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案例分享:SonTek-SL 系列水平固定式(侧视式)声学多普勒流量计在水站中的应用
发布时间:2017-07-18

我国水资源环境的污染已经到了十分严重的地步;保护水资源,防治污染,建立污染物总量控制已成为水质规划新思路。为了达到这个目标,完善地表水水质、水量的同步监测势在必行,而选择合适的水质、水量的在线监测技术和监测设备,将会起到非常重要的作用。

目前,国际上先进、流行的在线水量监测技术,是采用声学多普勒在线流量计;可实现实时的、无人值守的水量监测。大量的实践证明,此类型的流量计能较好地解决上述问题,有效地为水质水量同步监测提供实时、准确的水文信息,其意义重大。

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声学多普勒流量计测量原理

美国 SonTek 公司生产的 SL 系列 – 水平固定式(侧视式)声学多普勒流量计,是目前国内外普遍使用的自动在线流量测验仪器,既可用于天然河道,也可用于小型渠道;具有安装容易、操作简便、测速精度高而不受生物附着影响等特点。而通常采用的机械式流速仪、走航式多普勒流速仪,或其它的测量方法无法实现自动和实时在线。SL 有2个水平探头测量水平的部分流速,另外,还有一个向上发射超声波的垂直波束,测量水深。

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SL固定式流量计的流量在线监测是采用了间接测量断面平均流速的方法,测量水平一层某部分的平均流速,采用率定的方法(指标流速法),建立 SL 实测流速与断面平均流速之间的相关关系。再计算出通过水道断面的瞬时流量。

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       不论河流的水位如何变化,仪器始终固定安装在岸边(或某个固定建筑物)水下一定的高程,并按用户的需求和设置,定时发射超声波,经随水流一起运动的水中悬浮物的反射,仪器接收返回的信号,计算出测量该部分单元的平均流速和整个断面的流量。指标流速法假设:测量的某部分流速与断面平均流速存在着固定并唯一的关系。指标流速法的本质是由局部流速推算断面平均流速,这是流量测验中最常用的一种代表法,一般可采用单点流速、垂线平均流速或水平部分平均流速作为指标流速。

率定方法,就是指建立指标流速与断面平均流速关系的过程。为了得到指标流速与断面平均流速的相关关系,需用在同一个时间,分别用人工船测,或走航ADCP测出流量、断面面积,并得到断面平均流速数据;以及用SL同步测量出指标流速。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(如采用最小二乘法)或点绘相关图,即可以得到V断面 与VSL 回归方程或关系曲线。率定这种关系并不是很困难的工作,但可能会需要有一定的时间过程(为了获得不同级流量的数据组)。根据美国地质调查局(负责美国地表水水文监测的部门)的经验,数百米宽的河流,仍然可以采用数十米的水平平均流速作为指标流速。

SL 在测量水平指标流速的同时,垂直波束会测量该时刻仪器距离水面的水深(水位),通过预制的断面几何尺寸,软件自动计算出断面面积,从而按照以下的计算公式,软件计算出流量。

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综上所述,汇总如下:

实时瞬时流量 = 断面平均流速 × 断面面积

 

正确选择和正确安装SL

目前,能够实现自动在线的流量监测仪器并不多,声学多普勒流量计 SL 就是一款在全世界得到了广泛的应用,有着许许多多成功的案例。但是,这一款仪器并不是万能的,对使用的现场环境有一定的限制条件。安装仪器位置的上游需要有一段顺直的渠道(通常是渠道宽的10倍),并且是一个稳定的流态,这是获得好数据的一个重要条件。此外:

采样单元是否有代表性,是正确应用的关键之一

通常河流的主槽最具有代表性;

软件多流层功能可以用以分析;

在仪器测量范围中选择最合适的单元大小;

不应包含回水、紊流部分。

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保证无障碍的通道,是另一个关键

传播路径上障碍物会影响流速数据;

对河道水深有一定的要求;

发射波是一个锥体,有一定的指向角,波束不能触到水面或河底;

SonTek 探头指向角 1.4°,纵横比 1:20~40。

 

对于不规则断面,需要经过比测和率定,才可获得在线和实时的流量

固定式多普勒剖面仪实测的是代表流速 - 指标流速;

建立指标流速与断面平均流速之间的关系,需要率定;

不同的流速或水位情况下进行同步比测;

对数据进行回归分析,得到 关系曲线或回归方程。

 

SL系列多普勒流量计

SL 系列有三种不同频率供选择,它们分别是 SL3000 3G、SL1500 3G、SL500。SL3000 3G 的工作频率是3000KHz,水平测量的范围是5米;L1500 3G 的工作频率是1500KHz,水平测量范围是20米;而SL500 的工作频率是 500KHz,水平测量范围可达120米。

onTek-SL作为一种自动在线流量监测仪器,已经获得了行业客户的首肯和广泛应用。SL3000 3G 和SL1500 3G是最新研制和开发的二种新颖款式 (第三代 SL),采用了SonTek开发研制和具有专利技术 - 智能脉冲功能( SmartPulseHD®),配合应用软件、选配的安装支架、各种兼容的集成方式,可满足用户更多的需求和应用。仪器可安装在桥墩、渠道壁或河道岸边。光滑扁平特别设计的外形,使得现场安装更容易。三种不同规格的型号可供选择,既可使用在小型渠道,也可使用在大江大河。超窄的声学波束和无与伦比的旁瓣抑制功能,避免了水面和河底的干扰,使得声波发射得更远,从而获得更大的水平测量范围。

SL3000 3G是同类产品中一款较小和轻的侧视式多普勒流速仪。适用于小溪、供水(灌溉)渠道、排水渠道的实时在线流量监测。这款仪器可以采用更小的采样单元,即使在非常小的流速(甚至断流)或者逆流条件下,仍表现出无与伦比的性能。应用的渠道甚至可小到 0.5 米。高分辨率的剖面单元,最小单元仅为 4 厘米。不论多窄的渠道,仍然可测量到靠近岸边、渠壁、或水工建筑物边的高精度数据。

SL1500 (3G) 广泛用于中等宽度的河流,或小溪、供水(灌溉)渠道、排水渠道的实时在线流量监测。扁平瘦小的设计,带有智能脉冲功能,成为功能强大的测流系统。采集高质量的水平剖面数据,测流范围:0.2 ~ 20米。借助于智能脉冲功能,即使水流条件发生变化,仍然可以获得高分辨率和高质量的数据。

SL500是一款可靠、经典的在线多普勒流量计,安装在河岸边或者码头旁,便于快速维护,而不需要潜水员或船只。与同类产品相比,更为轻便和容易安装。水平测量范围可达 120 米,适用于大江大河较宽的河流、或港口岸边。也可以安装在桥墩、码头边,测量潮汐和流速,用于港口的安全、船只导航等。

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应用

近年来,在国家层面强调经济发展方式转变注重生态文明建设之际,全国各省市环保行业和水利行业的管理理念也发生了革命性转变,提出并逐步实施最严格的水资源管理制度,强调用水总量控制、用水效率提升和排污总量控制。而排污总量控制需要水量水质信息来核算环境容量和污染物排量,这都需要水量水质同步监测工作提供准确水情信息。

全国范围内,许多的大江大河、湖泊、运河等水系,在沿江沿河建立了不同规模的自动监测站,起到了很好的效果。不少的监测站也采用了 SL 在线多普勒流量计作为流量(水量)的监测设备。特别是沿海的一些省市,例如:江苏、浙江、上海、福建、广东等的水文、环保部门建立的水站,都涵盖了水质和水量的监测项目。

为了实施水质水量的同步监测,广东省水文局属下的佛山分局马口水文站在2006年安装了美国SonTek公司 SL500侧视式声学多普勒流速剖面仪(SL 流量计)。马口水文站位于珠江三角洲网河区、西江干流水道。既有上游来水的影响,又受出海口门潮汐上溯作用,水流运动复杂;汛期主要受洪水涨落影响,平水期受潮汐混杂影响,枯水期受潮汐影响;加上人类活动的影响,给水质水量的同步监测带来很大的困难,特别是 SL 的率定更为复杂和更大的工作量。右图是马口水文站地理位置的示意图,和 SL 安装在水道左岸马口水质自动监测站(新自记水位台)护栏外侧的示意图。

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马口水文站的水面宽变幅为700 ~ 900米之间。根据断面的实际条件,SL 设置的指标流速采样单元为 12 ~ 82米;自动采样的历时为300秒,采样间隔为 600秒。另外,还增加多流层剖面模式,设定多流层的起始盲区为 2米,共 10 个流层,每流层单元宽度为 10米。

率定工作经列了半年多时间,在不同水位(流速)期间,采用走航式ADCP测量断面平均流速进行比测。马口水文站获得了 SL 指标流速 与 断面平均流速的关系线,如下图所示。其中:左图是,汛期期间 SL指标流速 ~ 断面平均流速关系线;中图是,枯水期间SL指标流速 ~ 断面平均流速关系线;而右图是,水位、指标流速、断面平均流速综合过程线。

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实测和比测的数据表明,无论是洪水期,或枯水期,其SL指标流速 ~ 断面平均流速关系线,经过手工定线和误差统计分析,均通过了三线检验;定线精度符合水文测验规范要求。马口水文站安装的 SL,自2006年年底正式投产后,一直正常运行。它的成功使用,大大减轻了该站流量测验的工作量,也为珠江三角洲网河区的水质水量同步监测提供了更为有效的技术手段。

类似的成功案例很多,例如:浙江省杭州地区现有 93个水功能区水文监测站点中,已有71个监测点实现了水质水量同步监测,绝大部分的水流监测设备技术采用了 SL在线流量计。

SL 在线流量计在水站中的应用正在日益增加。我们期望会有更多的用户采用 SL,并为进一步完善水质水量同步监测的目标提供更有力的技术支持。

 

SL安装案例

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