非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

徐立中，張 振，嚴(yán)錫君，王慧斌，王 鑫

（河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

天然河道與人工渠道中的明渠水流測量系統(tǒng)是山洪地質(zhì)災(zāi)害防治非工程措施的重要組成部分，也是河流水文學(xué)、動(dòng)力學(xué)等研究的科學(xué)基礎(chǔ)。從某種意義上說，明渠水流測量技術(shù)的發(fā)展歷程也是水文測驗(yàn)學(xué)[1-2]和水信息技術(shù)[3]的發(fā)展歷程。根據(jù)傳感器與待測水流的相對位置關(guān)系，通常可以將明渠水流測量技術(shù)分為接觸式和非接觸式 2 大類。

在 20 世紀(jì) 80 年代以前，國內(nèi)外幾乎所有水文站都采用基于轉(zhuǎn)子式流速儀[4]的流速-面積法觀測河道斷面布置點(diǎn)的平均流速并計(jì)算流量。由于具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握的特點(diǎn)，這種經(jīng)典的接觸式測流儀器依然是我國河流流量測驗(yàn)的主要工具[5]。但由于天然河流復(fù)雜的紊動(dòng)特性難以利用點(diǎn)測量技術(shù)獲取，或代價(jià)很高，且惡劣的現(xiàn)場環(huán)境亦大大增加了水文測驗(yàn)的難度，長久以來不僅導(dǎo)致洪水和干旱等極端條件下的河流流速、流場及總徑流變化速率等水流信息難以及時(shí)獲取，而且導(dǎo)致人們對明渠紊流的認(rèn)識受限，許多水利工程中應(yīng)當(dāng)用紊流理論進(jìn)行求解的流體力學(xué)問題都得不到很好地解決。近年來，在傳感器及嵌入式系統(tǒng)快速發(fā)展的推動(dòng)下，實(shí)時(shí)的明渠水流監(jiān)測技術(shù)取得了長足進(jìn)步，特別是基于聲學(xué)、光學(xué)、電波及圖像的非接觸式測流儀器顯著提高了水文測驗(yàn)及水利量測的效率及安全性[6]。然而對一般用戶而言，新技術(shù)的全面理解和綜合評價(jià)卻往往是項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

本文將首先介紹幾種非接觸式測流儀器的原理、性能及適宜性，然后分析當(dāng)前水文測驗(yàn)及水利工程對現(xiàn)代明渠水流監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用需求和潛力，最后對新技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望，以供水文工作者及儀器開發(fā)人員借鑒。

1 非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)

1.1 聲學(xué)法

1.1.1 聲學(xué)多普勒法

聲學(xué)多普勒流速儀通過檢測超聲回波的多普勒頻移量來測量流速[7]。當(dāng)發(fā)射頻率為 fs的聲波以聲速 在水中傳播時(shí)，被以速度ν運(yùn)動(dòng)的泥沙、氣泡或漂浮物等粒子反射，形成接收頻率為 fR的回波；如果運(yùn)動(dòng)粒子和接收換能器之間的距離縮短，則接收回波的頻率增大，反之則減小。這種現(xiàn)象被稱作多普勒效應(yīng)，頻率的改變量被稱為多普勒頻移 fD，滿足如下關(guān)系：

式中：θ 為發(fā)射波和水流方向的夾角；系數(shù) 2 表示自發(fā)自收模式下的頻移加倍。測得 fD= |fR- fs| 就可以計(jì)算出水流的運(yùn)動(dòng)速度，符號表示運(yùn)動(dòng)方向。

基于聲學(xué)多普勒原理的測流儀可分為點(diǎn)流速儀（ADV）和剖面流速儀（ADCP）2 類。

1）ADV 主要面向高精度的三維點(diǎn)流速測量。其工作頻率在 MHz 量級，因此多采用脈沖相干技術(shù)；采樣點(diǎn)距探頭 5～10 cm，測點(diǎn)可以離邊界非常近；探頭很小，幾乎不干擾流場，適用于淺灘、沼澤等低速水流的涉水測量，在國外巡測使用較多。

2）ADCP 主要面向河流應(yīng)用。測量的是 1 條水平線或 1 根垂線上的流速分布。根據(jù)工作方式的不同 ADCP 又可分為走航式、座底式和水平式 3 種：a）走航式安裝在橫跨河流運(yùn)動(dòng)的測船上。在測得多根垂線流速分布的同時(shí)，可以通過河床的反射回波實(shí)現(xiàn)底跟蹤測量船速，并用回波測深法獲得水深信息，從而得到斷面的水下地形數(shù)據(jù)。但當(dāng)河底有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會導(dǎo)致底跟蹤失效，此時(shí)要配合船用DGPS 測量船速。流量計(jì)算采用流速-面積法。b）座底式安裝在河底某一處或幾處流速具有代表性的垂線上，向水面發(fā)射超聲波，測得垂線的流速分布及水位。c）水平式安裝在河流或渠道的岸邊，測得1 個(gè)水層的流速分布。要從代表水層或垂線得到斷面平均流速，需要通過標(biāo)準(zhǔn)測量方法建立率定關(guān)系模型，并結(jié)合已知的斷面資料得到過水面積，才能計(jì)算實(shí)時(shí)流量。因此，后 2 種固定式 ADCP 通常用于斷面資料豐富的天然河道或形狀規(guī)則、易于建模的人工渠道。還有一種應(yīng)用較少的固定安裝方式是將ADCP 安裝在較穩(wěn)定的水面漂浮平臺上，向下發(fā)射超聲波，測量垂線的流速分布，達(dá)到自動(dòng)測量的目的。

ADCP 的發(fā)展與應(yīng)用使垂線三維脈動(dòng)流速分布的測量成為可能，標(biāo)志著天然河流剖面流速測量技術(shù)的現(xiàn)代化。其優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，自動(dòng)化程度高，能夠快速測量大水深的流速分布，且時(shí)空分辨率較高；走航式 ADCP 能同時(shí)勘測斷面形狀，而固定式 ADCP 配合數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪b測終端機(jī)（RTU），可在無人值守的情況下在野外長期工作；所測的聲波后向散射強(qiáng)度等數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)定后還可用來估計(jì)水體中的懸沙濃度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，ADCP 成為目前最為先進(jìn)的流速流量自動(dòng)測量儀器。ADCP 的不足在于：測量時(shí)需要將換能器置于水體中，會干擾流態(tài)；鑒于動(dòng)船法的危險(xiǎn)性，走航式 ADCP 無法施測高洪流量；由于水體介質(zhì)和懸浮物的散射作用會降低信噪比，水平式 ADCP 應(yīng)用水層的寬度通常小于 200 m；而座底式 ADCP 的測量精度依賴于高水段流量率定關(guān)系的建模精度；此外，盡管寬帶調(diào)制技術(shù)改善了測量范圍，但盲區(qū)對測量水深的限制依然不可忽略。目前基于聲學(xué)多普勒原理的測流儀器已經(jīng)形成較完整的產(chǎn)品體系，如美國某公司已開發(fā)出用于涉水測量的 FlowTracker 手持式 ADV，用于中小型河流的 M9 型走航式 ADCP，Argonaut-SL 型水平式 ADCP 和 Argonaut-XR 型座底式 ADCP，但昂貴的設(shè)備購置及維護(hù)費(fèi)用也限制了產(chǎn)品的大面積推廣。

1.1.2 聲學(xué)時(shí)差法

聲學(xué)時(shí)差法流速儀通過測量順流、逆流時(shí)聲波在斷面間傳播的時(shí)間差計(jì)算水層的平均流速[8]。如圖 1 所示，儀器將 2 個(gè)超聲波換能器 A 和 B 分別部署于明渠兩岸同一水層的上、下游處，兩者依次對射穿透水體的脈沖信號，并測量聲波在水中傳播的時(shí)間 tAB和 tBA。由于水溫、密度及鹽度一定時(shí)，聲波在靜水中傳播的聲速是恒定的，則 A 和 B 所在水層的平均流速νι可表示為：

式中：L 為換能器 A 和 B 間的直線距離；θ 為 A 和 B連線和水流方向的夾角，一般為 45°。

圖1 聲學(xué)時(shí)差法流速儀原理示意圖

利用水層平均流速計(jì)算斷面流量的理論公式為

式中：k 為斷面流量系數(shù)；A 為過水?dāng)嗝婷娣e。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，單一水層的水深覆蓋范圍可達(dá) ±4 m，一般部署 1～2 個(gè)水層即可滿足測流需求，但流速轉(zhuǎn)換關(guān)系往往要復(fù)雜得多。

聲學(xué)時(shí)差法的換能器工作時(shí)接收的是另一換能器直接發(fā)射的超聲波，相比水平式 ADCP 信號更強(qiáng)，應(yīng)用水層可寬達(dá)數(shù)千米；由于測得的是整個(gè)水層的平均流速，具有較好的代表性。最大的缺點(diǎn)是需要在兩岸安裝設(shè)備，儀器的防護(hù)和供電較為困難，限制了該方法的推廣使用。

由于上述儀器需要將換能器浸沒入水，因此在嚴(yán)格意義上，聲學(xué)法屬于一種準(zhǔn)非接觸式方法。

1.2 光學(xué)法

頻閃式光學(xué)流速儀采用同步頻閃測速的原理獲取水面流速[9]。儀器由低倍望遠(yuǎn)鏡、轉(zhuǎn)鏡、變速電機(jī)和轉(zhuǎn)速儀組成，如圖 2 所示。當(dāng)測量流速時(shí)，觀測者在岸上的觀測點(diǎn)處通過儀器的望遠(yuǎn)鏡俯視水面，可以從目鏡中看到連續(xù)的水面運(yùn)動(dòng)圖像。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鏡的角速度 ω，當(dāng)轉(zhuǎn)速與水面流速達(dá)到同步時(shí)，運(yùn)動(dòng)圖像趨于靜止，此時(shí)水面流速νs由轉(zhuǎn)鏡的角速度和儀器光軸至水面的垂直距離νs決定，可表示為

圖2 頻閃式光學(xué)流速儀原理示意圖

頻閃式光學(xué)流速儀測量的是水面單點(diǎn)流速，適用于水淺流急及床面不平的河道，測量流速可達(dá) 15 m/s。但由于流速脈動(dòng)的存在，人工觀測難以保證較高的同步精度，而實(shí)際垂直距離測量面臨的困難也影響流速計(jì)算的可靠性，因此現(xiàn)在已很少使用。

1.3 電波法

電波法的測流原理基于微波多普勒效應(yīng)。當(dāng)電磁波照射水面時(shí)，部分能量被表面波或漂浮物散射形成回波，回波產(chǎn)生的多普勒頻移 fD和水面流速ν 間同樣滿足式 (1) 描述的關(guān)系，其中 C 為電磁波在空氣中的傳播速度。

1.3.1 點(diǎn)測量電波流速儀

點(diǎn)測量電波流速儀采用 X 波段（10 GHz）的微波測量波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的水面點(diǎn)流速，需要通過調(diào)節(jié)波束指向?qū)崿F(xiàn)斷面的掃描。根據(jù)部署方式的不同，一般分為手持式、橋測式[10]、纜道式[11]及車載式[12]4 種。儀器的流速測量范圍可達(dá) 0.5～15.0 m/s。由于操作安全、測量速度快且不受水質(zhì)和漂浮物的影響，特別適用于監(jiān)測漂浮物較多的湍急河段和搶測洪峰流量。但由于原理上是利用表面波及漂浮物的回波信息，對于缺乏上述水面模式的平滑水面或模式雜亂的紊流區(qū)域，難以得到穩(wěn)定的測量值；此外，波束角、方位角及俯仰角也是影響儀器測量精度的主要參數(shù)，由于波束傾斜照射水面，在波束角形成的橢圓投影面內(nèi)，任一處強(qiáng)反射都可能被識別為測點(diǎn)流速，因此波束角越大，俯仰角越小，測點(diǎn)位置的不確定性也越高。目前該方法主要被用于測驗(yàn)斷面相對穩(wěn)定，且有公路橋、纜道或懸臂可借用的水文斷面。

1.3.2 掃描式電波流速儀

用于測量海面涌流分布的掃描式電波流速儀近年來被發(fā)展用于河流表面流場的測量[13]。相比點(diǎn)測量電波流速儀，它具有 3 組獨(dú)立的八木天線陣列及對應(yīng)的 350 MHz 超高頻（UHF）收發(fā)器，可以利用表面波對雷達(dá)信號產(chǎn)生的 Bragg 散射現(xiàn)象測量 ±45° 扇形區(qū)域內(nèi)的徑向水面流速分布，如圖 3 所示。其中，0.5 m 的中央天線垂直于主流方向向水面發(fā)射電磁波；兩側(cè)天線距中央天線大約半個(gè)波長，以 30° 的夾角分別指向上、下游，三者共同接收回波信號?；谟布Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，系統(tǒng)無需通過活動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行掃描，而是利用接收信號間的振幅及相位差異，采用一種多重信號分類測向（MUSIC）的方法確定測點(diǎn)的距離和回波的波達(dá)方向[14]，測角分辨率可達(dá) 1°。此外，儀器采用線性掃頻的方式保證測速單元的距離在 5 m 以內(nèi)，流速測量范圍在 0.025～4.000 m/s 之間，可以滿足 10～300 m 的河寬。但系統(tǒng)在測量前需要進(jìn)行雷達(dá)方向圖的標(biāo)定，并設(shè)定基本安裝、外部水位數(shù)據(jù)、方向測定界限、數(shù)據(jù)處理范圍等參數(shù)，操作相對繁瑣。單臺儀器只能測量徑向流速分布，由于雷達(dá)指向垂直于水流方向，往往導(dǎo)致流場圖中部的徑向流速矢量趨近于零。

圖3 掃描式電波流速儀原理示意圖

1.4 圖像法

1.4.1 極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法

極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法可以看作是對傳統(tǒng)浮標(biāo)法的一種改進(jìn)[15]。基本思想是采用攝影照片代替現(xiàn)場目測，通過人工標(biāo)識或計(jì)算機(jī)識別的方式從水面照片中提取測流浮標(biāo)的方位，進(jìn)而求出運(yùn)動(dòng)軌跡上的水面流速。如圖 4 所示，采用 1 次投放浮標(biāo)、1 次計(jì)時(shí)、2 次攝影定位的方式測流，將 1 次測量時(shí)間縮短到從浮標(biāo)投放到第 2 次攝影之間的幾分鐘。由于能同時(shí)記錄斷面上多個(gè)浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，測驗(yàn)工作僅需 2～3 名工作人員，提高了測量效率。但需要分別在上下斷面布設(shè) 2 套攝影設(shè)備及定位點(diǎn)，現(xiàn)場部署工作量大。此外，由于僅采用 1 次測量，浮標(biāo)上下斷面間距過小會導(dǎo)致測量結(jié)果對流速脈動(dòng)效應(yīng)敏感，因此間距一般不得小于最大斷面流速的 20 倍；間距過大，則上下斷面相機(jī)和計(jì)時(shí)器的同步控制困難，也很難保證所有浮標(biāo)都集中通過上下斷面的相機(jī)拍攝范圍，因此極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法的實(shí)際應(yīng)用較少。

1.4.2 衛(wèi)星遙感圖像法

自 20 世紀(jì) 90 年代起，隨著高分辨率成像及合成孔徑雷達(dá)（SAR）遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感圖像被研究用于獲取地面河流的形態(tài)、水位及流速信息，并結(jié)合地面測量值和水文模型估計(jì)河流流量。方法大致可分為以下 3 類：

圖4 極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法原理示意圖

1）利用河寬估計(jì)流量。Leopold 等人提出河道寬度 W 與流量 Q 之間近似存在 W = a Qb的關(guān)系（a和 b 為系數(shù)）。以此為基礎(chǔ)，Smith 等人[16]用 ERS-1 的 C 波段探測了 Iskut 河最復(fù)雜河段的寬度。分辨率為 12.5 cm 的 SAR 圖像經(jīng)輻射測量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，將控制區(qū)內(nèi)介入水體的像素點(diǎn)數(shù)除以河段長度得到有效河道寬度。在 28 次測量中，河寬的變化范圍是 100～1 100 m，對應(yīng)的流量為 240～6 350 m3/s，估計(jì)誤差在 200% 以內(nèi)。

2）利用水位估計(jì)流量。如果河段的水位-流量關(guān)系相對穩(wěn)定，則可以根據(jù)率定曲線估算出流量。1998 年，Birkett[17]利用 TOPEX/POSEIDON 衛(wèi)星上搭載的 NASA 雷達(dá)高度計(jì)（NRA）對亞馬遜河流域 1 km 寬的河流和濕地進(jìn)行了長達(dá) 4 a 的連續(xù)監(jiān)測，水位測量的準(zhǔn)確度在 ±10～±20 cm 之間。

3）利用多變量估計(jì)流量。針對利用單一信息估計(jì)流量誤差大的問題，2003 年，Bjerklie 等人[18]提出了一種多變量組合的方法估計(jì)河流流量，包括水面寬度、高程及流速，這些觀測變量完全通過遙感手段獲得。該方法對流量變化范圍為 1～200 000 m3/s 的 1 000 多組測量值進(jìn)行多元線性回歸分析，建立了多變量河流流量估計(jì)方程，流量估計(jì)的不確定度小于 20%。

目前關(guān)于衛(wèi)星遙感圖像法測流的研究主要面向?qū)挏\河流的流量估計(jì)，由于對地面信息和歷史數(shù)據(jù)的依賴及過大的測量誤差使之尚無法實(shí)用化，但可以為洪水、濕地、泥石流、堰塞湖等難以到達(dá)地區(qū)的災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測提供及時(shí)的先驗(yàn)信息。

1.4.3 大尺度粒子圖像測速法

20 世紀(jì) 90 年代，F(xiàn)ujita 等人[19]將實(shí)驗(yàn)室流體力學(xué)研究中的粒子圖像測速（PIV）技術(shù)改進(jìn)用于現(xiàn)場河流的水面流場觀測及流量估計(jì)，稱之為大尺度粒子圖像測速（LSPIV）。該方法以河流水面的植物碎片、泡沫、細(xì)小波紋等天然漂浮物及水面模式作為水流示蹤物，認(rèn)為示蹤物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即代表被測水面二維流場中局部流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)描述流體運(yùn)動(dòng)的拉格朗日法，若以 t1時(shí)刻劃分的 1 個(gè)圖像分析區(qū)域內(nèi)包含的局部粒子微團(tuán)為研究對象，假設(shè) 2 幀圖像曝光的時(shí)間間隔 Δt 足夠短，則認(rèn)為在 t2時(shí)刻的圖像中存在 1 個(gè)沒有粒子流進(jìn)和流出的匹配區(qū)域?qū)?yīng)于相同的局部粒子微團(tuán)，因此只要在分析區(qū)域的空間鄰域內(nèi)搜索具有最大相似度的匹配區(qū)域，得到 2 區(qū)域中心的間距 S，就可以估算出該局部流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)矢量 ν= S/Δt。

測流時(shí)首先以自然光為照明光源，以數(shù)碼相機(jī)或視頻攝像機(jī)為圖像采集設(shè)備拍攝水面圖像；其次引入 1 個(gè)圖像正射校正的步驟以消除傾斜視角下拍攝帶來的圖像透視畸變；然后通過設(shè)置分析區(qū)域的大小和重疊率劃分測速網(wǎng)格；接下來匹配示蹤粒子圖像獲得物理坐標(biāo)系下的流速矢量場νtotal(2D)，實(shí)現(xiàn)河流水面流場的定量顯示；最后采用流速系數(shù) k 將水面流速νi轉(zhuǎn)換為深度平均流速νis，并用流速-面積法估算斷面流量，如圖 5 所示。

圖5 大尺度粒子圖像測速法原理示意圖

相比其他非接觸式方法，LSPIV 具有如下優(yōu)勢：1）時(shí)空分辨率高。測量系統(tǒng)能在數(shù)分鐘內(nèi)完成圖像采集和分析，測量結(jié)果為二維流速矢量場和斷面流量。2）測量范圍廣。理論上只要視頻圖像的幀速率足夠大，就沒有流速測量的上限。3）原理直觀，信息豐富。數(shù)字圖像易于理解、分析、存儲和傳輸，除了能獲得水面的瞬時(shí)和時(shí)均流場信息，圖像本身還可用于工情監(jiān)測。4）成本低廉，機(jī)動(dòng)性高。系統(tǒng)可基于現(xiàn)有的水利視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，或采用市面上成熟且通用的硬件產(chǎn)品搭建，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于以上特點(diǎn)，LSPIV 不僅可用于常規(guī)條件下明渠水流紊動(dòng)特性的研究，更具有極端條件下河道水流監(jiān)測的應(yīng)用潛力[20]。

LSPIV 的主要缺點(diǎn)如下：1）測量的可靠性完全依賴于水流示蹤物的存在性，因此在水面缺乏天然漂浮物或水面模式的情況下不能施測或需要布撒人工粒子；2）河流水面成像的光學(xué)環(huán)境復(fù)雜，大氣散射、水面反射及水下散射等的噪聲都會影響水面目標(biāo)的可見性[21]；3）圖像采集設(shè)備應(yīng)盡可能架高才能避免小角度下拍攝造成的遠(yuǎn)場分辨率不足；4）測流前需要在現(xiàn)場布置人工控制點(diǎn)或勘測地物特征點(diǎn)用于流場定標(biāo)。

可以看出，針對明渠水流的定量監(jiān)測，國內(nèi)外的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開展了大量研究，現(xiàn)代非接觸式明渠水流監(jiān)測儀器正朝著自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。各種類型的非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表 1 所示。

表1 非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)的對比

2 應(yīng)用需求及前景展望

2.1 應(yīng)用需求

我國山區(qū)河流水情復(fù)雜，平原河道河勢不穩(wěn)，沖淤變化劇烈，水流含沙量較大，加之技術(shù)發(fā)展水平的限制，目前天然河流的水文測驗(yàn)面臨著諸多挑戰(zhàn)。此外，現(xiàn)代大型水利工程復(fù)雜度的提高，部分流體力學(xué)研究從實(shí)驗(yàn)室向現(xiàn)場環(huán)境的轉(zhuǎn)移，也對泵站、隧洞、灌渠、龍口及閘壩等水利工程中的水流監(jiān)測提出了更高的要求，具體應(yīng)用需求分析如下：

1）極端水流條件。高洪期的高水位、流速、含沙量及各種混雜物極易造成入水儀器的損毀或流失，導(dǎo)致傳統(tǒng)的測驗(yàn)方案無法開展布置或儀器不能正常施測[22]?？赡芤l(fā)的潰壩、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害更對現(xiàn)場工作人員的生命安全構(gòu)成巨大威脅，因此極端水流條件要求測流儀器具有抗毀性。

2）山洪應(yīng)急監(jiān)測。突發(fā)性山洪災(zāi)害常發(fā)生在常規(guī)水文觀測站網(wǎng)之外的區(qū)域，由于交通中斷、工作條件差等原因，往往無法有效開展水文監(jiān)測和分析[23]。因此要求測流儀器具有一體化、小型化、輕量化的特點(diǎn)，便于步行搬運(yùn)和現(xiàn)場快速部署。

3）河口流量測驗(yàn)。平原河口屬于感潮河段，潮汐水位波動(dòng)，鹽度入侵及上游淡水匯入的相互作用，水流瞬息萬變，水文現(xiàn)象非常復(fù)雜。而且，河口區(qū)河面寬闊，航運(yùn)繁忙，不利于架設(shè)水文纜道，目前只能采用動(dòng)船法進(jìn)行水文測驗(yàn)，存在測驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大、測驗(yàn)工作艱巨繁重、人力物力投入大、測驗(yàn)和整編精度不高等許多困難和不利因素[24]。因此河口流量測驗(yàn)要求測流方法具有快速全場測量的能力，并能適應(yīng)復(fù)雜的測流環(huán)境。

4）水文測驗(yàn)?zāi)Ｊ健ｈb于江河眾多、流域面積廣闊，以及水文測站密度小、數(shù)量多的國情，投入大量資金建造高標(biāo)準(zhǔn)、高成本而低利用率的纜道或測船是不現(xiàn)實(shí)的。鑒于此，我國現(xiàn)有的水文測驗(yàn)?zāi)Ｊ秸刂娟?duì)結(jié)合和巡測的方向發(fā)展[25]。在保證國家測驗(yàn)質(zhì)量規(guī)定指標(biāo)的前提下，降低測站固定式常規(guī)測驗(yàn)設(shè)備的成本，并充分發(fā)揮機(jī)動(dòng)性測驗(yàn)設(shè)備的作用。因此要求測流儀器能夠廣泛應(yīng)用于各種河流和水情，并且投入少，有利于推廣和普及。

5）大型輸水工程。大型泵站由于進(jìn)出口流道不規(guī)則，往往導(dǎo)致流態(tài)復(fù)雜，流量測量困難。例如南水北調(diào)東線工程中典型的泗陽泵站，其進(jìn)出水流道采用肘形進(jìn)水、虹吸式出水方式，流道斷面變化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而隧洞通常具有淺水、寬斷面的特點(diǎn)，流速低但流量大[26]。因此大型輸水工程要求測流方法能夠?qū)崿F(xiàn)過水?dāng)嗝媪髁康木?xì)化監(jiān)測。

6）灌渠引水工程。灌渠流量自動(dòng)測量是提高灌區(qū)水資源利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量的重要措施之一。然而傳統(tǒng)的流速儀法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以在線測出全部變化過程，而堰槽法、電磁法則需停水改渠和定期維護(hù)，影響水權(quán)計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性[27]；目前國內(nèi)灌區(qū)的水情信息仍以人工定時(shí)測報(bào)為主，間隔時(shí)間達(dá) 2～4 h。因此灌渠引水工程要求測流儀器具有自動(dòng)化、免維護(hù)的特點(diǎn)。

7）大江截流工程。以三峽工程中的大江截流為例，截流期間龍口流速變幅大、變化快，對工程施工影響大，還伴隨著水深大、流量大、工期緊及不能斷航的因素。龍口最大流速的測驗(yàn)工作具有高度的時(shí)間性與危險(xiǎn)性，是大江截流水文觀測中最艱巨、最復(fù)雜的工作[28]。因此大江截流工程要求測流方法滿足實(shí)時(shí)性和安全性的要求。

8）閘壩泄洪工程。閘壩泄洪時(shí)，過閘流速高、流量大、出流流態(tài)復(fù)雜，既存在漸變流段，也存在水躍等急變流段。水流流態(tài)觀測不僅能為較為復(fù)雜的過閘流量精確測量提供重要依據(jù)[29]，還能較直觀地反映出大壩泄洪消能等水力特性[30]。因此閘壩泄洪工程要求測流方法能夠觀測水流的流態(tài)特征。

2.2 前景展望

盡管非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)能夠提高水文測驗(yàn)及水利量測的效率及安全性，但這些方法在原理上通常是基于示蹤物能夠緊密跟隨局部水流運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，并通過流速系數(shù)將水面流速轉(zhuǎn)換為深度平均流速用于流量估計(jì)，加之儀器本身和測量環(huán)境的影響，敏感因素眾多，需要以標(biāo)準(zhǔn)方法為參考對其進(jìn)行評估，以便在使用中優(yōu)化配置。

此外，僅僅利用單一的測驗(yàn)手段難以獲取全面、可靠的水流信息，而至今尚未有全面滿足當(dāng)代水文測驗(yàn)及水利工程應(yīng)用需求的技術(shù)方法及相應(yīng)的產(chǎn)品化儀器設(shè)備。為充分發(fā)掘并利用方法間的互補(bǔ)性，應(yīng)用多源傳感器信息融合技術(shù)將有望突破單一監(jiān)測手段的不足，提高非接觸式方法的測量精度。例如，Costa 等人[10]將探地雷達(dá)（100 MHz）和脈沖多普勒雷達(dá)（10 GHz）懸掛于水面上方的纜道，同時(shí)掃描并測量斷面的水下地形和水面平均流速，形成多波段雷達(dá)流量自動(dòng)測量系統(tǒng)，提高了測量效率和遙測水平。奧地利某公司的 RG-24 型雷達(dá)流量自動(dòng)化遙測系統(tǒng)集成了多普勒雷達(dá)流速儀和脈沖雷達(dá)水位計(jì)，配套的流量計(jì)算軟件可根據(jù)現(xiàn)場水體邊界情況和水力學(xué)模型快速給出綜合相關(guān)系數(shù)，具有低功耗、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。張振等人[31]利用明渠流速-水位-流量的內(nèi)在關(guān)系，以流速儀法獲取的精測值建立基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量模型，將 LSPIV 獲取的局部水面流速和單點(diǎn)水位作為輸入的二次變量估計(jì)斷面流量，避免了流速系數(shù)取值不當(dāng)引起的倍乘誤差，但只適用于斷面相對穩(wěn)定并且具有精測歷史數(shù)據(jù)的測站?？紤]到 LSPIV 和 ADCP 在測量水面和水下流速方面的互補(bǔ)性，若能采用座底式 ADCP 同步獲取水深及代表垂線上的流速分布，進(jìn)而實(shí)時(shí)修正測站特有的流速系數(shù)，將有助于提高 LSPIV 估計(jì)斷面流量的精度。此外，同樣作為水面流場測量技術(shù)，LSPIV 和掃描式電波流速儀的集成融合也將提供更豐富的定向、制圖和校驗(yàn)信息，減少現(xiàn)場標(biāo)定的工作量并提高測驗(yàn)成果的可信度。

3 結(jié)語

聲、光、電學(xué)及攝影測量技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代非接觸式明渠水流監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步。新一代具有水位、流速、流場、流量等綜合水信息測量能力的快速水文測驗(yàn)儀器，將為水文觀測和測站管理運(yùn)行模式帶來新的革命。我國的水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所、長江水利委員會[32]及黃河水利委員會[33]等單位長期以來一直從事水文測驗(yàn)儀器的研究開發(fā)，比測試驗(yàn)及成果分析等相關(guān)工作，取得了一定的應(yīng)用成果。但非接觸式測流儀器的研發(fā)依然落后于國外，高端儀器產(chǎn)品基本為空白，設(shè)備主要依賴于進(jìn)口[34]。因此，開展新一代明渠水流監(jiān)測方法的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究，研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)和儀器設(shè)備是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和河流相關(guān)科學(xué)研究的迫切需求！

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