引言

受氣候條件和地理空間條件的影響，中國(guó)水資源分布極不均衡，總體表現(xiàn)為東部、南部水資源相對(duì)豐富，而西部、北部水資源相對(duì)匱乏。為滿(mǎn)足干旱地區(qū)居民生活用水和工農(nóng)業(yè)用水需求，中國(guó)普遍采取了長(zhǎng)距離、跨區(qū)域調(diào)水的方式，如：南水北調(diào)工程、東水西調(diào)工程等。新疆地區(qū)地處中國(guó)西北邊陲，氣候炎熱干燥，水資源極度匱乏，是中國(guó)水資源調(diào)入的重要地區(qū)之一。在跨區(qū)域、長(zhǎng)距離調(diào)水過(guò)程中，受輸水渠道單位距離容納能力、水資源的蒸發(fā)量及外部天氣情況等多種因素的影響，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控渠道的水量并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，機(jī)動(dòng)調(diào)整輸水的總量。近幾年，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波流量計(jì)被研發(fā)并得到了廣泛的推廣和使用。超聲波流量計(jì)利用超聲波在流體中傳播的特性，能夠監(jiān)測(cè)出渠道中水量、流速等信息，為流量控制與調(diào)度提供數(shù)據(jù)上的支持。現(xiàn)以新疆某長(zhǎng)距離輸水渠道工程為例，研究了超聲波流量計(jì)的工作原理，及在渠道水資源調(diào)度方面的意義和價(jià)值。

 

1工程項(xiàng)目概況

新疆某長(zhǎng)距離輸水渠道工程的總投資為25億元人民幣，從特克斯河出山口到中哈邊境的拉塔口岸，水渠總長(zhǎng)度為168.80km。該工程項(xiàng)目屬于大（1）型Ⅰ等工程，不僅承擔(dān)著新疆地區(qū)10.60hm2的農(nóng)作物灌溉用水需求，還滿(mǎn)足了地區(qū)水力發(fā)電的要求。該項(xiàng)水利工程共設(shè)計(jì)了37座取水口、6座支渠分水閘、26座干管分水閘和7座揚(yáng)水站分水閘，以滿(mǎn)足沿途地區(qū)和新疆地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水的基本需求。

 

中國(guó)對(duì)于工程用水的管理較為嚴(yán)格，水資源的調(diào)度和使用都秉承統(tǒng)一規(guī)劃、合理調(diào)度的基本原則，避免過(guò)高的成本投入及造成水資源的浪費(fèi)。新疆長(zhǎng)距離輸水渠道水資源調(diào)度，具體包括引水調(diào)度、輸水調(diào)度、水量調(diào)配等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要對(duì)渠道水位、徑流量、流速等指標(biāo)做系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)監(jiān)控，超聲波流量計(jì)在每個(gè)管理環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用，超聲波流量計(jì)的推廣使用，對(duì)于中國(guó)長(zhǎng)距離水資源調(diào)度工作的順利開(kāi)展具有重要的價(jià)值和意義

 

2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

2.1測(cè)量原理

由于超聲波流量計(jì)具有非接觸式設(shè)計(jì)，具有廣泛的適用性，尤其適合于環(huán)境較為惡劣條件下的水位測(cè)量和徑流量測(cè)量；超聲波流量計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也不易受監(jiān)測(cè)客體化學(xué)性質(zhì)的影響，可以用于長(zhǎng)期、在線(xiàn)測(cè)量。此外，超聲波流量計(jì)還具有較高的自動(dòng)化程度，能夠節(jié)省大量的人力、物力及測(cè)量成本。超聲波流量計(jì)借助多普勒效應(yīng)原理設(shè)計(jì)而成，通過(guò)分析輸水渠道中順?biāo)�流和逆水流的多普勒頻差，反映出渠道中水流的速度，進(jìn)而計(jì)算出總的流量。超聲波在水中會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，而在測(cè)量過(guò)程中流量計(jì)中的超聲波發(fā)生器是唯一的聲源，聲波經(jīng)過(guò)入射和反射之后會(huì)產(chǎn)生頻率差，進(jìn)而引起多普勒效應(yīng)。由此可見(jiàn)，監(jiān)控超聲波在水流中的頻率差是測(cè)量水流量的關(guān)鍵步驟。

 

2.2測(cè)量算法分析

當(dāng)超聲波與水分子固體顆粒以相同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，即能夠激發(fā)出多普勒運(yùn)動(dòng)效應(yīng)。設(shè)流體的速度為v，此時(shí)流量計(jì)接收到的聲波頻率為f1：

式中：為初始頻率，為聲源在介質(zhì)中的傳播速度，為聲源速度與流體速度之間的夾角。當(dāng)顆粒將接收到的聲波頻率傳遞給接收器時(shí)，流量計(jì)接收器的頻率表示為：

此時(shí)，兩者之間的頻率差Δf表示為：

為了在測(cè)量過(guò)程中，有效地采集和接收到多普勒信號(hào)，超聲波流量計(jì)發(fā)射器和還能器都采用一體化的設(shè)計(jì)方式，可以在信息加窗范圍內(nèi)反復(fù)多次計(jì)算頻率差的均值�；�于超聲波流量計(jì)測(cè)量水量還需測(cè)量水?dāng)嗝娴乃�深指�?biāo)，在特定的條件下超聲波在空氣中和水下的傳播速度都是固定的，利用超聲波探頭向渠道斷面發(fā)送超聲波并計(jì)算返回時(shí)間，就能夠推算出水渠的深度。為了測(cè)量結(jié)果具有代表性和普遍性，在測(cè)量渠道段的選擇上，需要選擇水流均勻、無(wú)旋渦和回流的區(qū)域作為測(cè)試地點(diǎn)，避免由于渠道的特殊位置而引起測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。

 

3超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與重要性分析

3.1超聲波流量計(jì)在長(zhǎng)距離輸水調(diào)度中的應(yīng)用

將超聲波流量計(jì)應(yīng)用于新疆長(zhǎng)距離水資源調(diào)度工程項(xiàng)目中，能夠有效解決測(cè)量成本高、準(zhǔn)確性低、人力物力資源消耗大的問(wèn)題。例如：該項(xiàng)目總干渠工程中的分水閘水量計(jì)量，用傳統(tǒng)的人工樣本數(shù)據(jù)采集和人工測(cè)量的方式，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，且無(wú)法滿(mǎn)足多次采樣和多次測(cè)量的基本要求；而用超聲波流量計(jì)測(cè)量分水閘水量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該段工程水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)化監(jiān)控。更為重要的是常態(tài)化、實(shí)時(shí)化監(jiān)控，有利于工程施工的安全和水資源的合理利用。整個(gè)水渠工程項(xiàng)目設(shè)有多個(gè)取水口和閘門(mén)，傳統(tǒng)以人工為主的監(jiān)控模式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)控和數(shù)據(jù)的傳遞與共享。而超聲波流量計(jì)的測(cè)量效率高，測(cè)量點(diǎn)密度大，可以實(shí)時(shí)掌握各閘門(mén)水量水位信息，并將信息同步給上下游關(guān)聯(lián)段的管理人員，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各段水位、流量等指標(biāo)的綜合控制，確保水渠的安全運(yùn)行。

 

隨著監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)渠道重點(diǎn)部位的水位，如：閘門(mén)蝶閥處水位的監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。將關(guān)鍵位置安裝超聲波流量計(jì)和數(shù)據(jù)傳感器，并根據(jù)需要設(shè)定好監(jiān)控頻率，基于局域網(wǎng)或WSNs網(wǎng)絡(luò)實(shí)施監(jiān)控傳遞到監(jiān)控室，提醒工作人員整個(gè)水渠的水位是否處于一個(gè)正常的區(qū)間范圍。資源調(diào)度中心的相關(guān)管理人員、技術(shù)人員，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以直接接收相關(guān)的信息，利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和相關(guān)軟件，匯總分析和處理干渠、閘門(mén)蝶閥等所有監(jiān)視范圍內(nèi)的真實(shí)情況。數(shù)據(jù)中心的管理人員在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備的幫助下，無(wú)須親自到場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控就可以獲得非常好手的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并迅速做出反應(yīng)，以遠(yuǎn)程控制的方式調(diào)整各段的流量，在確保水渠安全的前提下合理調(diào)配和調(diào)度水資源。該長(zhǎng)距離輸水渠道工程戰(zhàn)線(xiàn)較長(zhǎng)、沿線(xiàn)點(diǎn)多，其中可能會(huì)流經(jīng)一些較為特殊的環(huán)境，且渠道管理人員難以過(guò)去，或由于環(huán)境因素而無(wú)法較好地開(kāi)展管理工作，因而，借助數(shù)字化建設(shè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)渠道運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程管理。另外，通過(guò)該系統(tǒng)可以及時(shí)了解渠道及渠系建筑物運(yùn)行情況，繼而使渠道管理人員對(duì)渠道予以及時(shí)的維護(hù)和維修處理，確保渠道的運(yùn)行安全，且滿(mǎn)足周邊農(nóng)田等對(duì)水資源的需求。

 

3.2超聲波流量計(jì)的重要性分析

在以下幾個(gè)方面

超聲波流量計(jì)應(yīng)用在水量調(diào)度管理中的重要性主要體現(xiàn)

。

 

3.2.1能夠?qū)崿F(xiàn)水量的多點(diǎn)計(jì)量，測(cè)量成本更低

超聲波流量計(jì)測(cè)量水量成本較低，經(jīng)過(guò)培訓(xùn)合格后的人員都能夠獨(dú)立使用設(shè)備。而且通過(guò)安全傳感器的方式還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控，解決傳統(tǒng)監(jiān)控模式下監(jiān)控成本高，及單點(diǎn)監(jiān)控存在的各種問(wèn)題與弊端。長(zhǎng)距離輸水渠道是一個(gè)統(tǒng)一的整體，上游的水量會(huì)直接影響到下游的水量，且有的水渠還兼具了沿

途灌溉功能、發(fā)電功能等，水渠每段的水量都處于實(shí)時(shí)變化之中，因此對(duì)水渠各段水量實(shí)施實(shí)時(shí)多點(diǎn)監(jiān)控，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)用超聲波流量計(jì)監(jiān)控符合安全性和經(jīng)濟(jì)性的基本原則，能夠?yàn)樗�量集中調(diào)度與綜合使用提供數(shù)據(jù)上的支持。

 

3.2.2長(zhǎng)距離輸水渠道水量監(jiān)控值更準(zhǔn)確、可靠

從監(jiān)控方法上來(lái)看，基于超聲波流量計(jì)的監(jiān)控方式更加科學(xué)、實(shí)用，借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、電子科學(xué)技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、超聲波技術(shù)等設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)在實(shí)踐中已被證明具有良好的準(zhǔn)確性和可靠性。相對(duì)于傳統(tǒng)的水量監(jiān)控方式，監(jiān)控值更準(zhǔn)確，測(cè)量的誤差區(qū)間更小。由于采用了多點(diǎn)監(jiān)控的方式，如果在監(jiān)控中出現(xiàn)了監(jiān)控值的異常波動(dòng)，可針對(duì)該奇異點(diǎn)做重復(fù)測(cè)量，以判斷水量是的確出現(xiàn)了問(wèn)題，還是監(jiān)控設(shè)備的故障導(dǎo)致。超聲波流量計(jì)的使用不受光線(xiàn)條件的影響，即使在夜間或能見(jiàn)度較差的環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的監(jiān)控，這對(duì)于保證水渠在安全水位下運(yùn)行十分關(guān)鍵。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)水平和軟硬件水平都會(huì)不斷提高，通常對(duì)設(shè)備參數(shù)的調(diào)整、監(jiān)控閾值范圍的設(shè)定等，監(jiān)控指標(biāo)值的精度會(huì)越來(lái)越高，同時(shí)得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可靠性也會(huì)提升。

 

3.2.3設(shè)備的操作便捷，質(zhì)量穩(wěn)定，采購(gòu)成本較低

受專(zhuān)業(yè)性條件的限制，傳統(tǒng)的水渠水量監(jiān)控需要由專(zhuān)業(yè)的人員操作，受人力資源因素的限制，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員匱乏，也是限制水量監(jiān)控和調(diào)度的重要因素之一。與傳統(tǒng)監(jiān)控方式不同，基于超聲波流量計(jì)的水量監(jiān)控方式無(wú)須專(zhuān)業(yè)的人員操作，只要經(jīng)過(guò)崗位培訓(xùn)的人員，在特定的條件下都可以使用設(shè)備。崗位培訓(xùn)的內(nèi)容包括超聲波流量計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整、使用場(chǎng)景和環(huán)境、被監(jiān)測(cè)對(duì)象的限定條件等，只要符合這些條件策略得到的數(shù)據(jù)就具有較高的參考價(jià)值。從采購(gòu)成本的角度分析，基于多普勒頻率差原理設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)采購(gòu)成本較低，且質(zhì)量穩(wěn)定耐用，只需按照設(shè)備保養(yǎng)的基本原則，定期更換電池等易損零部件，即可確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

4結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)水資源跨區(qū)域調(diào)度工程的全面推進(jìn)與展開(kāi)，實(shí)施輸水渠水量監(jiān)控，就成為水資源調(diào)度工作中的重點(diǎn)工作之一。當(dāng)前，中國(guó)正在穩(wěn)步推進(jìn)長(zhǎng)距離輸水渠道工程數(shù)字化建設(shè)系統(tǒng)建設(shè)工作，通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控，提升水資源調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在自動(dòng)化監(jiān)控模式下，水資源調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，操作更為便捷，同時(shí)數(shù)據(jù)的采集處理也更加方便，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化進(jìn)程對(duì)其他設(shè)備使用與開(kāi)發(fā)也日趨完善。在水資源的綜合調(diào)度過(guò)程中，主要通過(guò)監(jiān)控渠道內(nèi)水位、流速、徑流量等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)渠道水位，并完成流量數(shù)值精確計(jì)算和提取。在引入超聲波流量計(jì)以后，在水渠供水調(diào)度過(guò)程中大大降低了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和人員成本，并逐步推進(jìn)自動(dòng)化的運(yùn)行管理模式，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)監(jiān)控的可靠性。

 

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