超聲波時差法在蘆山水文站的應用探討

張繼東,康青勇,唐 斌

(四川省雅安水文水資源勘測中心,四川 雅安 625000)

0 引言

隨著水文站網不斷建設完善,水文自動化測驗在減少人為錯誤和節省人力資源方面發揮著重要作用。近年來隨著時差法測流技術的逐步應用和推廣,時差法已廣泛應用于大洪水及惡劣環境流量測驗,有效提高了測量精度及工作效率[1-2]。陳武等[3]通過分析時差法測流系統在劉老澗泵站的應用,表明該監測系統具有自動化和信息化優勢,具備較高的應用與推廣價值;段炎沖等[4]研究表明在含沙條件下,超聲時差法的流量測量值總體偏大,且偏差量隨含沙量增大呈增大趨勢;李正最等[5]采用二層測速方式構建模型進行流量計算參數的率定,取得的流量成果精度能夠滿足規范要求。本文對蘆山水文站時差法測流系統進行數據比測,探討系統在該站的試驗成果是否合理可靠,促進系統投產應用,針對性解決蘆山水文站水文監測工作手段單一的問題。

1 流域概況

蘆山河發源于蘆山縣與大邑縣交界處的羊子嶺大雪塘峰。上源稱黑水河,納大尖峰及大雪峰所出眾山溪,南流至中嘴,右納黃水河,以下稱玉溪河。入蘆山縣境又叫蘆山河。河長113 km,流域面積1 397 km2。

流域內以丘狀高原為主,海拔高程在3 000～4 000 m,地表丘狀起伏,丘頂渾圓,谷地寬闊,低洼處多為沼澤、草甸。丘谷間相對高差不大,一般在50～100 m。流域內土壤以深棕壤為主,間以褐土、腐殖土等。自然植被組成群落以草本植物為主,覆蓋較淺。

蘆山水文站地處四川省雅安市蘆山縣蘆陽鎮黎明村,坐標為東經102°55′50.9″,北緯30°07′38.1″,于2002年5月1日建站。該站是長江流域大渡河青衣江水系青衣江上源寶興河左岸支流蘆山河控制站,集水面積1 381 km2,至河口4 km,屬省級重要水文站、二類精度流量站,測驗項目為水位、流量、降水。

2 河流水文特征

2.1 徑流特性

蘆山河流域徑流主要由降雨所形成,由于該流域植被較好,使下墊面具有較強的滯留能力,枯期、汛前過渡期有少量融雪水和地下水補給,因此,地下徑流較豐沛,徑流年際變化小,年內分配均勻。其年內分配主要情況:汛期(5-10月)徑流占全年徑流的85.8%,主汛期(6-9月)徑流占全年徑流的71.5%。

根據蘆山水文站多年水文資料統計,蘆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),最大與最小相比為3.0,年際間變化較大,月年平均徑流量統計見表1。

表1 蘆山水文站月年平均徑流量及年內分配

2.2 洪水特性

蘆山河低水較穩定,中高水流速偏大。多受上游來水、本地暴雨影響,且具有峰高、量大的特點。洪水期,坡陡、流急、浪大,又因洪水夾帶大量泥沙水草和漂木等。洪水漲落變化迅速,浪大水急。根據洪水特性屬于暴漲暴落洪水,洪峰歷時短,約10 min至1h,洪水過程一般為1～2d,并且一般出現洪峰時間在凌晨4-9時。蘆山河洪水季節的變化與暴雨時程分布基本一致,洪水發生在6-9月,年最大流量一般在7-9月。最大洪峰流量各月出現次數統計見表2。

表2 蘆山水文站年最大洪峰流量各月出現次數統計

3 超聲波時差法測量原理及設備簡介

3.1 超聲波時差法的測量原理

超聲波時差法的測量原理[6]基于兩個超聲波傳感器之間傳播的聲信號持續時間的直接測量。這種方法敘述如下:至少安裝兩個超聲波傳感器,從而使它們之間傳播的聲信號與水流成對角線。對著水流持續的聲信號其傳播時間長于沿著水流持續的聲信號。傳播時間差與流速成正比,并且如果知道橫截面,則與流量成正比。

可通過頻率法和脈沖法兩種方法測量傳播時間。如果使用頻率法,將通過河道在發送和接收傳感器之間發送一系列既定頻率信號,這些信號的傳播時間將被視為測量對象;如果使用脈沖法,將在既定頻率下測量短聲脈沖的傳播時間。使用脈沖法時的傳播時間原理具有可以連續測量的優點。正因為這個優點,這一傳播時間原理已被成功用于河流、渠道和管道的超聲波流量測量。這是Quantum使用的方法,如今,已被水文學家認可為最具有價值的方法。

3.2 傳播時間測量

為了確定傳播時間,超聲波傳感器接收方波信號(正弦波)形式的聲信號;然后,傳感器將通過河道發送的這些信號轉變為聲波群;最后,對該波群的傳播時間進行測量。傳播時間t1-2和t2-1是通過直接傳播時間法確定的,而制造商以前憑借模擬或數字信號識別器確定的零交叉是計算得出的。使用傳播時間法時,時間測量必須以毫微秒為單位,從而在所需精度下獲得最小的水流速度。

3.3 蘆山水文站超聲波時差法設備簡介

蘆山水文站超聲波時差法設備由德國的Quantum Hydrometrie GmbH公司生產,為單路徑系統,有線主機,安裝于蘆山水文站基本水尺斷面處,在基本水尺斷面上下游兩岸分別安裝一個換能器,詳細參數見表3。

表3 主要技術參數

4 流量資料收集及系數系析

蘆山水文站超聲波時差法設備2020年6月10日安裝調試完成,收集數據到2020年8月10日止,共收集11 000多條數據。2020年8月11日被洪水沖毀,由于廠家配件原因,還未恢復。本次分析采用安裝調試完成后2020年6月10日至8月10日的數據,施測涵蓋水位級797.43～799.54 m,共2.11 m的變幅,流量級3.31～340 m3/s。

4.1 比測數據收集處理

根據收集的數據,超聲波時差法每5 min一個數據,對實測數據按照不同水位進行提取,得到有代表性的實測數據系列,超聲波時差法為兩組系列,分別是6月10日至6月27日和6月27日至8月10日。用轉子流速儀施測的流量繪制一條水位流量關系線,2020年4月3日至9月26日蘆山水文站水位流量關系線為同一系列,為單一線。將3條水位流量關系曲線繪制在同一張圖上,見圖1所示。

圖1 蘆山站水位流量關系線

從圖1可以看出,6月27日前一個系列,6月27日后一個系列。6月27日前與轉子流速儀施測流速基本一致,但6月27日后較轉子流速儀數據偏大。

4.2 比測數據分析

根據收集的資料,經計算機線性函數回歸分析點繪斷面實測流量與超聲波時差法相關關系圖,見圖2和圖3。從圖2和圖3,得出相關方程:6月27日前Y=1.07×X,相關系數R2=0.986,為顯著相關,相關關系較好;6月27日后Y=0.82×X,相關系數R2=0.992,為顯著相關,相關關系較好。其中Y為流速儀實測流量,即斷面流量;X為超聲波時差法流量。

圖2 6月27日前實測流量與超聲波時差法流量相關關系

圖3 6月27日后實測流量與超聲波時差法流量相關關系

超聲波時差法實測流量點水位流量與實測水位流量關系曲線水位查流量比值,6月27日前比值平均值為1.10;6月27日后為比值平均值為0.82,見表4和表5。

表4 6月27日前水位流量結點比值

表5 6月27日后水位流量結點比值

6月27日前和6月27日后與線性函數相關關系1.07、0.82接近,故成果可靠。

5 結論

(1)通過比測分析,本次超聲波時差法雖為兩個系列,但6月10日安裝完成到6月27日之間無漲水過程,且時間較短,6月27日后該系列較穩定代表性好,故系數率定成果采用0.82。

(2)根據原始數據分析,6月25日23時開始起漲到6月27日0時段無流速,6月27日0時(該時段為退坡中間)后流速數據又恢復,蘆山站漲坡含沙量較大,說明超聲波時差法受水體含沙量影響較大。

(3)蘆山站屬山區性河流,洪水暴漲暴落,含沙量大,本次采用的超聲波時差法工作頻率為200 kHz/28 kHz ,該工作頻率對于天然河道流量測驗工作頻率相對較低,不足以使兩換能器波束穿透含沙量較大時的水體。

(4)由于超聲波時差法自身不能對水深進行測量,需結合水位和斷面數據對流量進行計算,兩岸安裝的換能器還需入水一定深度,因此,其對斷面變化要求較高,測驗河段盡量順直、沖淤變化小、有一定的水深。

(5)超聲波時差法目前正在試用階段,設備的安裝對系數影響很大,特別是其換能器安裝于水下,有可能受漂浮物等的撞擊,故系數有待在以后的使用中不斷修正。