張 可，馬婉靜

（1.淮南市安瀾水利規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，安徽 淮南 232001；2.安徽沃特水務(wù)科技有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

我國地域遼闊，水系河湖眾多，基于水文預(yù)報(bào)、水資源管理、防汛抗旱及水污染防治的需求，需要實(shí)時(shí)快捷地獲取高精度高密度的流量數(shù)據(jù)，針對(duì)大部分天然河道流量測(cè)驗(yàn)通常采用常規(guī)的水文纜道測(cè)流，而部分無水文纜道的斷面也多采用人工拖曳走航ADCP 方式測(cè)流[1]。人工監(jiān)測(cè)耗時(shí)耗力，時(shí)效性不足。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技不斷的進(jìn)步，通過多年的創(chuàng)新研究和實(shí)踐，目前天然河道的流量在線監(jiān)測(cè)已有了多個(gè)較為成熟的方法。

2 流量在線監(jiān)測(cè)方法介紹及基本原理

2.1 二線能坡法

二線能坡法測(cè)流借助水力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，從矩形、三角形斷面入手，找出垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系[2]。實(shí)際監(jiān)測(cè)中采用兩個(gè)安裝在河底的單波束多普勒流速測(cè)量探頭，測(cè)量出對(duì)應(yīng)安裝位置的兩條實(shí)測(cè)的垂線流速，利用這兩條實(shí)測(cè)垂線流速反求出能坡參數(shù)后，把常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)n 條垂線流速改為計(jì)算n 條垂線流速[3]，再通過流速面積法計(jì)算斷面流量，如圖1 所示。

圖1 二線能坡法測(cè)流示意圖

2.2 H-ADCP 法

H-ADCP 是利用多普勒原理，用來在線監(jiān)測(cè)河流流速和水位的超聲波多普勒流速剖面儀[4]。其由兩到三個(gè)超聲波探頭組成，兩束超聲波成一定角度沿水平方向向?qū)Π栋l(fā)射，測(cè)量本層水流某一段上各點(diǎn)的二維流速，剩余一束向上發(fā)射可以用來測(cè)量探頭入水深。H-ADCP 固定安裝在水面以下不低于0.6m 處，超聲波遇到水中的氣泡、雜質(zhì)等懸浮物質(zhì)后其頻率發(fā)生變化，根據(jù)反射回的頻率大小計(jì)算流速（見圖2）。

圖2 H-ADCP 測(cè)流示意圖

在計(jì)算過程中，可以將H-ADCP 測(cè)得的一個(gè)或多個(gè)測(cè)量單元的平均流速V1作為指標(biāo)流速，利用水力學(xué)連續(xù)方程計(jì)算斷面流量。

指標(biāo)流速V1與平均流速Vm之間的關(guān)系與斷面流速分布有關(guān)。在整個(gè)測(cè)流系統(tǒng)中，指標(biāo)流速的選擇十分寬泛，主要根據(jù)實(shí)測(cè)斷面的流動(dòng)情況選擇。既可以選擇單個(gè)測(cè)量單元的流速，也可以選擇其中部分測(cè)量單元的流速平均值，所選擇的測(cè)量單元可以連續(xù)，也可以不連續(xù)。通常，根據(jù)斷面流態(tài)，選擇斷面中部流動(dòng)比較穩(wěn)定的區(qū)域的測(cè)量值作為指標(biāo)流速，如果整個(gè)斷面的流動(dòng)情況非常理想，也可以選擇全部測(cè)量單元的流速平均值作為指標(biāo)流速。指標(biāo)流速確定后，結(jié)合水位即可計(jì)算出流量值。如果斷面規(guī)則，利用流速面積法積分，最高流量精度可達(dá)5%以內(nèi)；如果斷面不規(guī)則，流量精度取決于建立的數(shù)學(xué)模型以及率定的精度。

2.3 超聲波時(shí)差法

超聲波時(shí)差法流量在線監(jiān)測(cè)也是利用多普勒原理[3]。如圖3 所示，在待測(cè)斷面的兩岸分別在上游和下游安裝一對(duì)或數(shù)對(duì)超聲換能器，換能器發(fā)出超聲波穿過河道斷面內(nèi)的水流，經(jīng)過T1時(shí)間對(duì)岸下游換能器接收到超聲波，其反向發(fā)射超聲波時(shí)間T2為用兩個(gè)方向上傳播時(shí)間差求解出該水層的平均流速。

圖3 超聲波時(shí)差法測(cè)流示意圖

水層平均流速V 與斷面平均流速Vm間存在Vm=KV 的關(guān)系（K 為率定系數(shù)），K 可以通過理論推導(dǎo)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算或其他測(cè)量方式計(jì)算。據(jù)此可計(jì)算出超聲波時(shí)差法流量。

2.4 雷達(dá)波測(cè)流法

雷達(dá)波測(cè)流法亦是利用多普勒雷達(dá)測(cè)速原理[6]。如圖4 所示，傳感器向水面發(fā)射雷達(dá)波，其反射波的相位和強(qiáng)度遇到水面波紋后雷達(dá)波將被吸收、反射。反射波的一部分被傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由測(cè)量電路處理并測(cè)出多普勒頻移，根據(jù)上述原理[7]通過快速傅里葉變換等信號(hào)處理算法即可計(jì)算出雷達(dá)波照射范圍內(nèi)的水體的表面流速。再通過一定量的人工實(shí)測(cè)斷面流速率定出表面流速和斷面平均流速的關(guān)系系數(shù)，結(jié)合水位計(jì)算出斷面流量。

圖4 雷達(dá)波流速儀測(cè)速原理圖

3 各種監(jiān)測(cè)方法的比選

3.1 測(cè)流斷面的選擇

水流穩(wěn)定：測(cè)流斷面應(yīng)當(dāng)選擇在水流穩(wěn)定的位置，避免彎曲處、匯流處、分流處等水流變化較大的地方。通常選擇在河道直線段上，順直河段的長(zhǎng)度應(yīng)大于洪水時(shí)主槽寬度的3 倍。

水流速度均勻：測(cè)流斷面上水流速度應(yīng)當(dāng)均勻，避免出現(xiàn)流速梯度或急流等情況，否則會(huì)影響流量的準(zhǔn)確性。在選擇測(cè)流斷面時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮水深和水面寬度的變化，盡量選取平均水深、平均水面寬度和平均水流速度相對(duì)穩(wěn)定的位置。

3.2 水位監(jiān)測(cè)方法

在進(jìn)行流量在線監(jiān)測(cè)時(shí)均須測(cè)得精確的水位數(shù)據(jù)。在有水文站的可共用水文站的水位傳感器，無水位自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備的站點(diǎn)可根據(jù)斷面現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件選取適宜的水位傳感器來配合流量監(jiān)測(cè)。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)的手段頗多，有浮子水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)、氣泡水位計(jì)等等，這些水位監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段均很成熟，本文不再做詳細(xì)闡述。

3.3 各種監(jiān)測(cè)方法分析及比選

3.3.1 二線能坡法

基于垂線流速法，通過流速面積法計(jì)算斷面流量。該方法優(yōu)點(diǎn)是精度高，起測(cè)流速小，能分辨正負(fù)流速，測(cè)量周期短；缺點(diǎn)是安裝難度大,ADCP 需要座底式安裝，后期運(yùn)維成本高；針對(duì)山洪、大水情況，水中懸浮物對(duì)其影響較大。同時(shí)針對(duì)通航河道左右岸兩個(gè)傳感器的線纜需要從各自方向上岸后傳輸，避免過往船只拋錨對(duì)線纜造成損壞。

3.3.2 H-ADCP

基于指標(biāo)流速法，是通過建立指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系計(jì)算斷面流量[1]的方法。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性較好、適用性較強(qiáng)且隨機(jī)誤差??；缺點(diǎn)是探頭固定在斷面內(nèi)固定位置，很難建立良好的水位-流量相關(guān)關(guān)系，需根據(jù)低、中、高水位調(diào)整H-ADCP探頭的入水深度，因此需要安裝一套根據(jù)水位變化而自動(dòng)調(diào)整H-ADCP 位置的裝置[4]。同時(shí)針對(duì)低、中、高水位下的指標(biāo)流速和平均流速的相關(guān)關(guān)系需要較多的率定工作來找出。

3.3.3 時(shí)差法

基于水平流速法，通過獲取測(cè)流斷面上的水層流速,采用流速分布模型計(jì)算得到斷面平均流速,進(jìn)而得到流量。其優(yōu)點(diǎn)是使用順流和逆流傳播的時(shí)間差來反映河道的正負(fù)流速，測(cè)量精度及時(shí)效性較高；缺點(diǎn)是當(dāng)河流中有懸浮物、泥沙含量大時(shí)對(duì)其傳播造成干擾，同時(shí)該方法需要在河道無水或者做圍堰情況下施工，土建成本稍高,運(yùn)行維護(hù)不便。

3.3.4 雷達(dá)波表面流速法

基于表面流速法。通過獲取測(cè)流斷面上水面流速,并通過轉(zhuǎn)換得到特征垂線平均流速或斷面平均流速[1]。其優(yōu)點(diǎn)是采用非接觸式，不受含沙量、污水及漂浮物影響，不影響水流狀態(tài)，尤其適用于高洪、急流、高含沙量、高污染的流速測(cè)量，測(cè)量頻次高；缺點(diǎn)是水體表面需要有波紋，風(fēng)吹動(dòng)水面時(shí)對(duì)其測(cè)量有較大的影響，起測(cè)流速高，表面流速大于0.2m/s以上時(shí)有較好的效果。

幾種監(jiān)測(cè)方法的測(cè)流范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景的比選表見表1。

表1 流量在線監(jiān)測(cè)方法比選表

4 安裝注意事項(xiàng)

4.1 二線能坡法

需要注意斷面最高水位時(shí)的水深，安裝位置不能超過其量程；含沙量過大或河道沖淤情況時(shí)，探頭易遭掩埋；ADCP 探頭的防護(hù)要考慮到上游沖下的雜物覆蓋探頭上影響測(cè)量；數(shù)據(jù)及電源線要沿河堤向兩岸鋪設(shè)，以防過往船只拋錨損壞設(shè)備；同時(shí)安裝支架需要考慮系統(tǒng)化后期的運(yùn)行維護(hù)，方便檢修。

4.2 H-ADCP 流量監(jiān)測(cè)

需要在安裝過程中注意ADCP 儀器兩個(gè)換能器盡可能保證水平，使其在最低水位時(shí)兩束聲波在量程內(nèi)不打出水面，安裝支架等裝置須保證在最高水位時(shí)，ADCP 可順暢移動(dòng)至指定高度，保證斷面全量程水位內(nèi)的流量準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，同時(shí)還需要考慮到后期人工比測(cè)、率定的經(jīng)費(fèi)。

4.3 超聲波時(shí)差法流量監(jiān)測(cè)

所測(cè)斷面的最大寬度不能超過其量程，依據(jù)斷面的最大水深情況確定通道組數(shù)，基本原則是能覆蓋最低水位、長(zhǎng)期運(yùn)行水位和可能的高水位；每組通道在安裝時(shí)注意兩對(duì)換能器的水平相對(duì)，安裝穩(wěn)固，否則影響聲波發(fā)送、接收。

4.4 雷達(dá)波流量監(jiān)測(cè)

因?yàn)樵摲N方法屬于非接觸式安裝，選擇安裝位置時(shí)一方面考慮所選取的雷達(dá)波照射水面的位置的垂線流速需要有較好相關(guān)關(guān)系，另一方面設(shè)備需要安裝在沒有遮擋的地方，如遠(yuǎn)離樹木、建筑物等遮擋物，避免對(duì)設(shè)備的雷達(dá)波信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量結(jié)果。此外，由于雷達(dá)波受環(huán)境和水體物理特性的影響較大，因此需要對(duì)環(huán)境因素和水體物理特性進(jìn)行充分考慮。

總的來說，在選擇不同的流量監(jiān)測(cè)方案時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況和需求，對(duì)每種方案的適用性和限制性進(jìn)行評(píng)估和選擇。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中需要注意監(jiān)測(cè)精度、數(shù)據(jù)可靠性和數(shù)據(jù)處理等方面的問題，以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語

在流量在線監(jiān)測(cè)的研究中，本文介紹了多種流量監(jiān)測(cè)方法。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一種方法能完全適應(yīng)所有的監(jiān)測(cè)斷面，也沒有任何一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面可以隨意采用一種監(jiān)測(cè)手段能夠滿足其實(shí)際需求，均需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)部門對(duì)數(shù)據(jù)精度的不同需求，結(jié)合斷面實(shí)際情況和各種在線監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)，選擇適宜的流量在線監(jiān)測(cè)方法，甚至在實(shí)際應(yīng)用中也可以在同一監(jiān)測(cè)斷面上采用多種監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)流量在線監(jiān)測(cè)。

在未來的研究中，可以繼續(xù)深入探究各種流量監(jiān)測(cè)方法的原理和優(yōu)化方法，以提高監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確性。同時(shí)可以結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，開發(fā)更智能化、高效化的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水資源管理和利用提供更多的支持和幫助