1、天然河流在線流量監測系統方案目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 在線監測系統概述3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1基本情況3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2設計目標3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.3設計原則3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1.4系統功能4 HYPERLINK l bookma

2、rk12 o Current Document 2.流量方案比選4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1主要斷面流量監測方法4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2測流方法比選8 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3聲學多普勒流速法流量測流原理8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2.4聲學多普勒流速剖面儀種類9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Doc

3、ument 3.天然河流在線流量監測系統站點設計示例15 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.測流系統設備參數20 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.1主要設備及參數2.0在線監測系統概述1.1基本情況流量站實時測流系統的建立。隨著國家工惄發展水資源越來越緊，同時水污染加重可利用水源越發稀缺中小河流在線流量監測重要性更顯突出。河流在線流量監測，可實時掌握可用水資源。河流在線流量監測，可通過水閘等調配縣市級流域水量。河流在線流量監測，可了解污水走向，提供決策依據。河流在線流量監測，在山洪和臺

4、風期間掌握各河道流量防范“天災”。省市縣鎮交界河道流量在線流量監測，可為相互“水權”提供依據。1.2設計目標流量站新建全自動的流量實時在線監測方式，實現對河段斷面流量流速的實時在線監測，并且將流量計算的水位信息等數據通過無線傳輸方式傳送到水文站房。1.3設計原則（1）實時性、容錯性實時采集現場中的流速、水文等信息，會同斷面數據能及時獲得流量信息并將其存在業務數據庫中。具有較強的實時性和較高的處理效樣，對訪問的響應時間要短；采集接口的實時性好，能滿足其應用的需要；采集接口的采集周期在5秒到5分鐘之間（可根據需要進行設定）；采集接口的實時性不能影響控制系統的性能。采集通信方式在具備條件的場合，實現

5、冗余；采集軟件要有容錯處理機制；實時數據庫系統具有容錯能力，根據具體的感件條件實現冗余。（3）完整性、標準化信息的傳輸與處理遵循標準化的協議，以保證信息的相對完整性與一致性。對采集方式、采集設備盡量采用統一標準和型號,堅持系統的開放性和可擴展性建立一個開放的、標準的、可擴充、易管理、升級的實時數據庫系統。不僅僅要做到配置上的先進，更主要的是開發上和應用上的先進。（5）安全性、可靠性在操作上嚴格權限管理。系統應提供審計跟蹤功能，記栩所有用戶操作過程，對出現的系統安全問題提供調查的依據和手段；系統應具備事務日志功能。保證在惡劣天氣條件下能正常運行，確保采集通信信道暢通。1.4系統功能（1）能對斷面

6、流速、水溫、流向、水位等進行24小時連續在線監測。（2）能根據實時采集的流速、水位，計算斷面流量。（3）能實現水量數據采集、流量計算、存儲、傳輸的功能。（4）能將采集的水位、流速、流量和測站狀態信息通過通訊網絡傳輸到接收中心。（5）可人工設定和修改斷面平均流速關系線。流量方案比選2.1主要斷面流量監測方法目前進行流量自動測流的方式有以下6種：纜道測流、聲學多普勒流速（ADCP）、超聲波時差法測流、水工建筑物（涵閘）推算流量、水位比降法推算流量、雷達水表面波流速測流再推算流量。1、纜道自動測流纜道測流是適合我國國情的一種測流方式，經50多年發展，技術設備較為成熟，其中全自動纜道測流系統測流精度可

7、達到9598%。該方法由人工一次性啟動纜道測流裝置后，可自動測流全斷面測點流速和垂線水深，并自動計算出斷面面積和流量。由于纜道測流的測流精度較高，且不需要進行樣定，在系統工程中主要是用于不規則斷面的流量測流，實現對主要測流斷面的流量控制2、超聲波時差法測流超聲波時差法測流流速國內外均有定型產品用于管道和渠道，但國內沒有定型生產用于天然河流的產品。本方法能方便地解決斷面不同水層的平均流速測量，充分利用電腦技術將超聲波時差法測流、超聲或壓力水位計和預置河床斷面等技術集于一體后，可構建實時在線的流量測流系統，該方法適用于斷面較穩定，有一定水深的河道，還需要借用斷面面積參數（另用人工方法測流）和用流速

8、儀等標準測流設備標定流量計算模型后，才能正常啟用，其建站總投資大于纜道測流站。超聲波時差法自動測流站工作原理為在測流斷面上設置單層或多層超聲波換能器斜交叉布置在河兩岸，超聲波換能器由二次儀表控制，從河道的一岸順流發射超聲波，另一岸接收，然后再反向進行工作，根據順、逆流傳輸測到的時間差計算出相應水層的平均流速，另外一換能器向上發射超聲波，遇到水面時反射再由同一換能器接收回波，根據時間差測出水深（也可選用壓力水位計測流出水深）。如果是規則斷面則通過水位算出斷面面積，通過流速積分和人工標定的流量系數可計算出流量，其流量精度可達5%以內。若為不規則斷面則必須根據數據建立數學模型，根據測流數據計算流量或

9、通過人為標定流量系數計算流量。該儀器的最大特點是在線連續測流，缺點是在斷面較寬、水淺和含沙量較高的條件下無法使用。另外，由于換能器是安裝在河的兩岸，二次儀表只能放在某一岸，而另一岸的換能器信號線則必須從河底或高架過河。如果從河底過施工難度較大，無疑增加了工程量和投資。再則超聲波時差法測流，易受行船影響，致使測流精度降低。3、聲學多普勒流速測流聲學多普勒流速測流是意文AcousticDopplerCurrentProfilers的簡稱，是利用聲學多普勒原理進行研制的,是目前世界上最為先進的河流流速流量實時測流設備，自1981年在美國誕生以來，隨著技術不斷進步和日益完善，已從海洋測流逐步應用于河流

10、流量測流，測流精度也得到很大的提高。從最初的盲區lm以上，降低到所謂的“零盲區”，咅0面單元縮小到目前的0.050.25m,使其在寬淺河流上的應用成為可能。該種方法又分為2種，即走航式聲學多普勒流速法和水平聲學多普勒流速（1）水平聲學多普勒流速法水平聲學多普勒流速法主要由一到三個超聲波探頭組成，柌束悉水平方向發射，利用多普勒原理測流本層水流某一段上各點的二維流速，另一束向上發射用來測流水深（可不用）。其工作原理是一種將探頭固定安裝在水面下某一水深處使用的儀器，使探頭上的兩個聲學傳感器位于同一平面上，兩個超聲波傳感器成一定角度向對岸發射，超聲波遇到水中的氣泡雜質等其頻樣發生變化，根據頻樣大小計算

11、出本層水流某一段上各點的二維流速；另一束超聲波向上發射，遇到水面反射測得水深。根據預先建立的數學模型得到斷面平均流速，再根據河道的實際過流面積計算出流量值。如果斷面是規則不變，利用流速面積法積分得到流量精度可達5%以內。如果是不規則斷面則主要取決于建立數學模型的精度或取決于樣定的精度。該儀器采用最新的聲學多普勒技術，具有結構簡單，安裝方便（所有設備集中在河流一邊），再加上水文部門對其管轄河流的流速流量關系有較深的了解并積累大量的實驗數據，因此受到水文部門的歡迎，在美國已大量采用。其流量計采用一體化結構，將換能器和電子部件集中在一個密封容器內，工作時全部浸入水下，通過防水電纜傳輸信息。它可作為獨

12、立的流量計進行流量在線實時監測。但水位測流有誤差,最好用浮子式。對于寬度較小的河流，主機安裝在河岸或渠壁的基座上，對于寬河流，可安裝在河岸或渠壁上，也可安裝在橋墩或其它建筑物側壁上。水平聲學多普勒測流儀最大優點是安裝方便，可靠性高，價格低廉，比較適合河道測流。（2）走航式聲學多普勒流速測流法走航式聲學多普勒流速測流法是一種需渡河載體（如小船）的游動式測流設備，因為它一次能同時測出河床的斷面形狀、水深、流速和流量，適用于大江大河的流量監測。該流量計的主機和換能器裝在一防水容器內，工作時全部浸入水中，通過防水電纜與便攜式計算機相枻，流量計的操作控制在便攜式計算機上進行。全套系統由蓄電池供電，也可以

13、用交流供電，流量計的換能器一般由3個或4個發射頭構成，它們可以向水下發射在空間互成一定角度的3束或4束超聲波（4束超聲波最佳），這些超聲波在由水面射向河底的穿行過程中不斷地經水中的固體顆粒、氣泡和河底反射回來。根據這些返回信號的頻樣可以測出流量計和各水層以及河底的相對位移速度，其中流量計與河底的相對速度即是船速，扣除船速便可以求取各層水流對河底的流速。根據河底返回速度分量結合測得的船行方位便可求取水流的真實方向。根據河底返回信號的時間測出水深。流量計由河這岸向對岸穿行測流一次，便可測出經過各點的水深以及流速的大小和方向，將流速矢量對河床水流斷面進行積分，便得到了河床流量。因為采用的是矢量積分，

14、所以所測流量的大小與流量計渡河路徑無關。4、水工建筑物（涵閘）流量測流根據閘門上下游水位及閘門開度，通過通過水位、閘位、流量關系曲線求出對應的過水流量。其優點是只要準確地測流出上下游水位及閘門開度，即可換算出過流量，但不足之處是總人工進行標定，確定經驗公式的相關系數。典型的閘流流量公式：Q=CBH03/2式中：C為流量系數，B為過水總凈寬，H0為上游水頭典型的孔流流量公式：Q三MAMZ式中：A為過流斷面，Z為上下游水位差，M為綜合流量系數由于受水工建筑物的結構、閘門形狀和下游出水口的流態等多種因素影響流量系數不易準確確定，需要通過人工測流來確定流量關系曲線，測流精度不高。5、比降法通過測流河流

15、上一段距離的上下游水位及水面坡度，設定的河流的糙樣系數，根據曼寧經驗公式推算流量。當測流河道的水流不是自由流，水位受上下游水工建筑物的影響較大時就無法推算流量。另外，此方法精度不高，在比降不大的河段更是不準確。故本方法在此是不可行的。6、雷達水表面波流速測流再推算流量法通過測量河流幾點水表面流速，再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高，受外界因素影響較大，如風，下雨等。另一關鍵因素是雷達測速儀在水表面流速低于0.5米時已無法測流，所以用雷達測速儀做在線實時監測很難實現。2.2測流方法比選綜述3.1.1,前3種及第6種方法屬于流速面積法，4、5二項屬于水位流速關系法。在天然河流或渠道上，流速

16、面積法是比較準確的流量測驗方法。但真正能做到實時自動測流流量的只有聲學多普勒測流法（因只有聲學多普勒ADCP能做到安裝在河邊即可測流出從近到遠上百個不同位置上的點流速，再依據各點流速在水下位置及水力學模型即可推算垂線平均流速，進而推出河道斷面平均流速和河道瞬時流量）、超聲波時差法和纜道測流方法，雖然纜道測流精度比較高，但需要架設過河纜道，施工量大，造價高，且測流周期較長，對航運有愝響。超聲波時差法需要在河道兩岸安置設備和布設穿越河道線纜，同樣存在纜道測流法一悪的缺點，在有行船的河道上使用更困難。而用聲學多普勒測流法只總在河岸的一邊布設測流設備，施工難度大大降低，既不影響正常的航運，又能達到較高

17、的測流精度和實時在線自動測報。聲學多普勒測流方法已經在國外得到推廣應用，目前國內也開始廣泛使用。根據所選站點斷面流量點的現有條件和斷面條件分析，選用聲學多普勒測流法。2.3聲學多普勒流速法流量測流原理聲學多普勒流速法流量測流原理是利用聲學多普勒原理測流流速。聲學多普枆流速測流傳感器通常安裝在河流或渠道的岸邊，水平或斜線發射波束涵蓋部分或整個寬度的水體，實時測流一個水層或兩個水層的流速分布。聲學多普勒流速剖面儀主要由一個到多個超聲波探頭組成，柌束或多束聲波可悉水平方向發射、也可水平斜線交叉隨意組合（可不在同一水層），利用多普勒原理測流水流一層或多層幾百個點位置上的流速。水深測流可用浮子，見圖31

18、。聲學多普勒的工作原理是：將聲學多普勒流速測流傳感器探頭固定安裝在水面下某一水深處使用，使聲學多普勒探頭上的聲學傳感器位于水下同一層面上或上下兩個層面上，聲學多普勒傳感器成一定角度向對岸發射，超聲波遇到水中和水一起流動的懸浮物會產生反射，部分聲波反射至發射端被聲學多普勒流速測流傳感器接收，且反射回來的聲波頻樣隨流速的大小而發生變化，根據頻樣大小可計算出各層水流某一段上各點的矢量流速。只要測驗范圍達到斷面主槽，就能建枱穩定的層流速與斷面平均流速的關系。另外總測流水深，根據水深和儀器安裝高程算出水位，由“水位-過水面積關系表”得到過水面積。現場數據采集儀枬用聲學多普勒流速測流傳感器提供的流速數據及

19、水位數據采用“指標流速法”實時計算流量。或用流量計算模型直接計算流量.圖31聲學多普勒測流流速2.4聲學多普勒流速剖面儀種類目前，主流多普勒流速剖面儀主要按照聲路區分種類，分為平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀和雙聲路多普勒多點流速流量測流儀。1、平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀流速測流采用平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀，并將該傳感器安裝水下某一層面，如下圖圖32平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀工作時傳感器發射聲波，準確測流出該層面從左到右不同距離上，幾百個流速點數據。再由現場流速流量積算儀依據流速點數據、河道斷面、水力學流量計算模型算出河道瞬時流量。其特點是造價較低，

20、配置靈活，適合5米300米以下寬度的河道測流，由于只測一個聲路,雖該聲路上點流速精度很高,但河道較寬,水深變化大,在計算河道流量時精度低一些。測流示意圖如下：圖33平面陣列型單聲路多點流速測流示意圖2、同層雙聲路多點流速測流儀流速測流采用水平雙聲路，并將該傳感器安裝水下某一層面，如下圖圖34雙聲路多點流速測流儀工作時兩個傳感器桃換發射聲波，準確測流出該層面從左到右不同距離上兩個方向上幾百個流速點數據。再由現場流速流量積算儀依據流速點數據、河道斷面、水力學流量計算模型算出河道瞬時流量。圖35雙聲路多點流速測流示意圖雙聲路多點流速測流的特點是造價較高，配置復雜，在河道水深滿足的情況下測寬河道達可以

21、300米，精度也較高。但測流的點流速均是同一層面，在水位較深且變動大，流態不穩時有一定誤差。缺點:垂直聲路測流水深常不穩定，結合壓枵傳感器同樣不穩不如傳統浮子式穩定可靠.雙聲路聲學多普勒傳感器必需是水平安裝,但現場不可能實現,安裝偏差1度很正常,這樣一來水平雙波束變成上下兩個層面,波束打的越遠測點間距離越大,兩點流速整合誤差也越大.3：不同層雙聲路多點流速測量流速測流采用水平單聲路，并將該傳感器安裝水下兩個層面，如下圖工作時兩個傳感器桃換發射聲波，準確測流出兩個不同層面從左到右不同距果上，兩個方向上幾百個流速點數據。再由現場流速流量積算儀依據流速點數據、河道斷面、水力學流量計算模型算出河道瞬時

22、流量。測流示意圖如下不同層雙聲路多點流速測流的特點是造價較高，配置復雜，在河道水深滿足的情況下測寬河道達可以300米，同時由于測流了兩個深度不同的水平層多點流速,所以流量精度也最高。就如同水文流量測流,測流層數多,測點多,最后計算出的河道流量精度也最高.斜線交叉式雙聲路組合、或多聲路組合式單波束斜線式測量斜線單聲路主要用于比較窄，深的河道或者渠道中，將單聲路多普勒流速儀安裝于靠近河底位置。斜向上方發射聲波測速信號，換能器傾斜向上的角度由最高水位確定。即在出現最高水位時多普勒流速儀的最遠測點到達水面，保證測流到的點流速數據盡量多。提高測流穩定性與精度。示意圖如下：雙波束交叉式測量若擔心單聲路測流

23、精度不夠高，還可采用雙波束交叉式測流。如下圖測流分為水平層面和斜線結合,這樣一來每條垂線上有兩個測點,再依據水力學模型可推算出河道流量.測站配備2臺單聲路聲學多點流速測流儀，在正常水位下0.6H（H為水深）左右安裝一臺單波束聲學多普勒流速一以及在河底安裝一臺單波束聲學多普勒流速儀（斜向上安裝）。這樣即使在低水位的情況下也能正常測流流速流量，再通過二次儀表對兩個探頭的數據進行處理得到流速流量水文數據。多波束交叉式測量若天然河道較深，水位變幅大。有條件的測站可采用多波束組合測流辦法如下圖即是一種。各用戶可依據現場水文資柞及河道斷面情況制定相應測流實無案何種方案，河道中某一條垂線上測點越多則垂線平均

24、流速越準，進而河道斷面平均流速，過水流量計算精度越高。多波束交叉測流法原理圖測流模型根據現場情況的不同，選擇不同的安裝方式。水平安裝，垂線安裝以及斜線式安裝。由于不同種類的安裝方式需要不同的測流模型與之對應，這就需要對各種流速流量計算模式進行反復的研究計算。目前可以提供的兩種水力學模型分別為：美國提供的雙積分法此模型專門為斜線式安裝設計，模型可以根據實際測量到的一條斜線上的點流速情況進行垂直與水平方向的推算，每相鄰幾個點之間也進行修正，從而推算出整個測量斷面的流速分布，然后根據斷面面積數據進行計算積分得出斷面瞬時流量與平均流速。河海大學提供的單積分法此水力學模型是由尼古拉茲實驗數據擬合出的指數

25、形式的流速分布公式為基礎的推算。指數形式公式如下：u=umax(y/r0)1/n測流時，流速傳感器只能水平安裝，將實際測流到的水平層面上的每個點的點流速通過公式換算為水深0.6倍水深處的流速，此時認為0.6倍水深處即為此垂線上的平均流速。然后根據斷面面積計算出每條垂線上的流量，最好通過積分算出整個斷面上的總流量。天然河流在線流量監測系統站點設計示例天然河流如下圖所示9iioit該測流斷面水位變幅大，汛期流速高水深，枯水期水淺流速低。為確保測流精度我們采用“雙波束交叉式測量”。測流聲學多普勒流速剖面儀ADCP選用兩臺測程120米166點平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀。河底安裝一臺平面陣列

26、型聲學多普勒多點流速流量測流儀（垂直對岸斜向上安裝），另一臺平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測量儀依據水文資柞安裝在相應高層，同樣斜相上安裝測流多點流速。測流示意圖如下：若有條件可再增加一套120米平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀。依據現場特點，我們選擇水文站下方樓梯處進行安裝，每一個聲恘多普勒傳感器必須加保護罩，以防汛期雜物沖擊。初定具體安裝位置如下圖2、方案以及設備配置根據站點基本參數，流量站配備2臺平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀，測程在120米以內，一套安裝在河底左右斜向上測量，另一臺平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀安裝在它上方同樣斜向上測流。兩個聲學多普勒多點流速流

27、量測流儀測流的數據通過二次儀表進行整合處理，從而得到流速流量水文數據。主要配置設備包括2套120米平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀、水位計、流量數據采集儀、安裝支架及電源系統、通訊系統組成。站點方案系統組成示意圖11220v交流電源鋼管保護計3、保護安裝方案11i:B為防范汛期雜物沖擊我們采用400毫米PE管對聲學多普勒多點流速流量測流儀進行保護安裝。即將聲學多普勒多點流速流量測流儀安裝在管內，在測流處開一個方型窗口，窗口安裝美國進口導聲玻架示意圖如下合頁啦鋁頭一鐵兜PE管探頭支架誦件嚴及現場安裝實物圖片保護管窗口安讓芙営.逬導聲琥腌質旻專電支架120米平面陣列型聲學多普勒多點洼速流量測

28、量儀方型窗口導聲破璃窗口4、現場實例測流系統設備參數4.1主要設備及參數平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測量儀型號FlowScout600頻率600kHz測量范圍120m最大單元長度4m最小單元長度0.5m盲區25cm測量頻率三10HZ工作溫度-1OC60C存貯溫度-20C70C流速規格精度0.5%2.0mm/s單元尺寸0.5m4.0m流速量程默認土3.75m/s（最大流速15m/s）單元數目170最大發呼速率20個/s聲束擴散角1.4硬件殼體材料陽極氧化鋁和工程塑料通訊RS422或RS232羅經、水溫外接電子羅盤、水溫傳感器直流接入12V80mA保護措施防雷保護模塊數據傳輸R232和R422數據存貯2M、4M可選平面陣列型聲學多普勒多點流速流量測流儀實物圖片FlowScout流速流量積算儀流速流量積算儀用于現場流速數據和水位數據的采集，流速的計算存儲和流量的計算存儲，并且為RTU提供數據輸出接口，接口形式為RS232以及RS485。積算儀實物圖片FlowScout流速流量積算儀功能：實時接收聲學多普勒傳感器流速信息，實