天然河流在线流量监测系统方案

南京灵快水测量技术有限公司测量方案（美国LinkQuest.Inc公司中国总代）2012年1月天然河流在线流量监测系统方案天然河流在线流量监测系统方案天然河流在线流量监测系统方案天然河流在线流量监测系统方案1.在线监测系统概述在线监测系统概述在线监测系统概述在线监测系统概述1.1基本情况基本情况基本情况基本情况流量站实时测流系统的建立。随着国家工业发展水资源越来越紧，同时水污染加重可利用水源越发稀缺。中小河流在线流量监测重要性更显突出。
河流在线流量监测，可实时掌握可用水资源。
河流在线流量监测，可通过水闸等调配县市级流域水量。
河流在线流量监测，可了解污水走向，提供决策依据。
河流在线流量监测，在山洪和台风期间掌握各河道流量防范“天灾”。
省市县镇交界河道流量在线流量监测，可为相互“水权”提供依据。1.2设计目标设计目标设计目标设计目标流量站新建全自动的流量实时在线监测方式，实现对河段断面流量流速的实时在线监测，并且将流量计算的水位信息等数据通过无线传输方式传送到水文站房。1.3设计原则设计原则设计原则设计原则（1）实时性、容错性实时采集现场中的流速、水文等信息，会同断面数据能及时获得流量信息，并将其存在业务数据库中。具有较强的实时性和较高的处理效率，对访问的响应时间要短；采集接口的实时性好，能满足其应用的需要；采集接口的采集周期在5秒到5分钟之间（可根据需要进行设定）；采集接口的实时性不能影响控制系统的性能。采集通信方式在具备条件的场合，实现冗余；采集软件要有容错处理机制；实时数据库系统具有容错能力，根据具体的硬件条件实现冗余。（3）完整性、标准化信息的传输与处理遵循标准化的协议，以保证信息的相对完整性与一致性。对采集方式、采集设备尽量采用统一标准和型号,坚持系统的开放性和可扩展性。建立一个开放的、标准的、可扩充、易管理、升级的实时数据库系统。不仅仅要做到配置上的先进，更主要的是开发上和应用上的先进。南京灵快水测量技术有限公司测量方案（美国LinkQuest.Inc公司中国总代）2012年1月（5）安全性、可靠性在操作上严格权限管理。系统应提供审计跟踪功能，记录所有用户操作过程，对出现的系统安全问题提供调查的依据和手段；系统应具备事务日志功能。保证在恶劣天气条件下能正常运行，确保采集通信信道畅通。1.4系统功能系统功能系统功能系统功能（1）能对断面流速、水温、流向、水位等进行24小时连续在线监测。（2）能根据实时采集的流速、水位，计算断面流量。（3）能实现水量数据采集、流量计算、存储、传输的功能。（4）能将采集的水位、流速、流量和测站状态信息通过通讯网络传输到接收中心。（5）可人工设定和修改断面平均流速关系线。2.流量方案比选流量方案比选流量方案比选流量方案比选2.1主要断面流量主要断面流量主要断面流量主要断面流量监测方法监测方法监测方法监测方法目前进行流量自动测量的方式有以下6种：缆道测流、声学多普勒流速（ADCP）、超声波时差法测流、水工建筑物（涵闸）推算流量、水位比降法推算流量、雷达水表面波流速测量再推算流量。1111、、、、缆道自动测流缆道自动测流缆道自动测流缆道自动测流缆道测流是适合我国国情的一种测流方式，经50多年发展，技术设备较为成熟，其中全自动缆道测流系统测流精度可达到95～98％。该方法由人工一次性启动缆道测流装置后，可自动测量全断面测点流速和垂线水深，并自动计算出断面面积和流量。由于缆道测流的测量精度较高，且不需要进行率定，在系统工程中主要是用于不规则断面的流量测量，实现对主要测流断面的流量控制。2222、、、、超声波时差法测流超声波时差法测流超声波时差法测流超声波时差法测流超声波时差法测量流速国内外均有定型产品用于管道和渠道，但国内没有定型生产用于天然河流的产品。本方法能方便地解决断面不同水层的平均流速测量，充分利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体后，可构建实时在线的流量测量系统，该方法适用于断面较稳定，南京灵快水测量技术有限公司测量方案（美国LinkQuest.Inc公司中国总代）2012年1月有一定水深的河道，还需要借用断面面积参数（另用人工方法测量）和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后，才能正常启用，其建站总投资大于缆道测流站。超声波时差法自动测流站工作原理为在测量断面上设置单层或多层超声波换能器斜交叉布置在河两岸，超声波换能器由二次仪表控制，从河道的一岸顺流发射超声波，另一岸接收，然后再反向进行工作，根据顺、逆流传输测到的时间差计算出相应水层的平均流速，另外一换能器向上发射超声波，遇到水面时反射再由同一换能器接收回波，根据时间差测出水深（也可选用压力水位计测量出水深）。如果是规则断面则通过水位算出断面面积，通过流速积分和人工标定的流量系数可计算出流量，其流量精度可达5%以内。若为不规则断面则必须根据数据建立数学模型，根据测量数据计算流量或通过人为标定流量系数计算流量。该仪器的最大特点是在线连续测量，缺点是在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用。另外，由于换能器是安装在河的两岸，二次仪表只能放在某一岸，而另一岸的换能器信号线则必须从河底或高架过河。如果从河底过施工难度较大，无疑增加了工程量和投资。再则超声波时差法测流，易受行船影响，致使测流精度降低。3333、、、、声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流声学多普勒流速测流是英文AcousticDopplerCurrentProfilers的简称,是利用声学多普勒原理进行研制的,是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备,自1981年在美国诞生以来，随着技术不断进步和日益完善，已从海洋测量逐步应用于河流流量测量，测量精度也得到很大的提高。从最初的盲区1m以上，降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05～0.25m，使其在宽浅河流上的应用成为可能。该种方法又分为2种，即走航式声学多普勒流速声学多普勒流速声学多普勒流速声学多普勒流速法和水平声学多普勒流速声学多普勒流速声学多普勒流速声学多普勒流速。（（（（1111））））水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法水平声学多普勒流速法主要由一到三个超声波探头一到三个超声波探头一到三个超声波探头一到三个超声波探头组成，两束沿水平方向发射，利用多普勒原理测量本层水流某一段上各点的二维流速，另一束向上发射用来测量水深(可不用)。其工作原理是一种将探头固定安装在水面下某一水深处使用的仪器，使探头上的两个声学传感器位于同一平面上，两个超声波传感器成一南京灵快水测量技术有限公司测量方案（美国LinkQuest.Inc公司中国总代）2012年1月定角度向对岸发射，超声波遇到水中的气泡杂质等其频率发生变化，根据频率大小计算出本层水流某一段上各点的二维流速；另一束超声波向上发射，遇到水面反射测得水深。根据预先建立的数学模型得到断面平均流速，再根据河道的实际过流面积计算出流量值。如果断面是规则不变，利用流速面积法积分得到流量精度可达5%以内。如果是不规则断面则主要取决于建立数学模型的精度或取决于率定的精度。该仪器采用最新的声学多普勒技术，具有结构简单，安装方便（所有设备集中在河流一边），再加上水文部门对其管辖河流的流速流量关系有较深的了解并积累大量的试验数据，因此受到水文部门的欢迎，在美国已大量采用。其流量计采用一体化结构，将换能器和电子部件集中在一个密封容器内，工作时全部浸入水下，通过防水电缆传输信息。它可作为独立的流量计进行流量在线实时监测。但水位测量有误差但水位测量有误差但水位测量有误差但水位测量有误差,,,,最好用浮子式最好用浮子式最好用浮子式最好用浮子式....对于宽度较小的河流，主机安装在河岸或渠壁的基座上，对于宽河流，可安装在河岸或渠壁上，也可安装在桥墩或其它建筑物侧壁上。水平声学多普勒测量水平声学多普勒测量水平声学多普勒测量水平声学多普勒测量仪仪仪仪最大优点是安装方便，可靠性高，价格低廉，比较适合河道测流。（（（（2222））））走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法走航式声学多普勒流速测流法是一种需渡河载体（如小船）的游动式测流设备，因为它一次能同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量，适用于大江大河的流量监测。该流量计的主机和换能器装在一防水容器内，工作时全部浸入水中，通过防水电缆与便携式计算机相连，流量计的操作控制在便携式计算机上进行。全套系统由蓄电池供电，也可以用交流供电，流量计的换能器一般由3个或4个发射头构成，它们可以向水下发射在空间互成一定角度的3束或4束超声波(4束超声波最佳)，这些超声波在由水面射向河底的穿行过程中不断地经水中的固体颗粒、气泡和河底反射回来。根据这些返回信号的频率可以测出流量计和各水层以及河底的相对位移速度，其中流量计与河底的相对速度即是船速，扣除船速便可以求取各层水流对河底的流速。根据河底返回速度分量结合测得的船行方位便可求取水流的真实方向。根据河底返回信号的时间测出水深。流量计由河这岸向对岸穿行测量一次，便可测出经过各点的水深以及流速的大小和方向，将流速矢量对河南京灵快水测量技术有限公司测量方案（美国LinkQuest.Inc公司中国总代）2012年1月床水流断面进行积分，便得到了河床流量。因为采用的是矢量积分，所以所测流量的大小与流量计渡河路径无关。4444、、、、水工建筑物水工建筑物水工建筑物水工建筑物（（（（涵闸涵闸涵闸涵闸））））流量测量流量测量流量测量流量测量根据闸门上下游水位及闸门开度，通过通过水位、闸位、流量关系曲线求出对应的过水流量。其优点是只要准确地测量出上下游水位及闸门开度，即可换算出过流量，但不足之处是需人工进行标定，确定经验公式的相关系数。典型的闸流流量公式：Q＝CBH03／2式中：C为流量系数，B为过水总净宽，H0为上游水头典型的孔流流量公式：Q＝MA√Z式中：A为过流断面，Z为上下游水位差，M为综合流量系数由于受水工建筑物的结构、闸门形状和下游出水口的流态等多种因素影响，流量系数不易准确确定，需要通过人工测量来确定流量关系曲线，测量精度不高。5555、、、、比降法比降法比降法比降法通过测量河流上一段距离的上下游水位及水面坡度，设定的河流的糙率系数，根据曼宁经验公式推算流量。当测流河道的水流不是自由流，水位受上下游水工建筑物的影响较大时就无法推算流量。另外，此方法精度不高，在比降不大的河段更是不准确。故本方法在此是不可行的。6666、、、、雷达水表面波流速测量再推算流量雷达水表面波流速测量再推算流量雷达水表面波流速测量再推算流量雷达水表面波流速测量再推算流量法法法法通过测量河流几点水表面流速，再由水表面流速推算河道流量。此方法精度不高，受外界因素影响较大，如风，下雨等。另一关键因素是雷达测速仪在水表面流速低于雷达测速仪在水表面流速低于雷达测速仪在水表面流速低于雷达测速仪在水表面流速低于0.50.50.50.5米时已无法测量米时已无法测量米时已无法测量米时已无法测量，，，，所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现所以用雷达测速仪做在线实时监测很难实现。。。。2.2测流测流测流测流方法方法方法方法比选比选比选比选综述3.1.1，前3种及第6种方法属于流速面积法，4、5二项属于水位～流速关系法。在天然河流或渠道上，流速面积法是比较准确的流量测验方法。但真正能做到实时自动测量流量的只有只有只有只有声学多普勒测量声学多普勒测量声学多普勒测量声学多普勒测量法法法法（（（（因只有因只有因只有因只有声学多普勒声学多普勒声学多普勒声学多普勒ADCPADCPADCPADCP能做到安装在河