超声波时差法在芦山水文站的应用探讨

张继东,康青勇,唐 斌

(四川省雅安水文水资源勘测中心,四川 雅安 625000)

0 引言

随着水文站网不断建设完善,水文自动化测验在减少人为错误和节省人力资源方面发挥着重要作用。近年来随着时差法测流技术的逐步应用和推广,时差法已广泛应用于大洪水及恶劣环境流量测验,有效提高了测量精度及工作效率[1-2]。陈武等[3]通过分析时差法测流系统在刘老涧泵站的应用,表明该监测系统具有自动化和信息化优势,具备较高的应用与推广价值;段炎冲等[4]研究表明在含沙条件下,超声时差法的流量测量值总体偏大,且偏差量随含沙量增大呈增大趋势;李正最等[5]采用二层测速方式构建模型进行流量计算参数的率定,取得的流量成果精度能够满足规范要求。本文对芦山水文站时差法测流系统进行数据比测,探讨系统在该站的试验成果是否合理可靠,促进系统投产应用,针对性解决芦山水文站水文监测工作手段单一的问题。

1 流域概况

芦山河发源于芦山县与大邑县交界处的羊子岭大雪塘峰。上源称黑水河,纳大尖峰及大雪峰所出众山溪,南流至中嘴,右纳黄水河,以下称玉溪河。入芦山县境又叫芦山河。河长113 km,流域面积1 397 km2。

流域内以丘状高原为主,海拔高程在3 000～4 000 m,地表丘状起伏,丘顶浑圆,谷地宽阔,低洼处多为沼泽、草甸。丘谷间相对高差不大,一般在50～100 m。流域内土壤以深棕壤为主,间以褐土、腐殖土等。自然植被组成群落以草本植物为主,覆盖较浅。

芦山水文站地处四川省雅安市芦山县芦阳镇黎明村,坐标为东经102°55′50.9″,北纬30°07′38.1″,于2002年5月1日建站。该站是长江流域大渡河青衣江水系青衣江上源宝兴河左岸支流芦山河控制站,集水面积1 381 km2,至河口4 km,属省级重要水文站、二类精度流量站,测验项目为水位、流量、降水。

2 河流水文特征

2.1 径流特性

芦山河流域径流主要由降雨所形成,由于该流域植被较好,使下垫面具有较强的滞留能力,枯期、汛前过渡期有少量融雪水和地下水补给,因此,地下径流较丰沛,径流年际变化小,年内分配均匀。其年内分配主要情况:汛期(5-10月)径流占全年径流的85.8%,主汛期(6-9月)径流占全年径流的71.5%。

根据芦山水文站多年水文资料统计,芦山河多年年平均流量均值21.5 m3/s,最大年平均流量37.2 m3/s(2020年),最小年平均流量12.4 m3/s(2009年),最大与最小相比为3.0,年际间变化较大,月年平均径流量统计见表1。

表1 芦山水文站月年平均径流量及年内分配

2.2 洪水特性

芦山河低水较稳定,中高水流速偏大。多受上游来水、本地暴雨影响,且具有峰高、量大的特点。洪水期,坡陡、流急、浪大,又因洪水夹带大量泥沙水草和漂木等。洪水涨落变化迅速,浪大水急。根据洪水特性属于暴涨暴落洪水,洪峰历时短,约10 min至1h,洪水过程一般为1～2d,并且一般出现洪峰时间在凌晨4-9时。芦山河洪水季节的变化与暴雨时程分布基本一致,洪水发生在6-9月,年最大流量一般在7-9月。最大洪峰流量各月出现次数统计见表2。

表2 芦山水文站年最大洪峰流量各月出现次数统计

3 超声波时差法测量原理及设备简介

3.1 超声波时差法的测量原理

超声波时差法的测量原理[6]基于两个超声波传感器之间传播的声信号持续时间的直接测量。这种方法叙述如下:至少安装两个超声波传感器,从而使它们之间传播的声信号与水流成对角线。对着水流持续的声信号其传播时间长于沿着水流持续的声信号。传播时间差与流速成正比,并且如果知道横截面,则与流量成正比。

可通过频率法和脉冲法两种方法测量传播时间。如果使用频率法,将通过河道在发送和接收传感器之间发送一系列既定频率信号,这些信号的传播时间将被视为测量对象;如果使用脉冲法,将在既定频率下测量短声脉冲的传播时间。使用脉冲法时的传播时间原理具有可以连续测量的优点。正因为这个优点,这一传播时间原理已被成功用于河流、渠道和管道的超声波流量测量。这是Quantum使用的方法,如今,已被水文学家认可为最具有价值的方法。

3.2 传播时间测量

为了确定传播时间,超声波传感器接收方波信号(正弦波)形式的声信号;然后,传感器将通过河道发送的这些信号转变为声波群;最后,对该波群的传播时间进行测量。传播时间t1-2和t2-1是通过直接传播时间法确定的,而制造商以前凭借模拟或数字信号识别器确定的零交叉是计算得出的。使用传播时间法时,时间测量必须以毫微秒为单位,从而在所需精度下获得最小的水流速度。

3.3 芦山水文站超声波时差法设备简介

芦山水文站超声波时差法设备由德国的Quantum Hydrometrie GmbH公司生产,为单路径系统,有线主机,安装于芦山水文站基本水尺断面处,在基本水尺断面上下游两岸分别安装一个换能器,详细参数见表3。

表3 主要技术参数

4 流量资料收集及系数系析

芦山水文站超声波时差法设备2020年6月10日安装调试完成,收集数据到2020年8月10日止,共收集11 000多条数据。2020年8月11日被洪水冲毁,由于厂家配件原因,还未恢复。本次分析采用安装调试完成后2020年6月10日至8月10日的数据,施测涵盖水位级797.43～799.54 m,共2.11 m的变幅,流量级3.31～340 m3/s。

4.1 比测数据收集处理

根据收集的数据,超声波时差法每5 min一个数据,对实测数据按照不同水位进行提取,得到有代表性的实测数据系列,超声波时差法为两组系列,分别是6月10日至6月27日和6月27日至8月10日。用转子流速仪施测的流量绘制一条水位流量关系线,2020年4月3日至9月26日芦山水文站水位流量关系线为同一系列,为单一线。将3条水位流量关系曲线绘制在同一张图上,见图1所示。

图1 芦山站水位流量关系线

从图1可以看出,6月27日前一个系列,6月27日后一个系列。6月27日前与转子流速仪施测流速基本一致,但6月27日后较转子流速仪数据偏大。

4.2 比测数据分析

根据收集的资料,经计算机线性函数回归分析点绘断面实测流量与超声波时差法相关关系图,见图2和图3。从图2和图3,得出相关方程:6月27日前Y=1.07×X,相关系数R2=0.986,为显著相关,相关关系较好;6月27日后Y=0.82×X,相关系数R2=0.992,为显著相关,相关关系较好。其中Y为流速仪实测流量,即断面流量;X为超声波时差法流量。

图2 6月27日前实测流量与超声波时差法流量相关关系

图3 6月27日后实测流量与超声波时差法流量相关关系

超声波时差法实测流量点水位流量与实测水位流量关系曲线水位查流量比值,6月27日前比值平均值为1.10;6月27日后为比值平均值为0.82,见表4和表5。

表4 6月27日前水位流量结点比值

表5 6月27日后水位流量结点比值

6月27日前和6月27日后与线性函数相关关系1.07、0.82接近,故成果可靠。

5 结论

(1)通过比测分析,本次超声波时差法虽为两个系列,但6月10日安装完成到6月27日之间无涨水过程,且时间较短,6月27日后该系列较稳定代表性好,故系数率定成果采用0.82。

(2)根据原始数据分析,6月25日23时开始起涨到6月27日0时段无流速,6月27日0时(该时段为退坡中间)后流速数据又恢复,芦山站涨坡含沙量较大,说明超声波时差法受水体含沙量影响较大。

(3)芦山站属山区性河流,洪水暴涨暴落,含沙量大,本次采用的超声波时差法工作频率为200 kHz/28 kHz ,该工作频率对于天然河道流量测验工作频率相对较低,不足以使两换能器波束穿透含沙量较大时的水体。

(4)由于超声波时差法自身不能对水深进行测量,需结合水位和断面数据对流量进行计算,两岸安装的换能器还需入水一定深度,因此,其对断面变化要求较高,测验河段尽量顺直、冲淤变化小、有一定的水深。

(5)超声波时差法目前正在试用阶段,设备的安装对系数影响很大,特别是其换能器安装于水下,有可能受漂浮物等的撞击,故系数有待在以后的使用中不断修正。