姜建波 梁 軍 吳 昊 霍中遷

（淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

流量信息采集需要在斷面上設(shè)置測流設(shè)施，采用規(guī)范規(guī)定的測流方法，施測過水?dāng)嗝媪魉伲俑鶕?jù)采集的水位、流速等信息，依據(jù)水位面積關(guān)系，計(jì)算出斷面平均流量。對可以率定水位流量關(guān)系的測站，通過率定水位流量關(guān)系，據(jù)此可推算各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)流量，再計(jì)算各時(shí)段的平均流量和水量；對不能率定水位流量關(guān)系的測站，可通過連續(xù)施測流量過程數(shù)據(jù)，采用實(shí)測流量過程線法計(jì)算各時(shí)段的平均流量和水量。

1 常規(guī)流量測驗(yàn)方法

常規(guī)流量測驗(yàn)方法主要有流速儀法和超聲波走航法。

1.1 流速儀法

流速儀法是流量常規(guī)測驗(yàn)方法，一般采用纜道或測船進(jìn)行施測，其技術(shù)成熟，測流精度高，無須其它條件和借用輔助設(shè)備，目前是我國水文系統(tǒng)流量測量的主要（標(biāo)準(zhǔn)）手段之一。但是，由于該方法每次測流需在多條垂線上的很多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行施測，一次流量測驗(yàn)需要幾十分鐘甚至更長時(shí)間，故無法實(shí)現(xiàn)在線或連續(xù)測流。

1.2 聲學(xué)多普勒水流剖面儀法

超聲波多普勒水流剖面儀（ADP或ADCP）是一種游動(dòng)式測流設(shè)備，適用面寬、精度高、施測速度快，它在一次測流中，能同時(shí)測出河床的斷面形狀、水深、流速。因此，在我國水文部門已逐步廣泛應(yīng)用此法進(jìn)行江河固定斷面的流量測驗(yàn)和水文巡測。但是，該方法需要采用測船或纜道牽引方式，目前還難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測流。

2 全自動(dòng)流量測驗(yàn)方法

隨著國外新技術(shù)和設(shè)備的引進(jìn)，聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)、超聲波時(shí)差法流量測驗(yàn)已在部分地區(qū)得到應(yīng)用。

2.1 聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)

聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)是利用聲學(xué)多普勒原理測量流速，分為聲學(xué)多普勒橫向流量測驗(yàn)、聲學(xué)多普勒垂向代表線法流量測驗(yàn)兩種方式。

（1）聲學(xué)多普勒橫向流量測驗(yàn)。聲學(xué)多普勒流速測量傳感器通常安裝在河流或渠道的岸邊，其水平或斜線發(fā)射的波束涵蓋部分或整個(gè)寬度的水體，可實(shí)時(shí)測量一個(gè)水層或兩個(gè)水層的流速分布。聲學(xué)多普勒流速剖面儀主要由一個(gè)到多個(gè)超聲波探頭組成，可沿水平方向，也可水平與斜線交叉隨意組合（可不在同一水層）發(fā)射兩束或多束聲波，利用多普勒原理測量水流一層或多層幾百個(gè)點(diǎn)位置上的流速。

聲學(xué)多普勒橫向流量測驗(yàn)的工作原理是：將聲學(xué)多普勒流速測量傳感器探頭固定安裝在水面下某一水深處，使聲學(xué)多普勒探頭上的聲學(xué)傳感器位于水下同一層面上或上下兩個(gè)層面上，聲學(xué)多普勒傳感器呈一定角度向?qū)Π栋l(fā)射超聲波時(shí)，超聲波遇到水中和水一起流動(dòng)的懸浮物會(huì)產(chǎn)生反射，部分聲波反射至發(fā)射端被聲學(xué)多普勒流速測量傳感器接收，且反射回來的聲波頻率會(huì)隨流速的大小發(fā)生變化，根據(jù)頻率大小便可計(jì)算出各層水流某一段上各點(diǎn)的矢量流速。只要測驗(yàn)范圍達(dá)到斷面主槽，就能建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關(guān)系。另外需測量水深，再根據(jù)水深和儀器安裝高程算出水位，然后由“水位-過水面積關(guān)系表”便能得到過水面積。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀利用聲學(xué)多普勒流速測量傳感器提供的流速數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)，采用“指標(biāo)流速法”可實(shí)時(shí)計(jì)算流量，或用流量計(jì)算模型直接計(jì)算流量。

（2）聲學(xué)多普勒垂向代表線法流量測驗(yàn)法。以曼寧公式為基礎(chǔ)，借助水力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，從矩形、三角形斷面入手，尋求垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系，建立與曼寧公式具有相同結(jié)構(gòu)形式的垂線流速公式，改天然河道中綜合糙率為分解糙率，并以二條實(shí)測垂線流速為已知條件反求能坡（水流能量坡度）參數(shù)，代替曼寧公式中比降與糙率的比值關(guān)系，從而使成果精度顯著提高，并借助等效流量原理，可解決多種非恒定、非均勻流條件下流量測驗(yàn)問題。

兩條垂線的布設(shè)：兩條流速垂線位置不應(yīng)該選擇岸邊和中泓，應(yīng)該分別選擇在距左、右岸約1/4 水面寬處為宜。

垂線流速測驗(yàn)。將2 臺聲學(xué)多普勒多點(diǎn)剖面流速儀安裝于河道底部，由河底向水面發(fā)射聲波進(jìn)行測量。可測得由河底至水面每隔0.25 m 為一個(gè)單元的流速，就好比用多個(gè)流速儀每隔0.25 m 水深放置于一垂線上同時(shí)進(jìn)行在線測量（如圖1 所示）。

2.2 工作原理

超聲波時(shí)差法流量自動(dòng)監(jiān)測工作原理：按流動(dòng)方向?qū)ΨQ地安裝一對換能器，聲波在靜水中傳播時(shí)，有一恒定的速度，此傳播速度會(huì)隨水溫、鹽度、含沙量發(fā)生一些變化，但當(dāng)水流狀況一定時(shí)，此傳播速度是一定的。由于水流速度的影響，在順?biāo)畟鞑r(shí)實(shí)際速度大于聲速，逆水傳播時(shí)實(shí)際速度小于聲速。通過超聲波時(shí)差法流速儀器測得聲波順、逆流方向的傳輸時(shí)間，在測量距離固定的情況下便可算出測線平均流速，故稱為“時(shí)差法”（如圖2 所示）。

聲學(xué)多普勒橫向流量測驗(yàn)、聲學(xué)多普勒垂向代表線法流量測驗(yàn)、超聲波時(shí)差法流量測驗(yàn)等流量在線監(jiān)測方法都是建立在流速面積法的基礎(chǔ)上，通過測量部分流速，經(jīng)計(jì)算得到斷面流量數(shù)據(jù)。幾種流量在線測驗(yàn)技術(shù)對比分析情況見表1。

由表1可知，運(yùn)用時(shí)差法流量測驗(yàn)方法測流時(shí)從河底鋪設(shè)水下電纜往往很困難，時(shí)差法流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（無線聲路）是用無線方式代替電纜，即：左岸的主機(jī)連接一個(gè)換能器，對面岸堤安裝一個(gè)副主機(jī)和一個(gè)換能器，一個(gè)主機(jī)最多可以同時(shí)控制2個(gè)斷面，2 個(gè)傳感器主機(jī)和副主機(jī)之間的通訊通過無線方式完成。垂向代表線法流量測驗(yàn)方法是將測流傳感器安裝在河底基座上，這種測驗(yàn)方式在通航河道運(yùn)用時(shí)需要與航道管理部門協(xié)調(diào)，但運(yùn)行維護(hù)比較困難，有條件的測站可以采用。聲學(xué)多普勒橫向法流量測驗(yàn)方法是將測流傳感器安裝在河道的一側(cè)，通過測量一層的流速來計(jì)算流量，對設(shè)備的安裝和率定都相對方便，且多普勒橫向流量測驗(yàn)方法具有安裝調(diào)試方便的特點(diǎn)，比較適合用于中小河流斷面流量自動(dòng)測驗(yàn)，但對水位變幅較大的斷面需要安裝自動(dòng)升降設(shè)施，以減少率定的工作量。

圖1 多點(diǎn)剖面流速儀垂線測量示意圖

圖2 時(shí)差法流量測量示意圖

表1 不同在線測流技術(shù)比較表

另外，聲學(xué)多普勒橫向流量測驗(yàn)方法需要滿足一定的使用條件，才能真正實(shí)現(xiàn)流量在線測量。根據(jù)多普勒橫向流量測驗(yàn)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和研究，需要滿足以下條件：

（1）斷面寬深比一般應(yīng)小于15∶1；

（2）測驗(yàn)斷面相對順直；

（3）斷面流態(tài)情況相對穩(wěn)定；

（4）水體不能太清，含沙量不應(yīng)超過15 kg/m3；

（5）斷面河床穩(wěn)定，水位變化不能太大；

（6）斷面流速不小于3 cm/s。

表2 測流儀器選配表

3 各站測流選配方案

2012～2013年度江蘇省中小河流水文設(shè)施工程共新建74 個(gè)水文站，根據(jù)現(xiàn)場查勘和用戶需求調(diào)研，對對河寬在35～135 m之間、水深在0.35～8.5 m 的河道斷面運(yùn)用聲學(xué)多普勒多點(diǎn)剖面流速技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)測流。測流儀器選配如表2。

筆者通過對水文監(jiān)測中流量測驗(yàn)方法進(jìn)行剖析與探究，對比各自的適用環(huán)境及優(yōu)缺點(diǎn)，為江蘇省中小河流水文監(jiān)測設(shè)計(jì)提供切實(shí)可行的依據(jù)。