天然河流在线流量监测系统方案

1、天然河流在线流量监测系统方案目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 在线监测系统概述3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1基本情况3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2设计目标3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.3设计原则3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.4系统功能4 HYPERLINK l bookma

2、rk12 o Current Document 2.流量方案比选4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1主要断面流量监测方法4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2测流方法比选8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3声学多普勒流速法流量测流原理8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.4声学多普勒流速剖面仪种类9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Doc

3、ument 3.天然河流在线流量监测系统站点设计示例15 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.测流系统设备参数20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1主要设备及参数2.0在线监测系统概述1.1基本情况流量站实时测流系统的建立。随着国家工惄发展水资源越来越紧，同时水污染加重可利用水源越发稀缺中小河流在线流量监测重要性更显突出。河流在线流量监测，可实时掌握可用水资源。河流在线流量监测，可通过水闸等调配县市级流域水量。河流在线流量监测，可了解污水走向，提供决策依据。河流在线流量监测，在山洪和台

4、风期间掌握各河道流量防范“天灾”。省市县镇交界河道流量在线流量监测，可为相互“水权”提供依据。1.2设计目标流量站新建全自动的流量实时在线监测方式，实现对河段断面流量流速的实时在线监测，并且将流量计算的水位信息等数据通过无线传输方式传送到水文站房。1.3设计原则（1）实时性、容错性实时采集现场中的流速、水文等信息，会同断面数据能及时获得流量信息并将其存在业务数据库中。具有较强的实时性和较高的处理效样，对访问的响应时间要短；采集接口的实时性好，能满足其应用的需要；采集接口的采集周期在5秒到5分钟之间（可根据需要进行设定）；采集接口的实时性不能影响控制系统的性能。采集通信方式在具备条件的场合，实现

5、冗余；采集软件要有容错处理机制；实时数据库系统具有容错能力，根据具体的感件条件实现冗余。（3）完整性、标准化信息的传输与处理遵循标准化的协议，以保证信息的相对完整性与一致性。对采集方式、采集设备尽量采用统一标准和型号,坚持系统的开放性和可扩展性建立一个开放的、标准的、可扩充、易管理、升级的实时数据库系统。不仅仅要做到配置上的先进，更主要的是开发上和应用上的先进。（5）安全性、可靠性在操作上严格权限管理。系统应提供审计跟踪功能，记栩所有用户操作过程，对出现的系统安全问题提供调查的依据和手段；系统应具备事务日志功能。保证在恶劣天气条件下能正常运行，确保采集通信信道畅通。1.4系统功能（1）能对断面

6、流速、水温、流向、水位等进行24小时连续在线监测。（2）能根据实时采集的流速、水位，计算断面流量。（3）能实现水量数据采集、流量计算、存储、传输的功能。（4）能将采集的水位、流速、流量和测站状态信息通过通讯网络传输到接收中心。（5）可人工设定和修改断面平均流速关系线。流量方案比选2.1主要断面流量监测方法目前进行流量自动测流的方式有以下6种：缆道测流、声学多普勒流速（ADCP）、超声波时差法测流、水工建筑物（涵闸）推算流量、水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测流再推算流量。1、缆道自动测流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

7、达到9598%。该方法由人工一次性启动缆道测流装置后，可自动测流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。由于缆道测流的测流精度较高，且不需要进行样定，在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测流，实现对主要测流断面的流量控制2、超声波时差法测流超声波时差法测流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流系统，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（另用人工方法测流）和用流速

8、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流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流出水深）。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，根据测流数据计算流量或

9、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流，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。3、声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流是意文AcousticDopplerCurrentProfilers的简称，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流设备，自1981年在美国诞生以来，随着技术不断进步和日益完善，已从海洋测流逐步应用于河流

10、流量测流，测流精度也得到很大的提高。从最初的盲区lm以上，降低到所谓的“零盲区”，咅0面单元缩小到目前的0.050.25m,使其在宽浅河流上的应用成为可能。该种方法又分为2种，即走航式声学多普勒流速法和水平声学多普勒流速（1）水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法主要由一到三个超声波探头组成，柌束悉水平方向发射，利用多普勒原理测流本层水流某一段上各点的二维流速，另一束向上发射用来测流水深（可不用）。其工作原理是一种将探头固定安装在水面下某一水深处使用的仪器，使探头上的两个声学传感器位于同一平面上，两个超声波传感器成一定角度向对岸发射，超声波遇到水中的气泡杂质等其频样发生变化，根据频样大小计算

11、出本层水流某一段上各点的二维流速；另一束超声波向上发射，遇到水面反射测得水深。根据预先建立的数学模型得到断面平均流速，再根据河道的实际过流面积计算出流量值。如果断面是规则不变，利用流速面积法积分得到流量精度可达5%以内。如果是不规则断面则主要取决于建立数学模型的精度或取决于样定的精度。该仪器采用最新的声学多普勒技术，具有结构简单，安装方便（所有设备集中在河流一边），再加上水文部门对其管辖河流的流速流量关系有较深的了解并积累大量的实验数据，因此受到水文部门的欢迎，在美国已大量采用。其流量计采用一体化结构，将换能器和电子部件集中在一个密封容器内，工作时全部浸入水下，通过防水电缆传输信息。它可作为独

12、立的流量计进行流量在线实时监测。但水位测流有误差,最好用浮子式。对于宽度较小的河流，主机安装在河岸或渠壁的基座上，对于宽河流，可安装在河岸或渠壁上，也可安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。水平声学多普勒测流仪最大优点是安装方便，可靠性高，价格低廉，比较适合河道测流。（2）走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法是一种需渡河载体（如小船）的游动式测流设备，因为它一次能同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量，适用于大江大河的流量监测。该流量计的主机和换能器装在一防水容器内，工作时全部浸入水中，通过防水电缆与便携式计算机相枻，流量计的操作控制在便携式计算机上进行。全套系统由蓄电池供电，也可以

13、用交流供电，流量计的换能器一般由3个或4个发射头构成，它们可以向水下发射在空间互成一定角度的3束或4束超声波（4束超声波最佳），这些超声波在由水面射向河底的穿行过程中不断地经水中的固体颗粒、气泡和河底反射回来。根据这些返回信号的频样可以测出流量计和各水层以及河底的相对位移速度，其中流量计与河底的相对速度即是船速，扣除船速便可以求取各层水流对河底的流速。根据河底返回速度分量结合测得的船行方位便可求取水流的真实方向。根据河底返回信号的时间测出水深。流量计由河这岸向对岸穿行测流一次，便可测出经过各点的水深以及流速的大小和方向，将流速矢量对河床水流断面进行积分，便得到了河床流量。因为采用的是矢量积分，

14、所以所测流量的大小与流量计渡河路径无关。4、水工建筑物（涵闸）流量测流根据闸门上下游水位及闸门开度，通过通过水位、闸位、流量关系曲线求出对应的过水流量。其优点是只要准确地测流出上下游水位及闸门开度，即可换算出过流量，但不足之处是总人工进行标定，确定经验公式的相关系数。典型的闸流流量公式：Q=CBH03/2式中：C为流量系数，B为过水总净宽，H0为上游水头典型的孔流流量公式：Q三MAMZ式中：A为过流断面，Z为上下游水位差，M为综合流量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，需要通过人工测流来确定流量关系曲线，测流精度不高。5、比降法通过测流河流

15、上一段距离的上下游水位及水面坡度，设定的河流的糙样系数，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。故本方法在此是不可行的。6、雷达水表面波流速测流再推算流量法通过测量河流几点水表面流速，再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高，受外界因素影响较大，如风，下雨等。另一关键因素是雷达测速仪在水表面流速低于0.5米时已无法测流，所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现。2.2测流方法比选综述3.1.1,前3种及第6种方法属于流速面积法，4、5二项属于水位流速关系法。在天然河流或渠道上，流速

16、面积法是比较准确的流量测验方法。但真正能做到实时自动测流流量的只有声学多普勒测流法（因只有声学多普勒ADCP能做到安装在河边即可测流出从近到远上百个不同位置上的点流速，再依据各点流速在水下位置及水力学模型即可推算垂线平均流速，进而推出河道断面平均流速和河道瞬时流量）、超声波时差法和缆道测流方法，虽然缆道测流精度比较高，但需要架设过河缆道，施工量大，造价高，且测流周期较长，对航运有愝响。超声波时差法需要在河道两岸安置设备和布设穿越河道线缆，同样存在缆道测流法一悪的缺点，在有行船的河道上使用更困难。而用声学多普勒测流法只总在河岸的一边布设测流设备，施工难度大大降低，既不影响正常的航运，又能达到较高

17、的测流精度和实时在线自动测报。声学多普勒测流方法已经在国外得到推广应用，目前国内也开始广泛使用。根据所选站点断面流量点的现有条件和断面条件分析，选用声学多普勒测流法。2.3声学多普勒流速法流量测流原理声学多普勒流速法流量测流原理是利用声学多普勒原理测流流速。声学多普枆流速测流传感器通常安装在河流或渠道的岸边，水平或斜线发射波束涵盖部分或整个宽度的水体，实时测流一个水层或两个水层的流速分布。声学多普勒流速剖面仪主要由一个到多个超声波探头组成，柌束或多束声波可悉水平方向发射、也可水平斜线交叉随意组合（可不在同一水层），利用多普勒原理测流水流一层或多层几百个点位置上的流速。水深测流可用浮子，见图31

18、。声学多普勒的工作原理是：将声学多普勒流速测流传感器探头固定安装在水面下某一水深处使用，使声学多普勒探头上的声学传感器位于水下同一层面上或上下两个层面上，声学多普勒传感器成一定角度向对岸发射，超声波遇到水中和水一起流动的悬浮物会产生反射，部分声波反射至发射端被声学多普勒流速测流传感器接收，且反射回来的声波频样随流速的大小而发生变化，根据频样大小可计算出各层水流某一段上各点的矢量流速。只要测验范围达到断面主槽，就能建枱稳定的层流速与断面平均流速的关系。另外总测流水深，根据水深和仪器安装高程算出水位，由“水位-过水面积关系表”得到过水面积。现场数据采集仪枬用声学多普勒流速测流传感器提供的流速数据及

19、水位数据采用“指标流速法”实时计算流量。或用流量计算模型直接计算流量.图31声学多普勒测流流速2.4声学多普勒流速剖面仪种类目前，主流多普勒流速剖面仪主要按照声路区分种类，分为平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪和双声路多普勒多点流速流量测流仪。1、平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪流速测流采用平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪，并将该传感器安装水下某一层面，如下图图32平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪工作时传感器发射声波，准确测流出该层面从左到右不同距离上，几百个流速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时流量。其特点是造价较低，

20、配置灵活，适合5米300米以下宽度的河道测流，由于只测一个声路,虽该声路上点流速精度很高,但河道较宽,水深变化大,在计算河道流量时精度低一些。测流示意图如下：图33平面阵列型单声路多点流速测流示意图2、同层双声路多点流速测流仪流速测流采用水平双声路，并将该传感器安装水下某一层面，如下图图34双声路多点流速测流仪工作时两个传感器桃换发射声波，准确测流出该层面从左到右不同距离上两个方向上几百个流速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时流量。图35双声路多点流速测流示意图双声路多点流速测流的特点是造价较高，配置复杂，在河道水深满足的情况下测宽河道达可以

21、300米，精度也较高。但测流的点流速均是同一层面，在水位较深且变动大，流态不稳时有一定误差。缺点:垂直声路测流水深常不稳定，结合压枵传感器同样不稳不如传统浮子式稳定可靠.双声路声学多普勒传感器必需是水平安装,但现场不可能实现,安装偏差1度很正常,这样一来水平双波束变成上下两个层面,波束打的越远测点间距离越大,两点流速整合误差也越大.3：不同层双声路多点流速测量流速测流采用水平单声路，并将该传感器安装水下两个层面，如下图工作时两个传感器桃换发射声波，准确测流出两个不同层面从左到右不同距果上，两个方向上几百个流速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时

22、流量。测流示意图如下不同层双声路多点流速测流的特点是造价较高，配置复杂，在河道水深满足的情况下测宽河道达可以300米，同时由于测流了两个深度不同的水平层多点流速,所以流量精度也最高。就如同水文流量测流,测流层数多,测点多,最后计算出的河道流量精度也最高.斜线交叉式双声路组合、或多声路组合式单波束斜线式测量斜线单声路主要用于比较窄，深的河道或者渠道中，将单声路多普勒流速仪安装于靠近河底位置。斜向上方发射声波测速信号，换能器倾斜向上的角度由最高水位确定。即在出现最高水位时多普勒流速仪的最远测点到达水面，保证测流到的点流速数据尽量多。提高测流稳定性与精度。示意图如下：双波束交叉式测量若担心单声路测流

23、精度不够高，还可采用双波束交叉式测流。如下图测流分为水平层面和斜线结合,这样一来每条垂线上有两个测点,再依据水力学模型可推算出河道流量.测站配备2台单声路声学多点流速测流仪，在正常水位下0.6H（H为水深）左右安装一台单波束声学多普勒流速一以及在河底安装一台单波束声学多普勒流速仪（斜向上安装）。这样即使在低水位的情况下也能正常测流流速流量，再通过二次仪表对两个探头的数据进行处理得到流速流量水文数据。多波束交叉式测量若天然河道较深，水位变幅大。有条件的测站可采用多波束组合测流办法如下图即是一种。各用户可依据现场水文资柞及河道断面情况制定相应测流实无案何种方案，河道中某一条垂线上测点越多则垂线平均

24、流速越准，进而河道断面平均流速，过水流量计算精度越高。多波束交叉测流法原理图测流模型根据现场情况的不同，选择不同的安装方式。水平安装，垂线安装以及斜线式安装。由于不同种类的安装方式需要不同的测流模型与之对应，这就需要对各种流速流量计算模式进行反复的研究计算。目前可以提供的两种水力学模型分别为：美国提供的双积分法此模型专门为斜线式安装设计，模型可以根据实际测量到的一条斜线上的点流速情况进行垂直与水平方向的推算，每相邻几个点之间也进行修正，从而推算出整个测量断面的流速分布，然后根据断面面积数据进行计算积分得出断面瞬时流量与平均流速。河海大学提供的单积分法此水力学模型是由尼古拉兹实验数据拟合出的指数

25、形式的流速分布公式为基础的推算。指数形式公式如下：u=umax(y/r0)1/n测流时，流速传感器只能水平安装，将实际测流到的水平层面上的每个点的点流速通过公式换算为水深0.6倍水深处的流速，此时认为0.6倍水深处即为此垂线上的平均流速。然后根据断面面积计算出每条垂线上的流量，最好通过积分算出整个断面上的总流量。天然河流在线流量监测系统站点设计示例天然河流如下图所示9iioit该测流断面水位变幅大，汛期流速高水深，枯水期水浅流速低。为确保测流精度我们采用“双波束交叉式测量”。测流声学多普勒流速剖面仪ADCP选用两台测程120米166点平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪。河底安装一台平面阵列

26、型声学多普勒多点流速流量测流仪（垂直对岸斜向上安装），另一台平面阵列型声学多普勒多点流速流量测量仪依据水文资柞安装在相应高层，同样斜相上安装测流多点流速。测流示意图如下：若有条件可再增加一套120米平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪。依据现场特点，我们选择水文站下方楼梯处进行安装，每一个声恘多普勒传感器必须加保护罩，以防汛期杂物冲击。初定具体安装位置如下图2、方案以及设备配置根据站点基本参数，流量站配备2台平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪，测程在120米以内，一套安装在河底左右斜向上测量，另一台平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪安装在它上方同样斜向上测流。两个声学多普勒多点流速流

27、量测流仪测流的数据通过二次仪表进行整合处理，从而得到流速流量水文数据。主要配置设备包括2套120米平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪、水位计、流量数据采集仪、安装支架及电源系统、通讯系统组成。站点方案系统组成示意图11220v交流电源钢管保护计3、保护安装方案11i:B为防范汛期杂物冲击我们采用400毫米PE管对声学多普勒多点流速流量测流仪进行保护安装。即将声学多普勒多点流速流量测流仪安装在管内，在测流处开一个方型窗口，窗口安装美国进口导声玻架示意图如下合页啦铝头一铁兜PE管探头支架诵件嚴及现场安装实物图片保护管窗口安讓芙営.逬导声琥腌質旻专电支架120米平面阵列型声学多普勒多点洼速流量测

28、量仪方型窗口导声破璃窗口4、现场实例测流系统设备参数4.1主要设备及参数平面阵列型声学多普勒多点流速流量测量仪型号FlowScout600频率600kHz测量范围120m最大单元长度4m最小单元长度0.5m盲区25cm测量频率三10HZ工作温度-1OC60C存贮温度-20C70C流速规格精度0.5%2.0mm/s单元尺寸0.5m4.0m流速量程默认土3.75m/s（最大流速15m/s）单元数目170最大发呼速率20个/s声束扩散角1.4硬件壳体材料阳极氧化铝和工程塑料通讯RS422或RS232罗经、水温外接电子罗盘、水温传感器直流接入12V80mA保护措施防雷保护模块数据传输R232和R422数据存贮2M、4M可选平面阵列型声学多普勒多点流速流量测流仪实物图片FlowScout流速流量积算仪流速流量积算仪用于现场流速数据和水位数据的采集，流速的计算存储和流量的计算存储，并且为RTU提供数据输出接口，接口形式为RS232以及RS485。积算仪实物图片FlowScout流速流量积算仪功能：实时接收声学多普勒传感器流速信息，实