水利量测技术进展综述

口水利量测技术专业委员会

    没有先进的量测仪器、量测技术和试验设备，科学技术工作就不可能有新的发现和突破。

    在一些重要的模型试验中，没有先进的量测仪器和量测技术就不可能得到高质量的研究成果。

    一、通过多项量测技术的整合解决复杂的工程技术难题

    1．三峡船闸运行操作测控和水力学特性试验研究

    三峡船闸规模宏大，运行条件复杂，包括闸室和阀门段水力学特性、上游引航道的适航性能、多道闸门的测控实效、船舶系缆力等技术性能，都要在模型中进行试验研究。其检测和控制具有如下特点：①同时(要求同步)检测的项目多；②分布区域广，引线长，干扰源多；③要求检测精确度高，如闸室高低水位检测绝对误差小于0.1mm (约为全量程的0.01％)，重复性好；④要求实时显示检测数据；⑤运行条件多变(运行方式中有连续运行方式和间隙运行方式)；⑥要求连续记录和自动触发采集等。为了满足上述要求，长江科学院组织力量，选用高分辨率的水位传感器及测量船舶停靠时各种物理量的传感器等，并从硬件和软件两个方面采取综合措施，把软硬件设计结合起来，发挥各自的优势；选用高精度数模转换器；利用软件的灵活性提高测量控制仪器的使用性能，如利用动态标定检查校正仪器，克服测量仪器的零点漂移，采用变频启停的方法防止阀门驱动电机失步；建立灵活可变的运行参数表满足各种运行条件下采集和控制的要求；用图形和数据表格实时(或回放)显示被测数据，及时了解试验结果，调整试验组次，监视系统工作情况。先后完成了5项重大科研项目，不仅检验了原设计的正确性，还提出了对原设计的重要修改意见。

    2．河工模型自动检测和控制系统

    在河道治理工程实施前，要根据设计进行河工模型试验，为决策者提供必要的资料。比如淮河干流正阳关至田家庵河段的治理就是如此。为了更好地复演天然情况，必须采用非恒定流动床模型试验，而且最好用典型年的洪水过程线对模型进行验证，这就增加了试验研究的难度。如果没有相应的先进仪器、设备和由此组成的硬软件测控系统，很难完成这样复杂的模型试验任务。安徽省与水利部淮河水利委员会水利科学研究所为完成该模型试验任务，研制了“淮河干流正阳关至田家庵段大型河工模型自动检测与控制系统”，这是一个比较复杂的集散式系统。系统中，不仅有高精确度的量测传感器(如精密水位仪、红外调制式周期法旋桨流速仪、地形仪等)，而且要求多种传感器整合，进行多目标(如进口流量、洪水过程、溃口发展过程、分洪过程等)的观测和闭环控制，以顺利完成试验研究任务。同时在河工模型测控系统中引入MCGS工控组态软件，开发出了一套通用性较强、功能较完善、可靠性高的测控软件系统，保证了试验任务的完成。

    3．堤、坝安全监测

    大坝的安全运行是至关重要的大事。确保已建成大坝安全运行的重要手段之一就是安全监测，包括大坝变形、压(应)力、渗流、管涌、温度、地震等，经过几个五年计划的研制和引进，已形成了适应于混凝土坝和土石坝两大系列的坝体内部和坝体外部监测仪器，如各种应力计、应变仪、沉降仪、测斜仪、多点变位计(水平、垂直)、收敛计和各种测缝计、水准仪、经纬仪、全站仪、波带板激光准直仪等，基本能满足各方面要求。

    大坝安全监测的测点多且分散，工作量大，条件较差，监测自动化势在必行。对于电子仪器，自动化比较容易，但有些机械式仪器，实施起来比较困难，随着“九五”期间遥测遥控水平位移计和遥测遥控垂直位移计的研制成功和全球定位系统(CPS)的应用，自动化问题迎刃而解，并已有一些大坝实现了安全监测自动化，从而实现了大坝的自动化管理。

    堤防和大坝渗漏、散浸、管涌、基础渗漏及大坝的绕坝渗漏是堤防、大坝的重要隐患。堤防和大坝的隐患探测，以往大多沿用钻孔取样分析或人工挖坑探测。这种方法费工费时，特别是在防洪和堤坝发生险情时，为寻找隐患的确切位置，上述方法不能满足要求。中国水利水电科学研究院等单位，引用地球物理勘探方法——瞬变电磁法(又称时间域电磁法)，根据“地质异常的导电率与周围地层的导电率的差异确定地质异常”的原理来探测堤防、大坝隐患，经过几年攻关，研究成功1个系列3种仪器，可在地面上进行堤坝渗漏隐患的快速普查和管涌通道的探测，属于无损探测。探测深度可达30～lOOm，位置分辨率2～5m(可任意设置)，深向分辨率为0.5～2m；相对分辨率(异常体的直径与埋深的比值)约为8.6％，操作简便迅速，1个测点的测定时间不超过0.5分钟。先后在5段堤防和7座水库大坝成功地进行了堤防管涌、散浸，土坝渗漏、基础渗漏、绕坝渗流探测以及灌浆加固效果检验等。

    二、水利工程的急需和水利科技发展的需要推动量测技术的发展

    1．可视化技术

    流动可视化(Flow Visualization)技术又叫流动显示技术，就是将流体在流动过程中所产生的难以用肉眼看到或者虽然可以看到但不易精确测量流动状况的物理现象，采用某些特定的设备(如摄像头、片光源、示踪剂、计算机等)和方法，以直观的形式显示出来，并可进行记录，进而根据所得资料(如流动谱图)进行定性或定量分析，给出现象的物理解释。近几年来，根据研究工作的需要，一些单位如四川大学利用这一先进技术研究某些特定容器中水流的流动特性；清华大学和交通部西南水运工程科研所利用流动可视化技术研究河工模型中流体表面的流态；大连理工大学利用可视化研究海洋污染物的迁移速度、分布范围及污染物浓度变化等；河海大学在研究高速自航船模航行试验中关键要素(船行波、纵倾、航速、伴流场等)的测量时，通过流动可视化系统实现了航行条件的动态显示和航行方案的实时决策，为航行安全提供了更可靠的保证；珠江水利委员会水科所把数学模型和物理模型结合起来，通过可视化技术互为补充，实时修正研究成果，使成果更加完善。

    2．激光颗粒粒度分析仪

    近10多年来，有些科技工作者利用超声波和激光等新技术，进行泥沙颗粒分析的探索，并取得一些可喜的进展。利用超声波进行颗分的理论有新的进展，并且在低含沙量测量方面 取得一些成果，但要应用于实际，还有大量的工作要做。利用激光进行颗粒分析则取得了实质性成果，已在食品、医药、化工、地质、磨料等行业广泛应用。为了在河流泥沙研究中利用激光颗粒粒度分析仪，黄委水文局进行了大量的研究，他们用有代表性的实测资料(黄河干支流34个主要控制站的悬移质和推移质样品120组762个数据)，从基础参数的确定到激光法与传统法泥沙颗粒分析的相关关系；从试验的具体操作方法到测量成果的误差分析、比较等方面进行了仔细的研究，取得了适用于黄河泥沙颗粒分析的一套基础参数，建立了黄河泥沙激光法一传统法粒度级配的衔接互换关系，表明激光粒度分析仪可以推广应用于河流泥沙粒度分析。

    3．水电站过机水流含沙量自动遥测系统

    要研究过机水流含沙量与叶片磨损的关系，必须取得过机含沙量的资料。经过多年的努力，黄委水科院和三门峡水利枢纽管理局合作，研制成功“水电站过机水流含沙量自动遥测系统”。系统除了自动检测、传送数据、显示外，还具有自动存盘，自动纠错等功能，还由于采用超短波传输并设计了剔除干扰信号的软件，抗干扰能力强，可长期无人值守。含沙量测量范围为0—500ks。可连续测量，实测含沙量点据多，资料易于整理，并可打印和归档保存。经与取样置换法对比，相对误差小于0.2％，满足实际工程需要。

    4．感应式数字式水位传感器

    山西省万家寨引黄人晋工程的长引水隧洞的自动化管理，要求水位计能在水流湍急、含沙量大、全封闭的长隧洞里运行，并将水位信号远传到20km以外的隧洞口。引黄工程局向国际招标，没有获得满意的解决方案。山西太原理工大学，研制成功感应式数字式水位传感器，满足了工程的需要。

    感应式数字式水位传感器是采用仿生物学原理和神经网络设计思想研制成功的。使用时，将传感器垂直安装于水中，由下端部的发射头发射超声波信号，信号通过水向感应神经元电路传递，每个感应元电路都由一组感应触发开关所组成，当水位达到某一感应神经元时，该电路输出信号为“0”，否则为“1”，若干个感应神经元电路组成一条水位神经线，构成一把电子水位尺。传感器的精确度取决于神经元电路的排列密度，每个神经元电路相当于电子水尺的1个刻度。取样信号经数／模转换和低频电流调制后，以模拟量输出，经传输线送至二次仪表后，经特殊信号调制电路处理，形成标准工业检测电压或电流，再由专用仪器电路处理，最后成为实时水位检测与控制信号。可通过公用电话网传输水位数据，实现水位自动测报。

    5．水流空化的声学测量技术

    在试验研究中，研究人员常常依靠仔细观察水流中出现可见空泡和耳听辨别空泡崩溃时产生的“尖锐”噪声确定水流空化初生。当水流流态复杂，特别是水流中掺有空泡的情况下，例如发生漩涡型空化，凭肉眼直接观察的方法难以准确判断水流中的空化情况，而水利水电工程的泄水建筑物体积庞大，从进口到出口有时长达数百米，甚至数千米，泄洪水流流速高，水流表面大量掺气，不可能直接观察水流的空化情况，往往依靠模型试验测定出初生空化数。有关水流空化的缩尺效应问题至今仍未解决，模型试验不能全面反映原型水流的空化状况。中国水利水电科学研究院的研究人员仔细研究了水流流动噪声和空化噪声频谱的区别，根据水流空化噪声信号频率高、声压级大和随机性强的特点，采用水下噪声测试技术，远距离监测水工建筑物原体水流噪声情况，分析水流噪声信号在高频段谱曲线的变化特性和噪声能量的变化过程，获得水流空化的有断水流空化的方法，是研究水流空化的一种有效方法，并已应用这一技术成功地监测了小浪底枢纽1号孔板泄洪洞泄洪的水流空化情况。

    6．新型水流流量计量装置

    目前，有不少水流量计量方法如水文站网常用的流速、断面法，利用水工建筑物的测流方法，标准量水堰、槽及各种管道流量计等都得到广泛的应用，近年由美国MGD Technologies Inc生产的Pr020型声学多普勒流量计(ADFM)，既可用于小型明渠也可用于输水管道的水流计量仪表已投入市场。它既可在管道上使用，又可在明渠中应用；既能在满管情况下应用，又能在非满管中应用。测量的是水流的流速分布，对流速积分求流量，所以对流态的要求不高，不要求测量河段有很长的直段。

    7．智能水表

    节水防污型社会建设要求在定额管理的基础上对用水“实行计量收费和超定额累进加价制度”。在这一政策的推动下，水量计量设施发展很快，特别是以IC卡技术为基础的智能水表如雨后春笋般发展起来。其共同特点是可靠性高；保密性能好；用水先付费，用水户可随时查询用水总量和剩余水量，到达用水下限时报警提示，零剩余水量时自动关闭阀门，停止供水；具有掉电自动保护，数据不会丢失，数据可保存10年；可显示瞬时流量和累计总水量。

    8．多波束水下地形勘测系统

水文测验、河道演变研究、河道及河口疏浚、水利工程建设、水库管理、水电站进口及其尾水河道冲淤变化、防洪及洪水灾害处理等都需要水下地形测量。特别是河道疏浚、河道演变研究及堤坝缺口抢险，急需随时了解水下地形变化情况。此前最先进的方法是利用单波束回声测深仪。进行水下地形测量时，根据出图比例和规范要求预先确定测点和测线间距，由水文船一个点一个点地测．取水深数据，从而得到地形图或断面图。也有一些单位结合全球卫星定位系统(GPS)开发了相应的数据采集和处理软件，大大提高了工作效率，但仍不能满足生产和研究工作的需要。近几年，国外已研制出多波束水下地形勘测系统。

    9．重视法规、标准、规范建设