采集水位數(shù)據(jù)；根據(jù)水力學(xué)模型結(jié)算斷面流量；能顯示水位、瞬時流量、累計流量、水量值；工作溫度：-30℃～+70℃。通訊模塊支持三大營運(yùn)商（2G/3G/4G）信號，符合ETSI、GSM標(biāo)準(zhǔn)；具備RS-232/422/485接口。或TTL電平接口，使用方便、靈活、可靠。數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線；具備固定數(shù)據(jù)中心域名和IP地址，數(shù)據(jù)傳輸支持單通道單中心或多通道多中心；可遠(yuǎn)程設(shè)置和修改IP地址等配置參數(shù)；具備主備數(shù)傳輸通道，支持多數(shù)據(jù)通道。

　　4.5土建結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　為保證水流平穩(wěn)，需要對現(xiàn)狀渠道進(jìn)行改建，本次設(shè)計改建現(xiàn)狀渠道24m，其中上游漸變段6.0m，矩形段渠道10.0m，下游漸變段8.0m，漸變段設(shè)計為C20細(xì)粒砼砌石結(jié)構(gòu)，矩形段為C20現(xiàn)澆砼重力式結(jié)構(gòu)，頂寬0.2m，外坡比1:0.2。測水箱安裝在矩形段渠道下游6.0m處，在安裝測水箱的位置向外擴(kuò)出7.5cm，以便測水箱安裝后與上下游渠道相平。

　　立桿、儀表箱安裝：預(yù)埋地籠，澆筑混凝土，預(yù)埋DN50進(jìn)出線管到傳感器，儀表箱立桿抱箍安裝。

　　4.6數(shù)據(jù)傳輸與軟件

　　通過構(gòu)建報汛通信網(wǎng)，把地域上十分分散的自動采集的水情信息，利用通信信道，自動、準(zhǔn)確、及時地傳輸?shù)焦鄥^(qū)渠道監(jiān)測平臺，作為灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)現(xiàn)有通信狀況以及可利用的通信資源，自動超聲波水位流量站中，使用GSM/GPRS作為信息傳輸信道,所有新建站安裝位置均有公網(wǎng)信號，使用GSM-GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸方式，GSM-SMS作為命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫溆梅绞剑贕SM-GPRS功能出現(xiàn)故障時，遙測終端自動切換到GSM-SMS方式，同時將水情數(shù)據(jù)發(fā)送到本地灌區(qū)信息化平臺，并接受監(jiān)測預(yù)警中心遠(yuǎn)程設(shè)置。

　　5結(jié)語

　　該項目于2018年12月建設(shè)完成，項目建成后灌區(qū)地表水計量精度顯著提高，用水管理實(shí)現(xiàn)了信息化、自動化和智能化，超聲波測流技術(shù)必將成為準(zhǔn)確測量明渠流量的一種新方法并以推廣應(yīng)用。