劉望天

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000)

1 概述

從水文學誕生之日起，水要素的觀測成為了首要任務。研究地球水的空間和時間變化規(guī)律，感知水的存在、定量觀測水是必要的，也是水文學研究的基礎和關鍵。水文監(jiān)測就是通過水文站網(wǎng)對江河、湖泊、渠道、水庫的水位、流量、水質(zhì)、水溫、泥沙、冰情、水下地形和地下水資源，以及降水量、蒸發(fā)量、墑情、風暴潮等實時監(jiān)測，并進行分析和計算的活動[1]。其中，河流流量的實時監(jiān)測是水文監(jiān)測的核心和關鍵。隨著現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，水文要素按照小時或分鐘實時在線監(jiān)測已成為可能。根據(jù)水文監(jiān)測現(xiàn)狀，以小時或分鐘實時監(jiān)測河道流量、泥沙是最大的瓶頸，流量測驗現(xiàn)代化是實現(xiàn)水文現(xiàn)代化的關鍵環(huán)節(jié)和難點。本文根據(jù)作者多年水文監(jiān)測實踐經(jīng)驗，全面總結(jié)和探索了河流流量測驗方法和手段，旨在為廣東水文現(xiàn)代化建設提供有益的思路和參考價值。

2 流量測驗方法分類

2.1 規(guī)范測驗方法

根據(jù)國家有關規(guī)范，河流流量測驗方法主要有流速法、浮標法、比降面積法、聲學測流法(聲學多普勒法)、電磁法(電波流速儀)、體積法(直接測量法)、水工建筑物測流法、量水建筑物、稀釋法(示蹤劑法)、代表流速法等，國家標準推薦可采用國際標準(ISO)的其他方法[2]。其中流速儀法、浮標法作為《河流流量測驗規(guī)范(GB 50179—2015)》推薦標準，比降面積法、水工建筑物測流法、聲學多普勒法作為水利行業(yè)推薦標準，其他方法有少量應用和試驗研究。

從水文監(jiān)測是否與水體直接接觸區(qū)分，上述河流流量測驗方法可分為“直接接觸法”、“部分接觸法”和“非接觸法”3種，其中電磁法為非接觸法，浮標法、比降面積法為部分接觸法，上述其余7種為直接接觸法。該分類方法的現(xiàn)實意義在于在特大洪水或超標準洪水水文應急監(jiān)測中，采用哪種方法，往往體現(xiàn)了水文現(xiàn)代化發(fā)展情況和“以人為本、安全第一”的安全生產(chǎn)理念。

2.2 理論測驗方法

理論測驗方法可分為流速儀法、浮標法、比降面積法、量水建筑物法、溶液法、動船法、纜道積寬法、橋測法、超聲波法、電磁法、航空攝影法(航空測流法)、高性能視頻水面流速法、側(cè)掃雷達在線流量法、點流速雷達在線流量法、水平式ADCP在線流量法等。

其中2020年水利部水文司已發(fā)布側(cè)掃雷達在線流量法、點流速雷達在線流量法、水平式ADCP在線流量法等應用技術指南，該方法取得了初步成果；基于無人技術的航空攝影法(航空測流法)也開始研究應用。

3 測驗方法梳理分析

3.1 傳統(tǒng)測驗方法分析

流速儀法是“直接接觸法”，在河流流量測驗實踐應用中，其一直占主導地位，浮標法、比降面積法作為特大洪水及超標準洪水流量測驗方法。采用流速儀法開展實時在線河流流量測驗，主要解決3個問題：一是跨河橫渡斷面問題；二是河流表面障礙物；三是流量自動計算問題。一般來說，跨河橫渡斷面在500 m河寬內(nèi)可以通過建設過河纜道解決，河寬很寬時，只能采用測船來解決；若是河道無通航要求，河流表面障礙物好像不太重要，但河流表面的漂浮物無法避免。流速儀法的優(yōu)點是儀器價廉物美，人工操作簡單，計算數(shù)據(jù)量小，符合國家規(guī)范；不足是必須依托過河纜道或大型測船，測驗安全系數(shù)不高，是人力型測驗方法，只可實現(xiàn)半自動化，無法實現(xiàn)實時在線流量測驗問題。

浮標法、比降面積法是“部分接觸法”，要預先選定測驗河段及測定大斷面，采用借用斷面計算流量。浮標標法在實踐中常常采用天然中泓浮標，由人工計算經(jīng)過上、中、下浮標斷面的時間以計算浮標流速，進而計算流量，浮標系數(shù)是流量測驗精度的關鍵，需要積累不同河段的浮標系數(shù)。浮標法的優(yōu)點是操作通俗易懂，計算簡單明了，適用性廣泛，只要有順直且斷面基本一致的河段以及浮標，就可以實現(xiàn)流量測驗；不足之處是費時費力，需要人員多，不一定有合適的河段或操作人員不能抵達岸邊觀察浮標，測驗精度不好把握，需要水位流量測驗足夠的經(jīng)驗，不可實時在線。

比降面積法通過觀測比降，采用曼寧公式計算流量，糙率是該方法流量測驗精度的關鍵因素，河道特性和洪水規(guī)模往往會相互影響，需要在特定斷面上積累糙率資料。比降面積法的優(yōu)點是人工操作簡單，只要看看比降即可，計算不復雜，適應性廣；不足之處是測驗精度不好把握，需要豐富流量測驗經(jīng)驗，不可實時在線。

傳統(tǒng)的代表流速法通過精簡分析，找出最少的流速測驗垂線或測點，建立垂線或測點與斷面平均流速的關系，進而減少測線或測次，達到不降低流量測驗精度，增加安全保障系數(shù)。這在特大洪水或超標準洪水流量測驗一直起到重要作用，例如春日屋法在武江坪石、代表垂線發(fā)犁市水文站的應用。傳統(tǒng)代表流速法的優(yōu)點是簡單明了，精度可控，安全系數(shù)高，計算數(shù)據(jù)量少；劣處是依賴渡河設施，適用性主要看測站特性，不可實時在線。

量水建筑物法主要是堰槽測流法，是渠道型河道流量測驗的最好方法，得到了廣泛應用，每年比測率定一下就可滿足精度要求。優(yōu)點是適用小型河道，精度準確，測驗次數(shù)少；劣處是河道必須渠化，河道也不能太寬，天然河道往往做不到這一點。

體積法(直接測量法)一般應用于微小流量測驗，在河道流量測驗應用少，使用條件是流量非常小的河流，但往往其他方法更加有效；稀釋法(示蹤劑法)沒有應用于生產(chǎn)實踐，國內(nèi)處于研究階段。

3.2 現(xiàn)代測驗方法分析

隨著河流上水資源不斷開發(fā)利用，大量的水利工程在有水文站測驗任務的河流上建成，原有的流量測驗斷面往往受其影響，但程度不一。對于受水利工程影響的河流或渠道，水工建筑物測流法是解決流量測驗問題的最直接手段，采用其他方法往往作為有效補充是比較明智的選擇。有些試圖采用固定式聲學多普勒法，以解決受水利工程影響的流量測驗問題，往往得不到滿意的效果就是例證。

聲學測流法，主要是聲學多普勒流速儀法，是21世紀水文工作者希望通過它來解決河流流量測驗問題的主要手段。20 a前，聲學多普勒流速儀法行業(yè)規(guī)范未制定公布，一直制約著該項技術的大膽應用。自從《聲學多普勒流量測驗規(guī)范》(SL 337—2006)發(fā)布后，采用聲學多普勒法流速儀法解決流量測驗的自動化和實時在線問題，得到空前迅速發(fā)展，成了21世紀初至今的主流方法。聲學多普勒流速儀法有兩種方式[5]：一是走航方式，即走航式ADCP；二是固定式，多采用橫式安裝，即H-ADCP。前者只是用ADCP替代了流速儀，本質(zhì)上是流速面積法，只是采用更加縝密的流量積分計算，優(yōu)點是實現(xiàn)了流量計算的自動化，提高了測驗精度，增加了全斷面各層流速流量數(shù)值；不足之處是水太淺是無法進行測驗，操作者需要一定的計算機技能和分析能力，搭載方式也需要操作者一并考慮。當前，聲學多普勒流速儀法基本上與傳統(tǒng)流速儀法成為了河道流量測驗的主要手段。

電磁法(電波流速儀、非接觸式雷達法)是近10 a來發(fā)展的一種方法，屬于“非接觸法”，是當前發(fā)展最快的方法之一，其主要是通過實測河流表面部分流速(稱為代表流速法或指標流速)，建立部分表面流速與斷面平均流速關系，進而計算斷面流量。該方法在部分山區(qū)斷面窄深、流速大的河流獲得了初步成功，關鍵點是儀器安裝代表性好、流速大，河寬小。優(yōu)點是安全快捷，在大流量、高流速情況下應用較好；不足之處是小流量、小流速不適用，表面流速分布不穩(wěn)定的斷面難以獲得成功。

側(cè)掃雷測流法是利用雷達遙感技術對河流進行實時監(jiān)測，側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)依據(jù)布拉格散射和多普勒原理測量河流的表面流速，使用這些數(shù)據(jù)及已知的河流橫截面圖(深度分布)和已測的水位計算出河流流量。側(cè)掃雷達測流系統(tǒng)采用太陽能供電和移動蜂窩通信，流速測量、數(shù)據(jù)上傳、流量合成無需人工干預，可實現(xiàn)河水流量的自動化監(jiān)測。適用于各種復雜環(huán)境情況，能濾除船舶、周邊建筑、陸地移動汽車等構(gòu)成的雷達回波干擾，最大探測距離可達800 m以上，適用于內(nèi)陸河流、界河、大江大湖等天然流域的流量監(jiān)測[3]。該方法是采用了新技術手段監(jiān)測河流水面流速，建立水面流速與斷面平均流速的關系，本質(zhì)屬于代表流速法。優(yōu)點是抗干擾能力強，測流原理突破了傳統(tǒng)思維；不足之處是儀器昂貴，安裝條件比較苛刻。

航空攝影法(航空水面測流法)利用無人機搭載雷達或者拋投式浮標等流速測驗設備，測得沿斷面水平方向逐條垂線的水面流速后，有兩種計算方法計算虛流量，一種是部分面積法，即類似于水面浮標法流量測驗計算方法，通過逐點水面流速計算兩垂線間的部分水面流速，通過借用斷面計算兩垂線間的部分面積，部分流速乘以部分面積得到部分虛流量，然后部分流量相加，得到斷面虛流量。另一種是單寬流量法，即采用測速垂線水面流速乘以測速垂線水深(也是測深垂線)，然后單寬流量乘以水面寬后相加得到斷面虛流量[4]。最后，再建立虛流量與實測流量的關系，通過比測試驗或通過經(jīng)驗系數(shù)獲得流量系數(shù)K，從而得到河道實際流量。該方法的優(yōu)點是機動靈活，一機多用，適用于水文應急測驗工作；短處是操作者需要領取駕駛執(zhí)照，有航空管制或流經(jīng)城市的河流斷面不可使用。

4 流量測驗方法實踐探索

隨著國內(nèi)外現(xiàn)代科學技術和信息化水平的高速發(fā)展，河流流量測驗現(xiàn)代化有了極大可能。引進各種新的儀器設備進行試驗應用，若是某種技術應用于河流流量測驗取得了取得了初步成功，則加大力度推廣應用，這種方法在以前和當前是一種不可或缺的好模式，但往往忽視了水文學基本原理和流量測驗規(guī)范原則等。水文學之所以稱為研究地球的古老學科和基礎學科，不是某一單項科學技術發(fā)展就可以將解決所有問題的，定量的觀測水文要素歷來都必須得到重視，水文學的發(fā)展才變得可能。

在河流流量測驗實踐中，要想獲得小時或分鐘間隔的河流實時在線測驗流量成果，推進廣東水文現(xiàn)代化進程，有3種途徑：一是用傳統(tǒng)流量測驗方法，在必要的環(huán)節(jié)加入現(xiàn)代科學技術；二是采用當前流行的測驗方法總結(jié)提高，進一步規(guī)范和提升當前聲學多普勒法流速儀測驗方法的應用水平；三是引進新技術裝備，研究試點取得成功后，推廣應用。從成本效益來看，第1種途徑成本最小，效益可觀；第2種成本次之，效益最大，應作為當前努力方向；第3種成本最大，效益最小，可作為以后規(guī)劃應用考慮方向。

4.1 聲學多普勒法流速儀法應用進展

走航式ADCP進口產(chǎn)品應用有20多年了，已經(jīng)成為當前廣東水文測驗的主要設備，存在問題是在高含沙量或者河床走底時存在流量偏小問題，可通過外加GPS及羅經(jīng)解決了上述問題。不足之處明顯，即大流量、高流速、高含沙量仍然采取測船橫渡河道斷面的做法，在安全生產(chǎn)高要求高保障情況下，顯得膽顫驚心。因此，走航式ADCP配合測船在中小洪水或枯水期流量測驗是滿足要求的，也是安全的。

進口產(chǎn)品H-ADCP在廣東應用超過了20 a，在水深條件足夠的情況下，尤其是在河口或三角洲受潮汐影響的水文站，不但水深條件滿足，可依托的安裝方式也很多，是最優(yōu)的流量測驗手段及方法之一。實踐中，安裝在河道主流橋墩上，是最好的方式；其次是安裝在靠近主流的岸邊水位自記臺上，效果稍差但安全系數(shù)高且維護方便；最后是通過打三角樁的方式固定在河床岸邊，此類方式維護不方便且容易受到水中作業(yè)的破壞。多年應用實踐表明，只要安裝在河道斷面主流的橋墩上，即使代表流速測量范圍只有幾十米，也是可以找到代表流速與斷面平均流速的良好關系，其中國家重點水文站馬口、三水站在2017年、2020年10年一遇的較大洪水條件下，設備運行可靠，測驗精度滿足規(guī)范要求。

當前國內(nèi)聲學多普勒流速儀(ADCP、H-ADCP)發(fā)展比較快，已有多家高新技術企業(yè)成功開發(fā)了ADCP硬件及測流軟件，部分產(chǎn)品通過測試并且得到了水利部技術推廣中心的新產(chǎn)品推廣認可，已達到水文規(guī)范要求。2019—2020年，我局引進國產(chǎn)ADCP 600 KHz以及H-ADCP 600 KHz開始進行示范試驗，在水流條件比較好的河段，獲得了滿意結(jié)果。國產(chǎn)走航式ADCP軟件個性化需求得到滿足，產(chǎn)品滿足了廣東文文系統(tǒng)要求。

無論是進口還是國產(chǎn)H-ADCP應用的不足地方是，后臺數(shù)據(jù)接收平臺的建設滯后，這有有賴于國內(nèi)企業(yè)在數(shù)據(jù)的應用產(chǎn)品及服務上更上一層樓，既要安全快捷接收H-ADCP探頭的實測數(shù)據(jù)，又滿足水文資料整編程序以及通信規(guī)約，達到外接數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品多樣性，解決數(shù)據(jù)接收及處理統(tǒng)一性及數(shù)據(jù)保密性問題。

4.2 智能化纜道流速儀法應用進展

在河寬500 m以內(nèi)的河流，依托現(xiàn)有水文站網(wǎng)建設自動纜道流量測流系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)，在利用人力資源少量的前提下，實現(xiàn)自動觀測河流斷面，遠程或現(xiàn)場實時監(jiān)測流量。限制條件是要能建設纜道，有固定的纜道房，需要少量人力資源。優(yōu)點是投資不大，滿足現(xiàn)有人員技術水平，滿足水文站網(wǎng)基本測驗能力需求。廣東水文局肇慶水文分局引進的雙軌纜道自動測流系統(tǒng)，是智能化纜道測流的升級版，不同之處采用雷達測定河流水面流速，進而計算逐條垂線水面流速下的虛流量，通過建立實測流量與虛流量關系，通過流量系數(shù)得到實測流量過程。該系統(tǒng)可以遠程操控自動纜道測流系統(tǒng)，也可以定時進行流量測驗，獲得河流斷面的實測流量過程，在大洪水中安全可靠，在山區(qū)河流中不愧是一種良好的選擇。

4.3 拋投式浮標法應用進展

隨著無人機應用的快速發(fā)展，結(jié)合中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)GPS定位的高精度快速計算，可采用無人機投放浮標及運動路徑跟蹤技術，實現(xiàn)無人機投放浮標的精準，再通過浮標在河流斷面定位，得到斷面流速沿河寬方向的變化，進而計算浮標法斷面虛流量，通過浮標系數(shù)得到實測流量。此種方法在高流速、大流量條件下是非常安全的，在突發(fā)性水事件如潰壩、決堤等情況下也是行之有效的方法。其中定位技術記錄無人機拋投的浮標實時軌跡，拋投浮標的設計如何使之始終垂直于水面并保持運行的穩(wěn)定性及可靠性，是設計的關鍵點。在2020年廣東省水文應急演練中，無人機拋投式電子浮標測速儀的表現(xiàn)獲得了演練組的高度贊揚，并建議向全省推廣。2020年國家重點水文站三水站水位6.78 m、在線流量值11 900 m3/s的情況下，開展無人機拋投電子浮標比測流速，無人機拋投電子浮標GPS測定流速與人工計時計算結(jié)果誤差小，電子浮標流速較為可靠。

4.4 航空水面測流法應用進展

航空水面測流法旨在測量大洪水水面流速沿河寬方向的變化，與智能化纜道流速儀法原理是一致的，不同之處在于前者是機動的，可用于多個斷面，可一個測流系統(tǒng)搭載多套無人機及設備進行測流作業(yè)，后者是固定的，只能用于某一水文站斷面。航空水面測流法符合廣東水文現(xiàn)代化要機動、靈活、快速的特點，投入產(chǎn)出效益大。經(jīng)過近期研發(fā)及初步測試，基于無人機的航空水面流速法流量測驗系統(tǒng)開發(fā)設計思路正確、合理，在高流速、大流量條件下是適用的；該方法不適用與低流速狀態(tài)，也無必要研究低流速狀態(tài)的實用性，因為在低流速狀態(tài)下，有很多方法可選用。

4.5 流量測驗方法綜合選擇

在河流流量測驗中，低流速、小流量的測驗方法選擇性很多，很多傳統(tǒng)和常規(guī)的流量測驗方法都是可以的，既滿足精度要求，又有安全保障。在高流速、大流量情況下，河流流量測驗才是實踐中需要解決的主要問題。另外，還存在往復流、單向流的問題。往復流一般在入海河口或河流下游感潮的平原地區(qū)，水深條件較好，水位變幅小，河流一般通航，跨河流的橋梁較多，水上航道繁忙。單向流是大多數(shù)河流的流向方式，從上游往下游水深條件逐漸變好，越往上游水位變幅越大，單向流的河流或河段，枯水期水位低，甚至可見大部分河床。所以在河流流量測驗實踐時，建議區(qū)分上述情況來討論，才變得更加有現(xiàn)實意義。因此，河流流量測驗的方法選擇是有條件的，不可能一種方法滿足所有的河流或河段，需要因地制宜、因時選擇?？偨Y(jié)以往河流流量測驗方法實踐，基本經(jīng)驗如下：

1) 單向流、中等流速以下的河流流量測驗方法多，沒有哪一種方法具有絕對優(yōu)勢，只要使用“直接接觸法”就有滿意效果，當然這不是河流流量測驗的主要問題。

2) 往復流、中等流速以下的河流流量測驗方法，最優(yōu)的是走航式ADCP或H-ADCP，尤其是安裝在主流橋墩上的H-ADCP具有實時在線、數(shù)據(jù)頻次高、測驗精度高的優(yōu)點；其次是纜道流速儀法，或者測船流速儀法。

3) 中等流速以上是單向流，這是河流流量測驗的主要問題。在安全可靠的前提下，最優(yōu)是采用“直接接觸法”，其次是通過測定水面流速與斷面平均流速關系的方法，如浮標法、航空水面流速法。

4) 在大流速情況下，尤其是突發(fā)水事件流量測驗，最優(yōu)的航空水面流速法、浮標法、比降面積法，電磁法(電波流速儀、非接觸式雷達法)次之。

5) 國家重要水文站、跨省重要水文斷面的單向流河道，在配備儀器時，可考慮智能纜道法、側(cè)掃雷測流技術等具有固定設施的現(xiàn)代化測流方法，為保障重點監(jiān)測斷面流量的可靠性和實時在線可用。

5 結(jié)論和建議

在河流流量測驗中，解決跨河或渡河的方法或手段，是最為關鍵的問題，也是取決可采用哪種方法或那類型設備的問題。測船、纜道、橋梁、人工涉水都是比較傳統(tǒng)和常規(guī)的手段，除測船可以機動一點點外，其他的渡河方式只能固守某一水文站固定斷面。隨著無人機應用技術的快速發(fā)展，無人機是安全有效跨河手段，靈活機動，一機多用，是很好的方法，特別是在突發(fā)性水事件如潰堤、潰壩的應急水文測驗中，更加顯示其優(yōu)越性。

因此，在廣東水文現(xiàn)代化建設中，河流流量測驗問題建議按照“直接接觸法”、“部分接觸法”、“非接觸法”進行分類設計，將主要精力集中在河口地區(qū)往復流、中等以上流速測流量測驗、水工建筑物流量計算等關鍵問題上；重點著力于現(xiàn)代化水文自動化流量測驗儀器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收整合，以及水文信息預警預報和水文資料整編的應用平臺開發(fā)；將水位、雨量、蒸發(fā)、地下水、流量、泥沙、水質(zhì)、咸潮等監(jiān)測成果集中統(tǒng)一起來管理應用等。