五、应用实例

（一）Flow Scout 2000声学多普勒流速仪在江西省赣抚平原灌区的应用

江西省赣抚平原灌区位于江西省中部偏北的赣江和抚河下游三角洲平原地带，地跨抚州、宜春、南昌三市7个县（市、区）37个乡镇；设计灌溉面积8万hm²，排涝面积4.67万hm²，同时具有防洪、工业供水、生活供水、环境供水，水力发电、内河航运等功能的大型综合开发水利工程。该工程分东、西2条总干，7条干渠，总长280.57km，分支渠以及斗农渠通向各片灌溉农田的支斗农渠近600条，总长约1600km，灌溉网遍布整个赣抚平原。灌溉渠系建筑物有大型建筑物15座及中小型建筑物3600座。

该灌区总干渠及干渠主要用率定的建筑物量水及标准断面量水，其他分支渠斗农渠多用量水槽等量水设施，为了解灌区渠道水利用系数等情况则采用流速仪测水措施。

为了灌区实施动态计划用水、提高科学调配水资源和防汛抗旱能力，保证工程运行安全可靠，需要提高和及时掌握灌区水资源情况，在赣抚平原灌区建设了两套明渠声学多普勒测流系统。选用美国Link Quest.Inc公司生产的声学多普勒流速仪Flow Scout 2000进行测流，分别安装在梧岗闸入水口和胡惠元闸出水口。这两座闸位于五干渠进水闸下游约900m，梧岗闸入水口为混凝土矩形断面，渠底宽5.0m；胡惠元闸出水口为混凝土矩形断面，渠底宽6.0m，两座闸的主要功能为供应城市环境用水。经与人工流速仪精确测量数据进行对比，自动测报系统的测量结果相对偏差均小于5%。

1.系统组成

系统主要配置设备有流速测量传感器探头、流速流量积算仪、水位计、GPRS通信基站通信系统、安装支架及电源系统组成（见图4-3）。

图4-3 系统组成结构图

2.Flow Scout 2000流速流量积算仪简介

流速流量积算仪用于现场流速数据和水位数据的采集及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。Flow Scout 2000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（见图4-4）；实时接收浮子式水位数据；通过河道断面计算河道流量；可以设置水深分界点，深水状态为流速、水位、断面数据一起综合计算流量；浅水状态时为水位-流量关系计算流量；现场存储管理流量、流速、水位数据，存储容量2MB；并带RS232、RS485通信端口。

图4-4 声学多普勒流速仪测量流速

3.安装、使用及维护

设备应安装在渠道流态稳定、渠道顺直、工作环境比较好的渠段，避免在紊流区测量。

（1）为避免渠道水草杂物对传感器的影响，应将传感器安装在PE 管道内的底部支架上，PE 管道固定在渠堤岸边。底部支架能上下升降，便于传感器检测检修。在圆管底部上方50 mm 开孔。开孔高度约为300mm，开孔角度约为40°。向上游开孔角度约为10°，下游开孔角度约为30°。开孔处外加导声玻璃。

（2）固定PE 管，内置传感器支架采用钢丝绳升降。将支架放入PE 管底部时，应对准槽钢基础卡口。

（3）圆管顶部及积算仪、GPRS 模块需做防盗设施，避免人为破坏。

（4） 传感器在连接积算仪工作时不要将其暴露在空气中。如果渠道停水，水位即将降到传感器位置时，应事先关闭电源。停止测量前，应先将电源开关关闭后再将传感器从水中拿出。

（5）积算仪内置锂电池，在不用的情况下应注意关闭积算仪电源。在电量不足的情况下，应及时充电，避免电池放电过度而损坏。

（6）由于仪器内配置有电子罗盘，所以在测量中应尽量避免强磁性环境。

（7）通过网络每天查看流量报表，检查GPRS 通讯状态，实时采集瞬时流量、小时流量，观察流量数据变化规律，发现异常及时排除。

（8）每月一次对系统进行人工测流，将人工测流数据与流量计测流数据进行校测比对。发现异常，应及时对流量计进行率定。

（9）每季度一次清洗传感器探头，清除附着在传感器表面的污垢、杂物。

（10）每年一次对系统防雷接地进行检测，确保防雷设施、接地系统安全可靠。

（二）走航式ADCP在唐徕渠流量测验中的应用

宁夏唐徕渠为引黄河水灌灌的渠道，ADCP 在唐徕渠测流的应用为多含沙渠道应用ADCP提供了经验。

ADCP 测流由计算机控制操作，具有操作便捷、测验时间短、分辨率高、性能稳定、数据可靠，精度好、资料完整、信息量大、测流劳动强度小等特点，特别适合于流态复杂条件下的测验。近两年在唐徕渠测流应用中积累了以下一些经验：

ADCP 测流系统主要由ADCP 流速剖面仪及测船、换能器（4 个探头）、计算机操作软件系统及连接设备等3 个主要部分组成。其中计算机操作软件由Winriver 软件和自主开发的数据处理软件组成，Winriver 软件主要用于采集数据，自主开发的数据处理软件对Winriver 软件采集的数据进行提取、分析和整理得到流量、流速、流向、水深、水温、坐标等信息。

ADCP 属精密仪器，操作规范要求高，使用时换能器不能碰在硬物上、不能长期受太阳光照射、亦不能长时间浸泡于水中。

ADCP 是固定的，小流量渠道测量时操作不便，而且箱体笨重也不易携带。

如果渠水流速快、水面有波浪，换能器有可能露出水面和发生空蚀，影响数据采集，测量过程间断；再就是发生ADCP倾翻的现象，如在新桥测流，当时水位2.56m，最大流速1.65m/s，ADCP 被操控到渠中心时，有两次被水流冲击晃动至倾翻，致使测流中断。

船速越慢，精度越高。一般船速不超过水流最大速度，特别是起步时船速一定要平稳，不能突然加速或让ADCP 来回晃动。当水流速度较小时，更要注意船速，对提高精度尤为重要。

作业船不能紧靠岸边测验，ADCP 不能测出近岸边的流速和流量，开始及结束测量的岸边，船需停留片刻，以便获得用于计算岸边流量的10 个有效数据。岸边距大小的控制，对ADCP 采集10个有效数据至关重要，岸边距过大，岸边流量的推算就存在一定的偏差；岸边距过小，采集不够10 个有效数据，需要测船反向移动，不仅影响ADCP 正常测流，对岸边流量的推算也有一定的影响。而在测流过程中，一般采用目测或钢尺测量岸边距，偏差是不可避免的。

渠道衬砌与否也直接影响测流结果。如在暖泉渠测流时，分别在测流断面处（衬砌）和断面下游（渠坡长有杂草）测量，同一水位测得两个结果，因此使用ADCP测流时要注意渠床条件。

渠床内有流沙或滚石的地方或产生涡流时，数据采集中就会出现空白段，此处的流速需通过测区数据外延来估算，致使测量精度降低。

（三）H-ADCP在中山市岐江河西河水闸的应用

2011 年6 月在西河水闸引进了美国Link Quest公司的Flow Scout 600kHz 型H-ADCP并安装使用。

1.测验断面基本情况

西河水闸是一座集防洪（潮）、排涝（洪）、航运、灌溉等多功能的大型水闸。西河水闸共30 孔，每孔净宽5m，总净宽150m，过闸最大流量1075m/s。断面点宽度180m，最高运行水位1.5m，最低运行水位-0.5m，内水位亭河底最低高程-4.0m，河底平均高程-4.5m，对岸挡墙为船闸控制室，底部-4.0m，断面形态为矩形，断面经过硬底化处理，相对稳定。河西水闸测流断面仪器布设及测流见图4-5。

图4-5 西河水闸测流仪器布设示意图（单位：m）

2.H-ADCP 主要技术指标

供电电源：DC24V、±20%直流供电或AC220V、±10%交流供电；

温度：-20～50℃；

湿度：小于90%；

频率：2MHz，最大剖面≤22.5m；

测量点分格：0.25～1m，最大同时测量点86个；

最大流速≤5m/s；

测量精度：±0.5%、±2mm/s。

3.建立指标流速与断面平均流速的关系

为了得到断面平均流速与指标流速的关系，用走航式ADCP 测出流量和断面面积，从而得到断面平均流速数据。这种同步采样需要在不同的流量或水位情况下进行，这样就得到一组断面平均流速与指标流速以及水位的数据。对数据进行回归分析或点绘相关图，即可以得到v与v_sl回归方程或关系曲线。回归方程的一般形式为：

v=f(v_sl)

式中 v——断面平均流速，m/s；

v_sl——指标流速，m/s。

根据实际条件变化，流量测验分为三个阶段进行：

（1）平常期：在水闸没有开闸进出流量时，对在线测流设备系统进行初步比测，测验时机包含大潮、小潮、平潮10 个次以上。

（2）开闸进流期：当外江水位高于内江水位之时，水闸打开，外江流量进入内河，选择有代表性的10 次开闸时机进行比测测验。

（3）开闸出流期：当外江水位低于内江水位之时，水闸打开，内河流量进出外江，选择有代表性的10 次开闸时机进行比测测验。

三种情况进行比测率定，水位、流速、流量变化变幅达到一定程度，测次30 个以上。按照比测率定的要求，此次比测收集西河水闸高、中、低水位及不同流速级下的实测流量资料，并且均超过了方案要求的30 份（按水文规范的规定，-0.10m/s<流速<0.10m/s的，可以不参与定线）。2011 年10 月，西河水闸共收集了47 个测点，流速变化范围能均匀分布在不同的流速级，符合西河水闸过水特点，满足率定要求。同时，根据实际需要，对H-ADCP 系统软件的主要参数进行设置：指标流速的采样单元0～10m；采样历时300s；采样间隔300s；设定增加多流层剖面模式。使用船载走航式M9 在H-ADCP 的监测断面进行随机的流量测验，基本要求是正点或30min 附近进行施测，往返走测一个来回，并把往返流量误差控制在±5%以内，取其平均值作为该次断面流量，根据实测大断面成果，建立一个水位-面积查算关系，得到断面平均流速。用收集到的这些断面平均流速与指标流速建立一个单-断流速关系曲线，并按规范的要求进行三线检验，确保定线的合理性。

根据收集到的实测资料，建立指标流速与断面平均流速的关系，经计算机自动定线，得到西河水闸的单-断流速关系。用收集到的断面平均流速与H-ADCP 指标流速建立一个单-断流速关系曲线。通过上述代表性资料，点绘西河水闸断面平均流速与指标流速关系，见图4-6，通过定线得到线性相关关系：y=1.0023x，相关系数R²=0.9897。

图4-6 西河水闸断面平均流速与指标流速的关系

根据规范要求，对上述回归方程进行定线精度分析与关系曲线三线检验，得出指标流速与断面平均流速关系测点标准差Se=12.3%，随机误差为24.6%≤28%，系统误差为2.26%≤±3%，达到规范规定的精度要求。检验计算：

（1）符号检验：n=40，K=25（K为正号个数），u=1.125<1.15，符号检验通过。

（2）适线检验：n=40，不变换符号“0”次数为19，变换符号“1”次数为20，变换符号次数大于不变换符号次数，免作适线检验。

（3）偏离数值检验：n=40，平均相对偏离值ΔP=2.26%，P的标准差S=11.96，ΔP的标准差Sp=1.89，统计量t=1.20，│t│=1.20<1.30，认为合理，偏离数值检验通过。

结果：上述三种方法对指标流速与断面平均流速关系曲线的三线检验，全部达到规范要求，认为定线正确。可以用相关关系推求相应断面流量。