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(xiàng)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(xiàng)目區(qū)地表水計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)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(xiàng)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(jì)量水19 處。 通過超聲波明渠流量計(jì)的建設(shè)使灌區(qū)部分渠道水量得到精確計(jì)量，量水得到了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。 

 

3 項(xiàng)目區(qū)地表水計(jì)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(shí)代的背景下，提高計(jì)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(jì)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(shí)監(jiān)測，在越來越多的 地方得到應(yīng)用。 為此，本次設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，聲波的波速將發(fā)生變化，即當(dāng)聲波向上游傳 播時(shí)波速降低，聲波向下游傳播時(shí)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(gè)換 能器之間傳播的歷時(shí)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(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片對超聲波傳輸時(shí) 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(shí)差法，使用實(shí)時(shí)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(jì)算 機(jī)結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)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(jì)應(yīng)用

超聲波明渠流量計(jì)專為明渠方涵流量測量而 設(shè)計(jì)。 該設(shè)備采用先進(jìn)的超聲波時(shí)差法進(jìn)行分層測 量，精確計(jì)量方涵的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí) 計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)差法測量技術(shù)，聲速自動 補(bǔ)償， 時(shí)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 AC 220V、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(jì)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(shí)，液體的流動將使傳播時(shí)間發(fā)生微小變化，并且其傳播時(shí)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(jì)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(jì)量精度。

 

4.2 傳感器結(jié)構(gòu) 

傳感器分 8 個(gè)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(shí)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 1 Hz，波束頻率 ：112kHz-1 MHz；通道數(shù) ：8 通道（同時(shí)測量，非循環(huán)測量）

 

水位（壓阻式液位計(jì)或超聲波）

 

       采用壓阻式傳感器；量程：0～3m； 精度：≤0.3%F·S； 分辨率:0.3%F·S； 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(shí)采集多個(gè)實(shí)時(shí)流速；能實(shí)時(shí)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(shí)流量、累計(jì)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(jì) 

        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(jì) 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(jì)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(bào)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(shí)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��?GSM-GPRS 功能出現(xiàn) 故障時(shí)，遙測終端自動切換到 GSM-SMS 方式，同時(shí)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(xiàng)目于 2018 年 12 月建設(shè)完成，項(xiàng)目建成后 灌區(qū)地表水計(jì)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。