摘要：河道流量監(jiān)測是重要的水文信息采集工作之一。當(dāng)前，用于河道的流量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要有：定點式ADCP測流系統(tǒng)、時差法測流系統(tǒng)、定點雷達(dá)波測流系統(tǒng)、側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)和視頻測流系統(tǒng)等。這些監(jiān)測方案均需通過實測的流速數(shù)據(jù)來推算過水?dāng)嗝媪髁?。依?jù)各種自動監(jiān)測方案的使用范圍，選用合適的流速、流量測定模型，計算實際的過水?dāng)嗝媪髁?，從而提高測流的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：流量在線監(jiān)測;率定模型;精度;邊界條件根據(jù)《水文現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃》《全國水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十四五”規(guī)劃》的要求，水文現(xiàn)代化的發(fā)展應(yīng)立足推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展對水文提出的任務(wù)要求，充分運用現(xiàn)代科技手段，進(jìn)一步提升水文數(shù)據(jù)測驗、歸集、存儲、處理水平，實現(xiàn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，更好滿足水利各領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求，加快實現(xiàn)水文現(xiàn)代化。流量監(jiān)測的現(xiàn)代化是水文現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。長期以來，流量監(jiān)測一直以人工監(jiān)測為主，自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以滿足規(guī)范要求［1］。

1影響流量自動監(jiān)測系統(tǒng)測流效果的主要因素目前，用于河道的流量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要有：定點式ADCP（包含水平式ADCP和垂向式ADCP）測流系統(tǒng)、時差法測流系統(tǒng)、定點雷達(dá)波測流系統(tǒng)、側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)、視頻測流系統(tǒng)等。這些監(jiān)測方案從本質(zhì)上來說均無法實現(xiàn)測斷面的全斷面測量，均只能監(jiān)測部分表面流速或水體內(nèi)部分水體的流速，需通過實測的有限位置的流速數(shù)據(jù)來推算過水?dāng)嗝媪髁?，測流效果依賴于流量計算模型的建立，這是決定幾種自動監(jiān)測系統(tǒng)測流效果的根本因素［2］。另外，每一種監(jiān)測方案的使用都具有相應(yīng)的范圍，并非可以隨便使用。

2流量計算模型的建立

2.1水平式ADCP測流系統(tǒng)

水平式ADCP是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量。自動測流系統(tǒng)將水平式ADCP探頭固定安裝在水面下某一水深處，使探頭上的兩個聲學(xué)傳感器位于同一平面上，可獲得本層水流某一段上各點的二維矢量流速。故可知，水平式ADCP測流系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)為斷面上某一水平層的若干測點流速，非斷面平均流速。

實際應(yīng)用中，水平式ADCP的有效實測區(qū)間一般被分為若干個流速單元。進(jìn)行建模時，并非所有單元流速都需要參與計算。在大多數(shù)情況下，水平式ADCP測流系統(tǒng)的流量計算模型可采用指標(biāo)流速法，結(jié)合儀器安裝姿態(tài)、當(dāng)前斷面特征及人工測量數(shù)據(jù)，選取合適的單元流速段組合，作為指標(biāo)流速，建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速關(guān)系，選取相關(guān)性最優(yōu)的關(guān)系曲線計算流量。

2.2垂向ADCP測流系統(tǒng)

2.2.1代表垂線法流量計算模型

采用代表垂線法計算斷面流量，本質(zhì)是通過實測獲得的垂線流速V垂線推算出斷面平均流速V0，繼而計算過水?dāng)嗝媪髁俊Ｆ浜诵乃悸放c水平式ADCP測流系統(tǒng)相似。在使用垂向ADCP測量垂線平均流速的同時，采用人工測量方式測出斷面平均流速;通過多次測量后得到一組斷面平均流速與實測垂線平均流速數(shù)據(jù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而確定垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系。一般采用一次回歸方程或二次回歸方程，即：V0=b1+b2V垂線或V0=b1+（b2+b3V垂線）V垂線2.2.2能坡法

能坡法實際是在布設(shè)的N條垂線中選取兩條垂線，安裝垂向ADCP進(jìn)行垂線流速測量。通過能坡法提供的流速計算模型，計算出剩余的（N2）條垂線平均流速，即將常規(guī)流量測驗施測多條垂線流速變?yōu)橛嬎愣鄺l垂線流速，再通過計算部分流量，累加計算獲得斷面流量。

通過比測工作，可獲得N條垂線的人工實測數(shù)據(jù)。以垂向ADCP實測垂線為已知量，通過人工實測的每條垂線數(shù)據(jù)，反推出由垂向ADCP實測的垂線平均流速V測到其他任意一條垂線的平均流速V垂線的曼寧公式中的能坡參數(shù)。

2.3時差法測流系統(tǒng)

時差法測流系統(tǒng)可采用單層時差法或多層時差法設(shè)備進(jìn)行流量測驗［3］。

2.3.1單層測流系統(tǒng)

單層時差法測流系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)為一對安裝在水中的傳感器之間的層平均流速，其使用的限制性和流量計算模型同水平式ADCP，即：V0=b1+（b2+b3V時差）V時差2.3.2多層測流系統(tǒng)

多層時差法測流系統(tǒng)是在斷面不同水層安裝傳感器，即將斷面分成若干層，每層傳感器可單獨測量所在層的層平均流速。在實際的運用過程中，考慮到比測工作等因素，一般根據(jù)分層情況，分別計算各水平層流量，最后累加獲得過水?dāng)嗝媪髁?，即：Q=ΣQi。

多層測流系統(tǒng)由于可以實現(xiàn)斷面的分層測量、計算，在應(yīng)對水位變幅大、測驗條件不理想的斷面時，有較好的效果。

2.4定點雷達(dá)波測流系統(tǒng)

雷達(dá)流速儀測量流速應(yīng)用的是多普勒效應(yīng)。通過雷達(dá)天線向水面發(fā)射電磁波，水面會吸收高頻電磁波部分能量，部分會散射或折射損失掉，但是總有一部分散射電磁波信號會被雷達(dá)天線接收。雷達(dá)照射的區(qū)域內(nèi)會有很多波浪，會造成不同點的流速有所差異，但是這些差異不大，所以可以將整個區(qū)域看作是一個整體，以一個平均速度進(jìn)行移動，得到多普勒頻移。多普勒頻移計算的準(zhǔn)確度直接影響表面流速測量的準(zhǔn)確度。

實際使用過程中，一般可在斷面安裝多套雷達(dá)波流速儀，通過實測斷面若干個點流速，然后通過相關(guān)的計算模型，計算出過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

2.4.1指標(biāo)流速法流量計算模型

通過實測的若干點流速經(jīng)加權(quán)計算獲得指標(biāo)流速，再通過比測率定建立起指標(biāo)流速和斷面平均流速之間的關(guān)系。流量便可通過流速面積法Q=V平均·A計算獲得。

采用指標(biāo)流速法進(jìn)行計算的斷面，對水流條件要求高，需通過比測找到穩(wěn)定的流速關(guān)系，依據(jù)實測情況，一般需要按水情變化進(jìn)行不同線型的擬合計算。由于此種計算方法對水流狀態(tài)有著較大的限制要求，故可作為輔助計算方案。

2.4.2垂線法流量計算模型

垂線法流量計算一般需做垂線分析，根據(jù)垂線精簡的分析結(jié)果，合理布設(shè)雷達(dá)波傳感器的安裝位置。

傳感器實測數(shù)據(jù)為表面點流速，需率定每個點的點流速與傳感器所在垂線平均流速的關(guān)系。在定線時一般在水位變幅不大、點流速與垂線平均流速在不同水位條件下具有單一關(guān)系時，可使用單一線進(jìn)行定線;水位變幅較大時、不同水位級下測量斷面水文特性存在差異或者有水工建筑物等因素影響的斷面，需要根據(jù)不同水位級分別定線。相關(guān)關(guān)系率定后，可按常規(guī)的流速儀法計算流量［4］。

2.5側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)

側(cè)掃雷達(dá)流速儀一般獲取的是河道一定區(qū)域范圍內(nèi)的網(wǎng)格內(nèi)平均表面流速。例如儀器分辨率為10 m，網(wǎng)格的尺寸為10 m×10 m，所獲得的數(shù)據(jù)即為各個10 m×10 m區(qū)域范圍的平均流速Vni。側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)的流量計算就是建立在對這些網(wǎng)格平均流速的處理之上。

2.5.1指標(biāo)流速法流量計算模型

對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，選取合適的區(qū)間作為數(shù)據(jù)集的選取范圍，獲得代表區(qū)間內(nèi)的所有網(wǎng)格平均流速。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均即可得到指標(biāo)流速，通過相關(guān)分析法建立起指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系，再通過流速面積法計算，獲得斷面過水流量Q=V平均·A。

2.5.2垂線法流量計算模型

采用垂線法進(jìn)行流量計算時，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，設(shè)置單元網(wǎng)格長度。例如分辨率設(shè)置為10 m，系統(tǒng)會提供出每隔10 m一個單元網(wǎng)格的表面平均流速。例如實測范圍為（20～200）m，系統(tǒng)提供的實測流速為斷面上（20～30）m、（30～40）m……（190～200）m各個區(qū)間內(nèi)的表面平均流速。

在進(jìn)行流量計算時，需選取計算段，建立所有選取的區(qū)間段的表面平均流速V區(qū)間n和這個區(qū)間段內(nèi)的垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系，再通過垂線計算部分面積的流量，累加計算出斷面流量。

故側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)比測率定的目的是建立所有所選取的區(qū)間段的平均流速V區(qū)間n和這個區(qū)間段內(nèi)的垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系。同時在計算模型建立后，對側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)實測流量和人工施測斷面流量進(jìn)行對比分析。

2.6視頻圖像法測流系統(tǒng)

2.6.1指標(biāo)流速法流量計算模型

對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，選取合適的區(qū)間作為數(shù)據(jù)集的選取范圍，對所選范圍內(nèi)網(wǎng)格的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到指標(biāo)流速，通過相關(guān)分析法建立起指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系。

2.6.2垂線法流量計算模型

采用垂線法進(jìn)行流量計算時，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，設(shè)置單元網(wǎng)格尺寸。在進(jìn)行流量計算時，需選取計算垂線，建立所有選取的垂線表面網(wǎng)格點流速V網(wǎng)格n和垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系，再通過垂線計算部分面積的流量，累加計算出斷面流量。

3結(jié)語

河道流量監(jiān)測是重要的水文信息采集工作之一，為水資源管理、洪水預(yù)警預(yù)報、水環(huán)境保護提供了重要的水文數(shù)據(jù)，同時也是分析測站特性、進(jìn)行河床演變研究、河道整治等的基礎(chǔ)工作。水文測驗工作具有復(fù)雜多變的監(jiān)測條件，目前，每一種自動測流手段都具有適用的邊界條件。所以，在實際的工作中，需根據(jù)不同的水文條件選用合適的自動監(jiān)測手段，結(jié)合斷面、流態(tài)、所選監(jiān)測手段的技術(shù)要求，建立合適的流量計算模型，從而達(dá)到有效提高測流精度的目的。

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