湖南水位变幅大水文流量在线监测系统.doc

目录 1. 在线监测系统概述.................................................................................................2 1.1 1.2 1.3 1.4 2. 流量方案比选.........................................................................................................3 2.1 2.2 2.3 2.4 3. 主要断面流量监测方法..................................................................................3 测流方法比选..................................................................................................6 水平声学多普勒流速法流量测量原理..........................................................7 水平声学多普勒流速剖面仪种类..................................................................7 测流站点设计.......................................................................................................10 3.1 4. 基本情况..........................................................................................................2 设计目标..........................................................................................................2 设计原则..........................................................................................................2 系统功能..........................................................................................................3 衡阳站............................................................................................................10 测流系统设备清单...............................................................................................18 4.1 4.2 主要设备及参数............................................................................................18 设备清单........................................................................................................21 5．走航式声学多普勒流速剖面仪............................................................................21 5.1 无线传输的声学多普勒流速剖面仪系统组成 .............................................21 5.2 设备主要参数................................................................................................24 5.3 设备清单........................................................................................................25 湖南水文站流量在线检测系统技术设计 1. 在线监测系统概述 1.1 基本情况 该项目表包含两个水文站测流系统的建立。 衡阳水文站位于湖南省位于湖南省衡阳市合江街江霞村，测验河段顺治，河宽 630m 左右，最高水位 60.59m，最低水位 44.82m，受水利工程影响常年水位保持 在 52.5m 左右，最大流速 2.46m/s，测验断面水位井位于左岸距站房约 150m。 黄丰桥水文站位于湖南省攸县黄丰桥镇丰陇村，其基本断面上游 500m 处有一 渠道引水发电，渠道为一矩形，宽约 4 米深约 2 米多。该站站房位于河流左岸， 渠道位于河流右岸，站房与渠道直线距离约 200 多米。且该渠道没有水位和流量 监测设施和设备，需全部重新建设。 1.2 设计目标 在该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 （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。 （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 （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、水位和水位－面积关系，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 2.1 主要断面流量监测方法 目前进行流量自动测量的方式有以下 5 种：缆道测流；超声波时差法测流、 声学多普勒流速（ADCP） 、水工建筑物（涵闸）推算流量、水位比降法推算流量。 1、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。 2、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，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。 3、声学多普勒流速测流 声学多普勒流速测流是英文Acoustic Doppler Current Profilers 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1 m 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法和水平声学多普勒流速。 （1）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 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,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 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。 （2）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 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。 4、水工建筑物（涵闸）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。 5、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。因凫州河及石岐河河道的比降不大，故本方法在此是不可行的。 2.2 测流方法比选 综述 3.1.1，前 3 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水平声学多普勒测量法、超声波时差法和缆道测流方法， 虽然缆道测流精度比较高，但需要架设过河缆道，施工量大，造价高，且测流周 期较长，对航运有影响。超声波时差法需要在河道两岸安置设备和布设穿越河道 线缆，同样存在缆道测流法一样的缺点，在有行船的河道上使用更困难。而用水 平声学多普勒测量法只需在河岸的一边布设测流设备，施工难度大大降低，既不 影响正常的航运，又能达到较高的测流精度和实时在线自动测报。水平声学多普 勒测量方法已经在国外得到推广应用，目前国内也开始广泛使用。 根据所选站点断面流量点的现有条件和断面条件分析，选用水平声学多普勒 测量法。 2.3 水平声学多普勒流速法流量测量原理 水平声学多普勒流速法流量测量原理是利用声学多普勒原理测量流速。水平 声学多普勒流速测量传感器通常安装在河流或渠道的岸边，水平发射波束涵盖部 分或整个宽度的水体，实时测量一个水层或两个水层的流速分布。水平声学多普 勒流速剖面仪主要由一个到三个超声波探头组成，两束沿水平方向发射(可不在 同一水层)，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(可用浮子替代,可更稳定)，见图 3－1。 其工作原理是：将声学多普勒流速测量传感器探头固定安装在水面下某一水 深处使用，使探头上的两个声学传感器位于同一平面上或上下两个平面上，两个 超声波传感器成一定角度向对岸发射，超声波遇到水中和水一起流动的悬浮物会 产生反射，部分声波反射至发射端被声学多普勒流速测量传感器接收，且反射回 来的声波频率随流速的大小而发生变化，根据频率大小可计算出各层水流某一段 上各点的二维矢量流速。只要测验范围达到断面主槽，就能建立稳定的层流速与 断面平均流速的关系。另一束超声波则向上发射，遇到水面反射来测得水深，根 据水深和仪器安装高程算出水位，由“水位-过水面积关系表”得到过水面积。 现场数据采集仪利用声学多普勒流速测量传感器提供的流速数据及水位数据采 用“指标流速法”实时计算流量。或用流量计算模型直接计算流量. 图 3－1 声学多普勒测量流速 2.4 水平声学多普勒流速剖面仪种类 目前，主流多普勒流速剖面仪主要按照声路区分种类，分为单声路和双声路。 1、单声路多点流速测量仪 流速测量采用单个声路，并将该传感器安装水下某一层面，如下图 图 3－2 单声路多点流速测量仪 工作时传感器发射声波，准确测量出该层面从左到右不同距离上，几百个流 速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道断面、水力学流量计 算模型算出河道瞬时流量。其特点是造价较低，配置灵活，适合 5 米 300 米以下 宽度的河道测量，由于只测一个声路,虽该声路上点流速精度很高,但河道较宽, 水深变化大,在计算河道流量时精度低一些。测量示意图如下： 图 3－3 单声路多点流速测量示意图 2、同层双声路多点流速测量仪 流速测量采用水平双声路，并将该传感器安装水下某一层面，如下图 图 3－4 双声路多点流速测量仪 工作时两个传感器轮换发射声波，准确测量出该层面从左到右不同距离上， 两个方向上几百个流速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、河道 断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时流量。 图 3－5 双声路多点流速测量示意图 双声路多点流速测量的特点是造价较高，配置复杂，在河道水深满足的情 况下测宽河道达可以 300 米，精度也较高。但测量的点流速均是同一层面，在水 位较深且变动大，流态不稳时有一定误差。 3：不同层双声路多点流速测量 流速测量采用水平单声路，并将该传感器安装水下两个层面，如下图 工作时两个传感器轮换发射声波，准确测量出两个不同层面从左到右不同距 离上，两个方向上几百个流速点数据。再由现场流速流量积算仪依据流速点数据、 河道断面、水力学流量计算模型算出河道瞬时流量。 测量示意图如下 不同层双声路多点流速测量的特点是造价较高，配置复杂，在河道水深满 足的情况下测宽河道达可以 300 米，同时由于测量了两个深度不同的水平层多点 流速,所以流量精度也最高。就如同水文流量测量,测量层数多,测点多,最后计算 出的河道流量精度也最高. 3. 测流站点设计 影响测流站点设计的主要因素有：站点河道断面，最高运行水位，最低运 行水位、平均运行水位，河道宽度、常年水深及安装点岸墙结构和通讯条件等等。 综合站点规划设计情况，对测流站点设备配置和安装进行设计。 3.1 衡阳站 1、站点基本情况 湖南省衡阳市衡阳水文站位于湖南省位于湖南省衡阳市合江街江霞村，测验 河段顺治，河宽 630m 左右，最高水位 60.59m，最低水位 44.82m，受水利工程影 响常年水位保持在 52.5m 左右。 站点断面图: 图 3－1 衡阳站断面图 由图可知，该河流水位变幅很大，最高水位与最低水位变幅高达 18m.则在如 此高的变幅下安装水平声学多普勒流速剖面仪难以安装水平，若未安装水平，测 量误差较大，且率定工作量大且繁琐。 因此我们在此做了 3 个方案供客户选择. 方案一：采用 1 台水平双波束声学多普勒流速剖面仪。 方案二：采用两台单波束声学多普勒流速仪同层安装。 方案三：在正常水位下 0.6H（H 为水深）左右安装一台单波束声学多普勒流速 一以及在河底安装一台单波束声学多普勒流速仪（垂直对岸斜向上 安装）。 2、方案以及设备配置 方案一： 根据站点基本参数，衡阳站配备 1 台双声路声学多点流速测量仪，测程在 120 米以内，安装在正常水位下 0.6H（H 为水深）左右，主要配置设备包括双声路多 点流速测量传感器探头、水位计（由于超声波水位计易受外界干扰不可靠，我们 外加浮子水位计）、流量数据采集仪、无线电台、安装支架及电源系统、通讯系 统组成。 工作原理是：数据通过 RS422 或 RS232 信号线方式直接接入数据采集仪，流 量数据采集仪根据设置好的采样时间间隔和用户命令采集若干组数据计算层平 均流速和水位，水位采用外接浮子式水位计的水位值。根据层流速与断面流速关 系和水位面积关系表分别测算出断面平均流速与过水面积，从而实现断面流量的 在线自动监测，并将所测的水位、水温、流量等水文参数通过无线电台将采集参 数发送到水文站管理中心。 图 3－2 衡阳站声学多普勒流速流量测量仪在线流量自动监测系统框架 方案二： 根据站点基本参数，考虑到现场安装水平双波束声学多普勒流速仪的施工难 度（水平双波束流速仪需水平安装），衡阳站配备 2 台单声路声学多点流速测量 仪，测程在 120 米以内，安装在正常水位下 0.6H（H 为水深）左右，将两台单声 路声学多普勒流速仪安装在同一位置，一个探头向上游倾斜，一个向下游倾斜。 两个头子测量的数据通过二次仪表进行整合处理，从而得到流速流量水文数据。 主要配置设备包括双声路多点流速测量传感器探头、水位计、流量数据采集仪、 无线电台、安装支架及电源系统、通讯系统组成。 图 3－4 衡阳桥水文站站点方案二系统组成示意图 方案三： 根据站点基本参数，考虑到现场安装水平双波束声学多普勒流速仪的施工难 度（水平双波束流速仪需水平安装），衡阳站配备 2 台单声路声学多点流速测量 仪，测程在 120 米以内，在正常水位下 0.6H（H 为水深）左右安装一台单波束声 学多普勒流速一以及在河底安装一台单波束声学多普勒流速仪（垂直向上安装） 。 这样即使在低水位的情况下也能正常测量流速流量，再通过二次仪表对两个探头 的数据进行处理得到流速流量水文数据。主要配置设备包括双声路多点流速测量 传感器探头、水位计、流量数据采集仪、无线电台、安装支架及电源系统、通讯 系统组成。 图 3－6 衡阳桥水文站站点方案三系统组成示意图 流量数据采集仪通过另一个串口将采集计算的水位、流量、水温等数据发送给 闸站工业控制计算机，同时将更多的数据发送给计算机，如各单元的平均流速、 水深，便于测站的计算机率定流速关系。同时流量计按 5 分钟采样周期可以保存 31 天（一个月）的测验数据，如果测站计算机出现故障，仍可以保障数据的完 整性。如果流量计出现故障，可以直接用水文站站计算机控制现场数据采集仪， 仍然可以确保系统稳定运行。 4. 测流系统设备清单 4.1 主要设备及参数 流量测站 单波束声学多普勒流速仪 型号 600 频率 600kHz 测量范围 120m 最大单元长度 4m 最小单元长度 0.5m 盲区 25cm 测量频率 ≥10HZ 工作温度 -10℃~60℃ 存贮温度 流速规格 精度 单元尺寸 流速量程 单元数目 最大发呼速率 声束扩散角 -20℃~70℃ 0.25%±2.0mm/s 0.5m~4.0m 默认±3.75m/s(最大流速±15m/s) 170 10 个/s 1.4° 硬件 壳体材料 阳极氧化铝和工程塑料 通讯 RS422 或 RS232 罗经、水温 外接电子罗盘、水温传感器 直流接入 12V 80mA 保护措施 防雷保护模块 数据传输 R232 和 R422 数据存贮 2M、4M 可选 双波束声学多普勒流速剖面仪 剖面范围及深度 型号 600 频率 600kHz 测量范围 120m 最大单元长度 4m 最小单元长度 0.5m 盲区 0.5m 测量频率 10HZ 工作温度 -10℃~60℃ 存贮温度 -20℃~70℃ 流速规格 精度 单元尺寸 流速量程 单元数目 最大发呼速率 0.25%±1.0mm/s 0. 5m~0m ± 10.28m/s 170 2 个/s 硬件 换能器 波束开角 波束角 壳体材料 通讯 直流接入 3 波速， 凸形 1.4° 22° 阳极氧化铝和工程塑料 RS422 或 RS232 24V 100mA 保护措施 数据 n 传输 数据存贮 温度传感器精确度 防雷保护模块以及 R232 和 R422 2M、4M 可选 ±0.01° 量程-5℃~45℃ 标配传感器 倾斜计（纵摇和横摇） ADCP 控制器系列 主要参数： 1.供电电源 DC12V、±10%直流供电或 AC220V、±10%交流供电；主机工作电流小 于 20mA。 2.温度：-25℃—55℃，湿度：小于 95% 3.带有 1 个浮子水位计格雷码输入口，1 个 4-20mA 水位输入口 4． 4 个 RS232 接口、1 个 RS485 接口，其中输出 1 个 RS485 接口及 1 个 RS232 接口可自主独立编程控制（自带标准 MODBUS 协议） 。 5.能连续存贮一年整点全部的水位流量数据，前 24 小时每分钟声学多普勒传感 器点流速，存贮容量 16Mb。 6．有 3 个固态继电器，12V 输出。 7．带 2 路光隔离 RS232 8．传输电缆带防雷隔离 9．配 320X240 图形显示屏 10．实时时钟运行月漂移精度低于 1.5min。 功能： 1.实时接收声学多普勒传感器流速信息, 实时接收浮子式水位数据 2.在测试状态下可实时显示流速曲线、图形，便于水流流态分析研究。 3.大屏幕点阵显示，不仅有中文，还有配合图形，方便操作及流态分析。 4.既可顺流、也可逆流测量，如需要可双向测量，正反两个方向流量分别存入不 同存贮区域，方便流量统计 5.通过河道断面计算河道流量, 6.现场存储管理流量、流速、水位数据，能连续存贮1年以上的水位流量数据。 并带RS232或RS485通讯端口，可独立编程控制。 7.具有自动定时测量功能，时间自主设定，能做到1分钟到24小时不等。 8.采用12v直流供电系统，也可采用220v交流供电。 9.带有自主存贮功能，若发生断电等情况能取回24小时前测量数据。 10.在仪器不工作期间自动进入休眠状态，等待下一次测量。 a) 设备清单 流量测站： 公用设备清单 单 位 数量 台 2 对 2 国产 台 1 直流稳压电源 国产 套 1 蓄电池 蓄电池充电器 笔记本电脑 水位计 松下 松下 国产 个 个 台 套 1 1 1 1 型号及指标 单 位 数量 600 台 1 序号 名称 参考品牌 1 无线电台 国产 2 电源避雷器 OBO 3 台式计算机 4 5 6 7 8 型号及指标 C 级防雷，V20-C/3+NPE 24V/100AH 伟思 三种方案专有设备清单： 方案一 序号 名称 参考品牌 1 水平声学多普勒流速剖面仪 2 ADCP 控制器 国产 60H 控制器 台 1 序号 名称 参考品牌 型号及指标 单 位 数量 1 单波束声学多普勒流速仪 600 台 1 2 ADCP 控制器 国产 t 600 控制器 台 1 序号 名称 参考品牌 型号及指标 单 位 数量 1 单波束声学多普勒流速仪 600 台 1 2 ADCP 控制器 600 控制器 台 1 方案二 方案三： 国产