摘要： 為探究新疆塔里木灌區(qū)含沙水流對測流設(shè)備精度的影響，選取灌區(qū)測流條件較好且具有代表性的明渠水流為研究對象，以電磁流量計為基準(zhǔn)，在室內(nèi)明渠水槽測試了時差法超聲流量計、旋槳式流速儀、多普勒流速儀，在不同含沙量（最大含沙量55 kg/m3，塔里木灌區(qū)明渠天然沙，中值粒徑0.034 mm）下的測流精度.結(jié)果表明：在含沙量范圍內(nèi)測流平均意義上，時差法超聲流量計在含沙量S≤33 kg/m3下測流誤差為-0.66%～7.92%，符合明渠量水誤差規(guī)范要求，能夠滿足塔里木灌區(qū)最高含沙量（29 kg/m3）下的量水精度；旋槳式流速儀在低流速下測量結(jié)果偏低，隨著含沙量的增大其測量結(jié)果逐漸偏大，誤差最大達(dá)93%；多普勒流速儀在低含沙量下測量結(jié)果比清水條件下更精準(zhǔn)，但高含沙量下測量誤差較高，達(dá)140%～190%.研究結(jié)果可為塔里木灌區(qū)明渠測流設(shè)備選用提供借鑒，繼而促進(jìn)推廣與應(yīng)用.

關(guān)鍵詞： 明渠測流；泥沙；塔里木灌區(qū)；時差法超聲流量計；測量精度

中圖分類號： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1674-8530（2024）10-1036-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0193

陸永鑫，李林，王立成，等. 塔里木灌區(qū)多泥沙明渠測流設(shè)備比測與精度分析[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2024，42（10）：1036-1043.

LU Yongxin，LI Lin，WANG Licheng，et al. Comparison and accuracy analysis of flow measurement equipment for high sediment-laden open channels in Tarim irrigation area[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（10）： 1036-1043. （in Chinese）

Comparison and accuracy analysis of flow measurement equipment for

high sediment-laden open channels in Tarim irrigation area

LU Yongxin1，LI Lin1*，WANG Licheng1，NING Congyi1，DENG Xiaolai2

（1. College of Water Conservancy and Architectural Engineering， Tarim University， Alaer， Xinjiang 843300， China; 2. Beijing Lianchuang Siyuan Measurement and Control Technology Co.， Ltd.， Beijing 102200， China）

Abstract： To investigate the effect of sediment-laden water flow on the accuracy of flow measurement equipment in Tarim irrigation area， Xinjiang， open channel water flow with good flow measurement conditions and representativeness in the irrigation area was selected as the research object. By taking the electromagnetic flowmeter as the benchmark， the flow measurement accuracy of the time-difference ultrasonic flowmeter， propeller flowmeter， and Doppler flowmeter under different sediment contents （maximum sediment content 55 kg/m3， natural sand in the open channel of Tarim irrigation area， median particle size 0.034 mm） was tested in an indoor open channel flume. The results show that in the average sense of flow measurement within the sediment particle size and sediment concentration range， the flow measurement error of the time-difference ultrasonic flowmeter ranges from -0.66% to 7.92% under the sediment concentration （S） of no more than 33 kg/m3， which meets the requirements of the open channel water measurement error specification and can meet the water flow measurement accuracy requirement in Tarim irrigation area where the maximum sediment concentration is 29 kg/m3. For the propeller flowmeter， its measurement accuracy is acceptable at low flow velocity， but gradually becomes worse with the increasing sediment concentration， with a maximum error of 93%. The mea-surement results of the Doppler flowmeter under low sediment concentration are more accurate than under clear water conditions， but the measurement error under high sediment concentration can be as high as 140%-190%. The research results can provide reference for the selection of open channel flow measurement equipment in Tarim irrigation area， and further facilitates its promotion and industrial application.

Key words： open channel flow measurement;sediment;Tarim irrigation area;time-differenceultrasonic flowmeter;measurement accuracy

灌區(qū)量水是實現(xiàn)灌區(qū)灌溉水資源優(yōu)化配置的基本手段，是提高灌溉水有效利用系數(shù)和節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的重要途徑.針對灌區(qū)使用情況及現(xiàn)狀條件，選擇合適的量水方法與技術(shù)可以大大提高量水精度，精準(zhǔn)量水是實現(xiàn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保證.塔里木河位于中國西北極端干旱區(qū)，流域面積102萬km2，是南疆地區(qū)最重要的水源地，多年平均流量為35.71億m3，來沙量卻高達(dá)2 282萬t，年平均含沙量4.9 kg/m3[1-2].

塔里木灌區(qū)作為“綠色長廊”的重要組成部分，是新疆重要的果棉生產(chǎn)基地之一，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及水文生態(tài)平衡提供重要支撐.水資源一直是制約該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要因素.精準(zhǔn)量水是灌區(qū)水價計取管理、輸配水調(diào)度和提高用水效率的重要基礎(chǔ).水體含沙是灌區(qū)明渠水流測量中經(jīng)常面臨的情景.而主流測流算法與精度校準(zhǔn)是基于清水流建立的，泥沙的存在改變了水流的水力學(xué)特性，致使基于清水流建立的算法產(chǎn)生精度偏差，因此深入分析明渠含沙水流對設(shè)備測流精度的影響在灌區(qū)水資源科學(xué)管理方面具有重要意義[2-3].

泥沙對測流精度的影響因測量設(shè)備、泥沙濃度及流速分布而異.目前關(guān)于測流設(shè)備精度的研究主要集中在超聲波流量計上.SHI等[4]對黃河泥沙開展懸浮流動試驗，同時結(jié)合試驗和Fluent軟件模擬流體連續(xù)相流場和泥沙顆粒的運動軌跡，結(jié)果表明：當(dāng)泥沙質(zhì)量濃度超過0.5%時，測流會產(chǎn)生正向偏差，致使測量結(jié)果不可用.段炎沖等[5]在水槽試驗中發(fā)現(xiàn)，基于單聲路的超聲時差法流量計測量受含沙量的影響較大，在高含沙下測量基本處于失效狀態(tài).麥文慧等[6]基于寧夏揚水引黃灌區(qū)18條代表性支渠的測流數(shù)據(jù)，采用ANSYS和Fluent模擬研究了超聲時差法測控板閘的測流精度隨水體含沙量的變化特征，發(fā)現(xiàn)隨著含沙量的增大，過水?dāng)嗝娴耐膭幽苤饾u減小，進(jìn)而使測流產(chǎn)生偏差.測流誤差受泥沙濃度、水體流速、設(shè)備質(zhì)量等多種因素的影響，高含沙量下測流設(shè)備測量偏差普遍偏大.現(xiàn)階段的研究僅分析了高含沙量下測流偏大的原因，而未能提出有效的解決辦法.也有部分學(xué)者就不同測流設(shè)備之間適用范圍及精度差異進(jìn)行探究.王懷博等[7]在寧夏引黃灌區(qū)測水設(shè)備比測研究中也發(fā)現(xiàn)，單純的基于超聲波原理的測流設(shè)備不適宜用于高含沙的渠道.SU等[8]以三角堰為基準(zhǔn)，在含沙條件下比對了3種測流設(shè)備（機(jī)械式水表、電磁流量計、超聲波流量計）的精度差異，發(fā)現(xiàn)超聲波流量計測流精度優(yōu)于機(jī)械式水表，電磁流量計基本不受含沙量的影響.

目前已有的研究大多集中在黃河灌區(qū)渠道，缺乏區(qū)域適用性，對新疆塔里木灌區(qū)多泥沙的研究相對缺乏.鑒于此，文中在室內(nèi)明渠水槽中開展不同含沙量下的流量測量試驗，探究泥沙對不同測流設(shè)備精度的影響，重點關(guān)注近些年應(yīng)用較廣的時差法超聲流量計，以期為明渠測流設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計提供借鑒，進(jìn)而提升其在明渠含沙水流測量工作中的精度和適應(yīng)性.

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗設(shè)備

試驗在室內(nèi)明渠循環(huán)水槽系統(tǒng)中進(jìn)行，整體布局如圖1所示.入口穩(wěn)水池設(shè)置在水槽最上游，為邊長1 m的立方體，具有存儲進(jìn)水并消能的作用，水槽進(jìn)口布置整流柵和壓波板以平穩(wěn)水流，明渠段為長14.0 m的大型玻璃水槽，矩形斷面，槽寬1.0 m，槽深0.7 m，糙率0.009，坡度1/1 000.

明渠段前段安裝一臺自動加沙機(jī)，中段安裝懸浮物濃度檢測儀.測流設(shè)備布置在入水口8.0 m處，包括時差法超聲流量計（CFS1000-800非滿管，5%）、多普勒流速儀（HY. LS10-1A，1%）、旋槳式流速儀（LS25-3C，1.5%）和水位測點為1.2 m間距等分的雷達(dá)水位計（WIM StarFish-LY08）.明渠段的末端布置了直角三角形薄壁堰，后文簡稱三角堰.相關(guān)設(shè)備照片如圖2所示.進(jìn)水管道為內(nèi)徑200 mm的圓管，其上安裝標(biāo)準(zhǔn)表（內(nèi)徑為200 mm的管道式電磁流量計）.眾多研究表明，管道式電磁流量計測流受泥沙影響較低[4， 7]，故可以作為參考基準(zhǔn)，其測量結(jié)果可對其他測流設(shè)備進(jìn)行精度校驗.

明渠水經(jīng)直角三角形薄壁堰后匯入回水池.為保證泥沙的流動狀態(tài)，回水池中布置可移動的攪拌機(jī)，并加入潛水推流器.回水池盡頭設(shè)置泥沙泵，將含沙水流再次抽回入口穩(wěn)水池，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自循環(huán).

1.2 設(shè)備測流原理簡介

1.2.1 時差法超聲流量計

時差法超聲流量計是根據(jù)超聲波在順、逆流上的渡越時間差得出流速，如圖3所示.

t1=Lc+vcos α，t2=Lc－vcos α，（1）

Δt=t2－t1=2Lvcos αc2－v2cos2α，（2）

式中：t1為順流向渡越時間；t2為逆流向渡越時間；L為超聲波傳播路徑；v和c分別為流速和聲速；α為超聲波傳播路徑與水流方向的夾角.由于超聲波在流體介質(zhì)中傳播，c2遠(yuǎn)大于v2cos2α，v2cosα可忽略不計，可得流速v，即

v=c2Δt2Lcos α. （3）

根據(jù)時差法原理測得流速v，進(jìn)一步采用流速面積法算出流量.可通過增加聲道數(shù)來實現(xiàn)時差法超聲流量計在復(fù)雜流態(tài)中的測量，由換能器所在流層流速計算分層流量，對得出的分層流量進(jìn)行積分求出總流量[9].

1.2.2 直角三角形薄壁堰

根據(jù)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017），在自由流條件下直角三角堰流量公式[10]為

Q=1.343H2.47，（4）

式中：Q為流量，L/s；H為堰上水頭，m.

1.2.3 旋槳式流速儀

旋槳式流速儀工作原理是在預(yù)定時間內(nèi)測量流速儀的槳葉被水流推動的轉(zhuǎn)數(shù)，然后與內(nèi)部接觸機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號擬合成流速.根據(jù)《轉(zhuǎn)子式流速儀》（GB/T 11826—2019），流速計算公式[11]為

v=a+bn，（5）

式中：a為流速儀的常數(shù)，m/s；b為水力扭矩，m；n為轉(zhuǎn)子的速率，1/s.

1.2.4 電磁流量計

電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，利用流量Q與感應(yīng)電動勢E之間比例關(guān)系進(jìn)行測流的裝置.檢測傳感器輸出瞬時感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)換為瞬時流量.

E=Bvd（v），（6）

Q=Av=πd24v， （7）

式中：B為勵磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；v為被測介質(zhì)的平均流速，m/s；A為管道截面面積，m2；d為管道內(nèi)徑，mm.

根據(jù)式（6）與（7）可得

Q=πE4Bd.（8）

可見，感應(yīng)電動勢E與被測介質(zhì)流量Q成線性關(guān)系，線性比例僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度和管道內(nèi)徑有關(guān)，且不受液體壓力、溫度、黏度、密度及導(dǎo)電率等影響.因此電磁流量計可用于含泥沙水流的測量.

1.2.5 多普勒流速儀

連續(xù)波多普勒測流原理如圖4所示.多普勒流速儀由2個分開的換能器組成.發(fā)射換能器發(fā)射出連續(xù)的超聲波信號，經(jīng)過散射體反射后由接收換能器接收，接收到的信號頻率fr與發(fā)射的頻率fs進(jìn)行有效的矢量重疊后，得出流速和流量.

流體介質(zhì)的流動方向與聲波波束夾角為θ，與水流同步的散射體（微小顆?；驓馀荩┑牧鲃铀俣葹閡.依據(jù)多普勒原理，多普勒頻率移動值Δf為

Δf=fr－fs=2ucos θc－ucos θ fs.（9）

常溫下聲波在水流中的傳播速度c遠(yuǎn)大于ucos θ，因此式（9）可簡化得流量Q為

Q=Au=Ac2fscos θΔf.（10）

當(dāng)被測的流體介質(zhì)參數(shù)及流體斷面情況一定時，可得多普勒頻率移動值與被測流體流量的線性關(guān)系，進(jìn)一步得出被測流體的流速和流量值.

2 試驗設(shè)計與過程

2.1 試驗設(shè)計

為系統(tǒng)探究塔里木灌區(qū)水體含沙量對測流設(shè)備精度的影響，根據(jù)實地調(diào)查的灌區(qū)不同時期明渠水流含沙量進(jìn)行梯度劃分，在室內(nèi)循環(huán)水槽開展不同含沙量、不同流量梯度的水流試驗.

試驗的沙取自塔里木灌區(qū)明渠（40°65′N，81°19′E），干密度為1.21 g/cm3，中值粒徑為0.034 mm，不同粒徑D泥沙質(zhì)量比wt級配如表1所示.基于圖5中灌區(qū)水流不同時期含沙量的變化，室內(nèi)水槽試驗設(shè)置5級含沙量梯度，分別為含沙量S=0（清水），4，17，33，55 kg/m3（烘干法確定）.在每級含沙量下均開展5級流量測量試驗，Q=72，144，216，306，414 m3/h，記作Q72，Q144，Q216，Q306，Q414.

2.2 試驗過程

試驗過程設(shè)計如下：① 開展不同流量梯度的清水試驗；② 調(diào)整水流含沙量等級，進(jìn)行含沙試驗.考慮到變換流量初期水流與含沙量不穩(wěn)定，每次變換流量后需等待20 min，再實時采集各設(shè)備的水位、流量、流速等數(shù)據(jù)，采樣頻率為20 s 1次，各流量梯度采集歷時1 h.

3 結(jié)果與分析

3.1 各設(shè)備測流結(jié)果分析

圖6為不同含沙量下各設(shè)備測得的瞬時流量Q.可見，清水條件下，各設(shè)備的測流結(jié)果差異不大，且與標(biāo)準(zhǔn)表吻合度較高.

旋槳式流速儀在含沙量S≤17 kg/m3，Q=144～306 m3/h測量值波動較小，在含沙量Sgt;17 kg/m3后測量失效.旋槳式流速儀在流量Q=72 m3/h時測量值偏低，是因為低流速無法對旋漿式流速儀的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生有效推動.時差法超聲流量計在含沙量S≤33 kg/m3測量值較標(biāo)準(zhǔn)表波動較小，在試驗測流設(shè)備中精度表現(xiàn)最好，在含沙量Sgt;33 kg/m3時出現(xiàn)測量偏差，且高流量下測量結(jié)果波動較大.

3.2 含沙量對測流設(shè)備的誤差分析

以電磁流量計測得的平均流量Q1為基準(zhǔn)，通過量化各設(shè)備的實測值Q與Q1的偏差百分比，計算流量測量誤差δQ為

δQ=Q－Q1Q1×100%.（11）

基于δQ隨含沙量的變化即可分析出泥沙對各測流裝置影響.圖7為管道式電磁流量計相較于三角堰的測量誤差隨含沙量的變化曲線.隨著含沙量的增大，與三角堰流量實測值相比，電磁流量計的測量誤差無規(guī)律性變化，測量誤差不隨含沙量變化，且誤差在±1%以內(nèi)，測量結(jié)果精準(zhǔn)，滿足作為標(biāo)準(zhǔn)表的規(guī)范要求[10].

圖8為時差法超聲流量計測量誤差隨含沙量的變化.可以看出，整體上時差法超聲流量計測量誤差隨流量的增大而增大.在含沙量S=0時，測量誤差δQ趨于0，整體的測量精度較高.含沙量S=4，7 kg/m3時，測量誤差為-0.53%～2.76%，其中流量Q=306 m3/h 測量誤差最大，且不同含沙量梯度間測流誤差差異較小.含沙量Sgt;17 kg/m3時，測量誤差隨著含沙量的增大呈明顯上升趨勢.含沙量S≤33 kg/m3時，測量誤差為-0.66%～7.92%，符合灌區(qū)明渠量水標(biāo)準(zhǔn)要求[12].塔里木灌區(qū)洪水期含沙量最高為29 kg/m3，時差法超聲流量計能滿足灌區(qū)量水需求.含沙量S=55 kg/m3時，時差法超聲流量計的測量誤差δQ最大，為18.86%.在高含沙量下（Sgt;17 kg/m3），時差法超聲流量計測量誤差逐漸增大，原因是含沙量越高，泥沙顆粒對超聲波的反射能力越強(qiáng)，聲波衰減越大.以二階多項式模型擬合，擬合優(yōu)度R2為0.967 8，擬合結(jié)果顯示在含沙量S≤42 kg/m3時，測量誤差≤10.00%，滿足明渠取水計量技術(shù)導(dǎo)則規(guī)范要求[12].

圖9為旋槳式流速儀測量誤差隨含沙量的變化.

相較于含沙水流，清水條件下的測量誤差最小.隨著含沙量的增大，測量誤差不斷增大的同時，不同流量梯度間測量誤差差異逐漸增大.在流量Q=72 m3/h，測量誤差為-32.98%～-10.41%，誤差為負(fù)，測量結(jié)果明顯偏低.可以看出，在含沙量S≤17 kg/m3、其他流量梯度（Q=144，216，306，414 m3/h）下測量誤差為-4.37%～10.03%，測量精度較高.在含沙量S gt;17 kg/m3，呈無規(guī)律的波動變化，測量誤差為-11.63%～106.29%，測量誤差遠(yuǎn)超規(guī)范要求.二階多項式模型擬合，擬合優(yōu)度R2為0.592 8，擬合的結(jié)果顯示在含沙量S≤23 kg/m3時，測量誤差滿足明渠取水計量導(dǎo)則規(guī)范要求.

圖10為多普勒流速儀流量測量誤差隨含沙量的變化.由圖可知，隨著含沙量的增加，多普勒流速儀的測量誤差逐漸增大.含沙量S≤4 kg/m3時，多普勒流速儀測量誤差較小，誤差在-0.60%～2.43%，沒有較明顯的波動.原因是被測水流中所含較少的懸浮顆粒物，更有助于聲波信號的接收，使得多普勒流速儀在低含沙量下的測量較為精準(zhǔn).含沙量Sgt;4 kg/m3時，測量誤差隨著含沙量的增大明顯上升.在含沙量S=17 kg/m3時，測量誤差為5.51%～19.80%，其測量結(jié)果遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)表，在含沙量Sgt;17 kg/m3，測量誤差最高達(dá)190.62%，測量結(jié)果基本失效.相較于高含沙條件，多普勒流速儀在低含沙量下測量誤差最小，更適合在低含沙量條件下的測流.以二階多項式模型擬合，擬合優(yōu)度R2為0.948 6，擬合的結(jié)果顯示在含沙量S≤13 kg/m3時，測量誤差≤10.00%.

3.3 泥沙對時差法超聲流量計精度的影響

為更好地分析矩形明渠流速分布對時差法超聲流量計的影響，以流量414 m3/h為例測得清水條件下的矩形明渠斷面流速分布，如圖11所示.

從圖11a可以看出，矩形明渠斷面流速特征是中間快、兩邊和底部慢.圖11b展示了矩形明渠垂向的流速變化，圖中黑線代表了清水下流速變化，可以發(fā)現(xiàn)，最大的流速并不在水流表面，而是在水面偏下一點.黃宇航等[13]發(fā)現(xiàn)流速垂向分布呈現(xiàn)拋物形曲線特征，實際矩形明渠流速的最大值在水面以下，同文中研究結(jié)果一致.

圖12為時差法超聲流量計在流量Q=72，414 m3/h條件下的分層流速v隨含沙量的變化.可以看出，流速隨著剖面深度h的降低而減小.與清水條件相比，隨著含沙量的增大，明渠底部水流流速測量結(jié)果減小，上部流速測量結(jié)果增大.YU等[14]研究表明，含沙條件下，明渠底部流速較清水有所增大，上部較清水有所減?。ㄒ妶D11c），與文中研究結(jié)果恰好相反，這是由測量原理與測流設(shè)備的差異導(dǎo)致的.隨著含沙量的增大，顆粒之間距離變小，開始產(chǎn)生相互作用力，從而黏滯性增強(qiáng)，黏性的顆粒絮凝到一起產(chǎn)生絮團(tuán)，絮團(tuán)中大量泥沙顆粒的慣性和黏滯效應(yīng)對超聲波產(chǎn)生散射衰減，渡越時間變長導(dǎo)致時差法超聲流量計測流產(chǎn)生正向誤差.

與清水條件相比，在流量Q=72 m3/h時，含沙條件下渠道剖面流速偏大與偏小的交匯點在h=0.052 m處，交匯點以上為0.218 m，剖面占比為80.74%.在流量Q=414 m3/h時，泥沙條件下渠道剖面流速偏大與偏小的交匯點在h=0.137 m處，交匯點以上為0.373 m，剖面占比為73.14%.可見，交匯點以上流體在總流量中占比較大，從而使得含沙條件下超聲時差法流量測量值會偏大，說明泥沙顆粒是時差法超聲流量計測量誤差的主導(dǎo)因素.

4 結(jié) 論

1） 時差法超聲流量計在各個含沙量梯度下測量精度均表現(xiàn)最優(yōu).在含沙量S≤33 kg/m3時，測量誤差為-0.66%～7.92%，符合灌區(qū)明渠量水誤差規(guī)范要求，能夠滿足塔里木灌區(qū)最高含沙量下的量水需求.在含沙量Sgt;33 kg/m3后，測量誤差逐漸增大，在含沙量S=55 kg/m3時，測量誤差最大為18.86%，顯著低于其他測流設(shè)備.

2） 旋槳式流速儀在低流量Q=72 m3/h時，測量誤差為-32.98%～-10.41%，結(jié)果明顯偏低.在其他流量梯度（Q=144，216，306，414 m3/h）、含沙量S≤17 kg/m3下，測量誤差為-4.37%～10.03%，測量精度較高.旋槳式流速儀在含沙量Sgt;17 kg/m3后，測量值遠(yuǎn)超規(guī)范要求.

3） 多普勒流速儀在含沙量S≤4 kg/m3測量誤差為-0.60%～2.43%；在含沙量S=17 kg/m3時測量誤差為5.51%～19.80%，結(jié)果遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)表；含沙量Sgt;17 kg/m3后，測量結(jié)果基本失效.

4） 時差法超聲流量計的測量誤差隨著含沙量的增大而增大.含沙量對時差法超聲流量計測量精度起主導(dǎo)作用.

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（責(zé)任編輯 黃鑫鑫）