□潘向東（河南省信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

□馮 銳（河南省信陽(yáng)市南灣水庫(kù)管理局）

□盧祖河 □楊培祥（河南省信陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

一、引言

信陽(yáng)市地處淮河中上游，淮河干流橫穿7個(gè)縣（區(qū)），長(zhǎng)度為363.5km，占淮河干流總長(zhǎng)度的1/3。全市河流眾多，其中流域面積＞2000km2的較大支流有6條；流域面積在100km2以上的支流49條，山丘區(qū)小型河道約500條。

淮河干流沿線洼地信陽(yáng)市段地域面積廣大，地勢(shì)低洼，人口密集，洪水期間受淮河和主要支流河道高水位頂托，洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁。目前，這些地區(qū)現(xiàn)狀排水能力差，排水標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低，大部分地區(qū)達(dá)不到3年一遇。因此，因洪致澇已嚴(yán)重影響了這些地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

為了提高淮河流域平原洼地的抗災(zāi)能力，1991年國(guó)務(wù)院在《關(guān)于進(jìn)一步治理淮河和太湖的決定》中明確要求“進(jìn)行湖洼易澇地區(qū)配套工程建設(shè)，提高防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)”，并作為治淮19項(xiàng)骨干工程之一。2004年3月，淮委會(huì)同流域各省水利廳，確定了淮河流域重點(diǎn)洼地治理工程的范圍、內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，水文信息測(cè)報(bào)做為該工程的重要組成部分，河南省水文水資源局已完成可行性研究報(bào)告、初步設(shè)計(jì)的編制，2009年9月，項(xiàng)目專家評(píng)審會(huì)在淮委召開。

二、沿淮洼地基本情況及成澇原因

信陽(yáng)市洼地主要分布在淮河干流息縣以下，閭河副壩以下，潢河潢川以下，白露河官渡以下，史河臥龍與灌河陽(yáng)關(guān)以下，總面積 1902.8km2，其中息縣 479.11km2，潢川縣 262.2km2，淮濱縣525.54km2，固始縣635.96km2。域內(nèi)有3個(gè)縣城和60個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）；京九鐵路東北向西南穿越淮濱、潢川縣境內(nèi)；312國(guó)道東西向穿越潢川、固始縣境內(nèi)，106國(guó)道南北穿越潢川、息縣境，共有人口134萬(wàn)人，耕地11.8萬(wàn)hm2。這片地區(qū)，洪澇災(zāi)害頻繁，較大水災(zāi)平均3年一遇，一般年份受災(zāi)耕地為2.67萬(wàn)hm2。

洼地洪澇災(zāi)害頻繁的主要原因：一是處于氣候、緯度、深山向平原和淮干比降由陡變緩這四種過(guò)渡帶的重疊地區(qū)；二是海拔高度較低，地勢(shì)低洼；三是上游山區(qū)為暴雨中心，雨強(qiáng)大雨勢(shì)猛，來(lái)水面積大，下游排泄出路??；四是防洪保安工程標(biāo)準(zhǔn)低；五是河道平槽泄量小，受淮河和主要支流河道高水位頂托，澇水排不出；六是洼地除澇提排能力低。

三、洪澇災(zāi)情采集現(xiàn)狀

洼地洪澇災(zāi)害信息主要包括水位、流量、水量、洪水調(diào)查、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、人口、地形等水文、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)資料。這些資料的采集涉及水文、地方政府等有關(guān)部門。而信陽(yáng)水文站網(wǎng)提供的水文信息主要服務(wù)于大型水庫(kù)、骨干河道、重要滯洪區(qū)，此次涉及的來(lái)龍圩區(qū)、上油崗圩區(qū)、蘆集圩區(qū)、城郊圩區(qū)、王崗圩區(qū)、谷堆圩區(qū)在洼地洪澇災(zāi)害信息采集方面尚無(wú)任何設(shè)施。

四、洪澇災(zāi)情巡測(cè)建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)淮河流域重點(diǎn)平原洼地的內(nèi)澇和洪澇災(zāi)情情況，建成一個(gè)以洪澇災(zāi)情信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)為保障，決策支持系統(tǒng)為核心的信息系統(tǒng)。要求該系統(tǒng)先進(jìn)實(shí)用、高效可靠地進(jìn)行重點(diǎn)平原洼地各觀測(cè)斷面的信息采集和傳輸，系統(tǒng)建成后信息采集方面應(yīng)達(dá)到下列目標(biāo)水位全部采用瞬時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)、數(shù)字化自動(dòng)傳輸技術(shù)，以提高觀測(cè)精度和時(shí)效。洪量監(jiān)測(cè)采用先進(jìn)的測(cè)流技術(shù)，不僅能提高測(cè)洪能力和精度，而且能適合河堤決口時(shí)較為復(fù)雜斷面的流量測(cè)驗(yàn)，在最短的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出各洼地的內(nèi)澇和決口引起的洪澇水量。

五、流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)方案

（一）浮標(biāo)法

水面浮標(biāo)測(cè)流，是一種傳統(tǒng)的測(cè)流方法，適合于洪水暴漲初期水面漂浮物較多的環(huán)境下使用。其測(cè)流原理是利用浮標(biāo)觀測(cè)水面流速，然后根據(jù)已經(jīng)建立的水面流速與垂向平均流速的關(guān)系計(jì)算各垂線的平均流速，進(jìn)而計(jì)算流量。浮標(biāo)材料一般用稻草，多為六角形，亦有橢圓形。夜間測(cè)流用夜明浮標(biāo)。由于水面浮標(biāo)法具有能測(cè)高流速和測(cè)流歷時(shí)短的特點(diǎn)，至今仍是高水測(cè)流的主要方法。但這種方法不能做到自動(dòng)測(cè)流，效率較低，一般適應(yīng)于水面漂浮物很多的時(shí)段。

（二）流速儀法

流速儀法是一種傳統(tǒng)的測(cè)流方法，在我國(guó)被廣泛地采用，其技術(shù)設(shè)備較為成熟。其觀測(cè)原理是利用流速儀測(cè)量斷面各垂線代表點(diǎn)的流速，利用這些點(diǎn)的流速計(jì)算面平均流速，進(jìn)而計(jì)算流量。目前全自動(dòng)纜道流速儀測(cè)流系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地使用，并成為流量測(cè)驗(yàn)的主要手段之一。纜道流速儀法誤差可以控制在2%～5%的范圍內(nèi)，且無(wú)需借用其他設(shè)備率定。所謂全自動(dòng)纜道流速儀測(cè)流系統(tǒng)，就是人工一次啟動(dòng)測(cè)流裝置后，纜道系統(tǒng)自動(dòng)連續(xù)地將吊掛流速儀放置到設(shè)定的各起點(diǎn)距垂線位置，自動(dòng)測(cè)量該處水深和幾個(gè)不同水深的流速，然后利用配套的微機(jī)測(cè)流系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出斷面面積和流量。這種方法測(cè)驗(yàn)一次需要較長(zhǎng)的時(shí)間，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。但這種方法可以和水位觀測(cè)相結(jié)合，率定水位流量關(guān)系，再通過(guò)對(duì)水位的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種測(cè)驗(yàn)方法也可以作為其他測(cè)流方法（超聲波測(cè)流法、水工建筑物測(cè)流法等）率定的主要手段。

由于纜道流速儀測(cè)流法具有精度高、不需率定等特點(diǎn)，在寬度合適（＞500m）的不規(guī)則斷面可優(yōu)先選用。在一些河道寬闊，架設(shè)過(guò)河纜道困難的測(cè)驗(yàn)斷面，船載流速儀法仍被采用。但這種測(cè)驗(yàn)必須由人工操作，在洪水期間容易發(fā)生危險(xiǎn)，而且測(cè)驗(yàn)速度慢。

（三）超聲波時(shí)差法

超聲波時(shí)差法經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到管道和渠道的流量測(cè)驗(yàn)中。其工作原理是利用超聲波在水流中的傳播特性，用一組或多組超聲換能器來(lái)測(cè)量同水層平均流速，利用超聲波在不同傳播介質(zhì)中的傳播特性測(cè)量水深。如果是規(guī)則的斷面，則可以通過(guò)水深計(jì)算斷面面積，通過(guò)逐層流速積分（差分）和人工率定的流量修正系數(shù)，則可以計(jì)算出流量。若為不規(guī)則斷面，則需要建立斷面水深～面積數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)觀測(cè)的各層流速和水深計(jì)算流量，或根據(jù)人工率定的流量系數(shù)計(jì)算流量。

其水深觀測(cè)原理與超聲波水位計(jì)一樣，這里不再贅述。

流速觀測(cè)，單層或多層超聲波換能器被斜交叉地布置在河道兩岸，超聲波換能器由儀表控制，從河道一岸順流發(fā)射超聲波，另一岸接收，然后再反向工作。根據(jù)觀測(cè)的順、逆方向傳輸時(shí)間之差計(jì)算出相應(yīng)水層的平均流速。

該儀器可以做到實(shí)時(shí)在線連續(xù)觀測(cè)，但在河道較寬（＞500m）和含沙量較大的斷面無(wú)法使用。另外，控制儀表對(duì)岸的換能器的信號(hào)要求通過(guò)有線來(lái)傳輸，架空或河底電纜給施工和管理維護(hù)帶來(lái)較大的困難。同時(shí)，這種測(cè)流方法容易受到行船的影響。

這種測(cè)流方法適應(yīng)于有一定水深且較為穩(wěn)定的斷面。必須具備面積參數(shù)，并經(jīng)過(guò)流速儀法率定后才能投入使用。由于儀器昂貴，維護(hù)工作重要，只能在有人駐守的斷面采用，不適用于巡測(cè)系統(tǒng)。

（四）ADCP法

目前推廣使用比較廣泛的ADCP主要有船載走航式和漂浮式2種。船載走航式ADCP安裝在船上，利用測(cè)船載測(cè)驗(yàn)斷面上橫穿河道，測(cè)出斷面形狀和流量。漂浮式ADCP可以自由地漂浮在水面上，用過(guò)測(cè)船或其他牽引設(shè)施牽引眼測(cè)驗(yàn)斷面橫穿河道，完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。

超聲波多普勒水流剖面儀（ADCP）測(cè)量原理是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比。在超聲波多普勒流量測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨水流一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒起到了與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的“觀察者”的作用。它可以把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收器。發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差與水流速度成正比，所以測(cè)量頻差可以求得流速。

因?yàn)槌暡ǘ嗥绽账髌拭鎯x（ADCP）一次能同時(shí)測(cè)出河床的斷面形狀，水深、流速和流量，適應(yīng)面寬，測(cè)驗(yàn)精度較高。該流量計(jì)的主機(jī)和換能器裝在一防水容器內(nèi)，工作時(shí)全部浸入水中，通過(guò)防水電纜與微機(jī)相連，通過(guò)微機(jī)操作控制流量計(jì)。流量計(jì)全套系統(tǒng)通過(guò)蓄電池供電，也可用交流電供電。流量計(jì)的換能器一般有3個(gè)或4個(gè)發(fā)射頭組成，這些發(fā)射頭可以向水下發(fā)射超聲波，這些超聲波在由水面?zhèn)飨蚝拥椎倪^(guò)程中，不斷地經(jīng)水中的固體顆粒、氣泡和河底反射回來(lái)。根據(jù)這些返回信號(hào)的頻率，可以測(cè)出流量計(jì)和各水層以及河底的相對(duì)位移速度。流量計(jì)與河底的相對(duì)位移速度即是船速。流量計(jì)與各水層的相對(duì)速度扣除船速，就是各水層相對(duì)于河底的流速。根據(jù)河底返回信號(hào)的時(shí)間，可以測(cè)出水深。流量計(jì)橫穿河道一次，可以測(cè)量出經(jīng)過(guò)各點(diǎn)的水深、流速和水流方向。將流速矢量對(duì)河床水流斷面進(jìn)行積分，便得到斷面流量。因?yàn)椴捎玫氖鞘噶糠e分，所以所測(cè)流量值與ADCP過(guò)河路徑無(wú)關(guān)。

走航式ADCP精度高，使用方便，適應(yīng)于寬度較大（＞500m）高水時(shí)使用，也可作為其他測(cè)流斷面水位～流量關(guān)系的率定工具。

（五）超聲波多普勒側(cè)視法

超聲波多普勒側(cè)視測(cè)流儀（H-ADCP）是美國(guó)儀器公司1998年開發(fā)的產(chǎn)品。由于該產(chǎn)品安裝容易、操作方便、價(jià)格相對(duì)較低而得到推廣。其工作原理與走航式ADCP一樣以聲學(xué)多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)。該測(cè)流儀采用一體化的結(jié)構(gòu)，將換能器和電子部件集中在一個(gè)密封容器內(nèi)，工作時(shí)全部浸入水下，通過(guò)防水電纜傳輸信息。

該測(cè)流儀主要由3個(gè)超聲波探頭組成。2束超聲波沿水平方向呈一定角度向?qū)Π栋l(fā)射，利用多普勒原理計(jì)算本層水流某一段上各點(diǎn)的二位流速。另一束超聲波向上發(fā)射，通過(guò)觀測(cè)發(fā)射波和水面反射波的時(shí)間差測(cè)量水深。再根據(jù)預(yù)先率定好的數(shù)學(xué)模型，求得斷面的平均流速和流量。測(cè)流的精度取決于數(shù)學(xué)模型的精度。

這種測(cè)流儀安裝方便，價(jià)格較低，可靠性高，能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。但其僅用某一層流速來(lái)估算斷面平均流速，造成較大誤差，也給數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和率定帶來(lái)困難。因此只能在斷面規(guī)則穩(wěn)定、水位變幅較小、寬度較小的斷面上使用。

（六）水工建筑物測(cè)流法

水工建筑物測(cè)流是一種常用的測(cè)流方法，主要用于閘門、涵洞泄流量的測(cè)量。其原理是利用觀測(cè)的水工建筑物上、下游水位、閘門開啟度等變量，根據(jù)水工建筑物的泄流公式，計(jì)算泄流量。如自由出流閘門的泄流公式為：

上式中Q、C、B、H0分別為流量、流量系數(shù)、過(guò)水寬度、上游水頭。

流量系數(shù)必須經(jīng)過(guò)率定才能使用。測(cè)驗(yàn)精度受到進(jìn)行率定工作所使用的測(cè)流方法和水工建筑物本身上下游水位、閘門開啟度等測(cè)驗(yàn)方法的雙重影響，因此精度不高。

水工建筑物測(cè)流方法簡(jiǎn)單，水位、閘位觀測(cè)設(shè)備安裝容易，且容易實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)觀測(cè)。因此可以在新規(guī)劃的分水口門斷面，考慮使用這種測(cè)流方法。但在使用過(guò)程中，要對(duì)水位、閘位、流量關(guān)系曲線（或流量系數(shù)）做定期率定，以保證流量的精度。

（七）水位比降法

這種方法通過(guò)測(cè)量河流某一順直河段比降，根據(jù)曼寧公式計(jì)算流量。這一方法受河槽糙率系數(shù)的影響很大，且該系數(shù)很難估計(jì)準(zhǔn)確。因此估算的流量精度較差。在受水工建筑物影響和比降較小的河段，其計(jì)算精度更差，因此在本系統(tǒng)中不予采用。

（八）水位流量相關(guān)法

對(duì)于水位流量關(guān)系較好的河道站，可以通過(guò)對(duì)水位的實(shí)時(shí)觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的實(shí)時(shí)觀測(cè)。由于受洪水波的影響，洪水期間測(cè)流斷面水位流量關(guān)系比較混亂，但在其他時(shí)段，水位流量關(guān)系較好，因此這種方法可以適應(yīng)于非洪水期間的斷面測(cè)流。

六、方案比選

綜上所述8種測(cè)流方法，浮標(biāo)法、水位比降法由于精度所限，在本系統(tǒng)中不予采用。流速儀法精度最高，纜道流速儀法在目前水文測(cè)驗(yàn)中應(yīng)用最為廣泛，但該方法不具備巡測(cè)功能。由于車載流速儀法測(cè)驗(yàn)速度慢，在大洪水期間，測(cè)驗(yàn)垂線和測(cè)驗(yàn)點(diǎn)代表性差，還必須在有橋梁等過(guò)河建筑物的斷面才能使用，因此，車載流速儀法在本系統(tǒng)中只作為次要測(cè)驗(yàn)手段。

超聲波時(shí)差法、超聲波多普勒側(cè)視法、水工建筑物測(cè)流法、水位流量關(guān)系法等都只能在固定的某斷面適用，不具備巡測(cè)功能。因此，在中心設(shè)備配置中，不考慮這些測(cè)驗(yàn)方法。

走航式ADCP法，技術(shù)先進(jìn)，精度較高，能自動(dòng)觀測(cè)斷面面積和流速分布，進(jìn)而直接計(jì)算流量，不需要率定即可投入使用。這種測(cè)驗(yàn)方法機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，為水文巡測(cè)的首選方法?？紤]到漂浮式ADCP具有更強(qiáng)的實(shí)用性，在有橋梁等過(guò)河建筑物的地方，人工牽引就能以很快的測(cè)驗(yàn)速度完成流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)，并能獲得較高的精度。因此，本系統(tǒng)推薦在各中心主要配備漂浮式ADCP以實(shí)現(xiàn)巡測(cè)功能。

根據(jù)所選擇6個(gè)圩區(qū)的測(cè)流斷面情況，寬淺斷面較多，不宜架設(shè)測(cè)流纜道和吊船過(guò)河索，大部分?jǐn)嗝嫘螤畈灰?guī)則，且均為粘土河床，受沖淤影響變化不大，非常適合漂浮式ADCP法測(cè)流（該法適應(yīng)寬度較大的斷面，不受測(cè)流斷面形狀限制，精度高、使用方便），但該方法受水深限制（水深太淺時(shí)，盲區(qū)較多，影響精度）。因此，根據(jù)圩區(qū)近幾年洪水期情況調(diào)查，來(lái)龍、蘆集、城郊圩區(qū)的測(cè)流斷面采用ADCP法測(cè)流，其余斷面采用ADCP兼船載流速儀法測(cè)流，個(gè)別較寬淺的斷面考慮人工涉水流速儀法測(cè)（水深＜1.50m）。

[1]嚴(yán)義順.水文測(cè)驗(yàn)學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2002.

[2]田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用[C].鄭州：黃河水利出版社，2003.