水文巡測測流儀器設備現狀

張松吉 ，李 鵬 ，馬松根 ，張宏達 ，王 福

（1. 河南省駐馬店水文水資源勘測局，河南 駐馬店 463000；2. 黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 河南省水文水資源局，河南 鄭州 450000）

0 引言

流量是水文測驗的重要工作內容之一。目前在一些水文站中都建有水文纜道，流量測驗主要是利用水文纜道運載平臺進行施測測驗的。流量測驗主要以轉子式流速儀為主，其流速測量準確、制造技術成熟、結構簡單、容易掌握、使用方便、性能可靠、便于維修、適用范圍較廣，以其它相對測驗精度較低的儀器設備或方式為輔。這與我國水文測驗高要求的測驗規(guī)范[1]31，長期有人駐站工作相適應。現在，隨著我國對中小河流防洪的重視，越來越多無人值守的水文巡測站在中小河流上設立。另外，現在各地相繼成立了縣級水文局或水文測報中心，對基本水文站也逐步采取了區(qū)、塊巡測的模式。

水文巡測指水文專業(yè)人員以巡回流動的方式，定期或不定期對一個地區(qū)或流域內水文測站或斷面的水文要素進行觀測作業(yè)[2]。

如果對沒有水文纜道的水文站或斷面進行流量巡測，需要有合適的巡測儀器設備。但目前現有流量巡測的儀器設備，能否滿足流量巡測，還需要進一步探討。通過現狀分析，希望能夠引起對當前流量巡測儀器設備存在問題的重視，希望能有更適合流量巡測的儀器設備被研制出來。

目前能用于水文巡測的測流儀器設備主要有水文橋測車、走航式 ADCP、電波流速儀、電磁流速儀、手持懸掛式流速儀橋測測流設備和側掃雷達測流系統(tǒng)等。

1 水文橋測車

水文橋測車是橋上測流的一種設備，為減少橋墩對水流的影響，橋測車測流時，斷面都布設在橋的上游。

1.1 儀器結構

水文橋測車由運載車、起重吊車、絞車及流速儀等組成。

1.2 測流原理

對過水斷面若干個測線、測點的流速和斷面水深進行測量，計算出過水斷面流量。

1.3 測流過程

利用橋測車上的吊臂和絞車將裝有轉子式流速儀的鉛魚放入水中，測定某條測深測速垂線上的流速和水深（水深也可根據水位-斷面圖查得），然后將橋測車移動到另一條垂線的位置，重復這一過程，通過測定多條垂線上的流速和水深，最后計算出過水斷面流量。

1.4 特點

1）優(yōu)點。機動性強，適合巡測。測流速用的是傳統(tǒng)的轉子式流速儀，如果流速儀出現故障，一般工作人員可以現場解決，實用性比較強。

2）缺點。目前的橋測車由于受自身條件的限制，只能在橋墩附近測量。在低水時由于橋墩裸露或者淤積的泥沙會把水流分割成多股；在洪水時無法避開受橋墩影響的水流及橋墩附近不斷沖淤變化的斷面，造成無法測量或測驗誤差增大。河海大學近期對不同墩型不同斷面的流量等項目進行了模擬實驗，結果顯示，離開橋墩 3 或 4 m，與相對標準斷面（距橋墩 156 和 135 m 處）的流量平均相對誤差小于 2%，觀測精度較好，適宜作為觀測斷面[3]。在橋墩前布設測流斷面，測流結果存在一定誤差，并且流速越大，橋墩對水流的影響越大，同時由于吊臂離水面距離較大，鉛魚在水流的沖擊下偏距也越大，鉛魚離橋墩就越近，基本無法滿足離開橋墩3 或 4 m 的距離，從而使測驗結果誤差也越大。陜西省漢中水文水資源勘測局洋縣水文站利用橋測車測流，經過多年實踐發(fā)現，在平均水深大于 2.5 m的高水時，流速大，水草多。使用小鉛魚無法測深，使用大鉛魚施測水深，偏角較大，加之水草較多，不安全，水深的可靠性差[4]。因此，橋測車在流速較高時的流量測驗精度低于水文纜道，橋測車比較適合流速較低的中低水并且水面上漂浮物較少的流量測驗工作。

現在很多橋梁的兩邊都有人行道和路燈桿，在一定程度上限制了橋測車的使用。

2 走航式 ADCP

走航式 ADCP 具有不擾動流場、分辨力高、測驗歷時短、測速范圍大、精度高等特點，被廣泛用于海洋、河口、湖泊、水庫等水體的流場結構調查，流速和流量測驗，工程應用等方面，近些年在我國基層水文站廣泛應用。

2.1 儀器結構

走航式 ADCP 主要由聲束換能器、電子部件、磁通門羅盤、傾斜計、溫度傳感器、底跟蹤固件等組成，具有 DGPS，RS-232 或 RS-422 等數據通信接口。

2.2 工作原理

ADCP 是利用聲學多普勒效應進行測流的。在工作時，由儀器發(fā)出聲波，再接收水中懸浮物或氣泡的反射波。懸浮物或氣泡隨水體漂移，使回波信號的頻率發(fā)生變化，即回波信號的頻率與發(fā)射的頻率之間產生一個頻差即多普勒位移，測出位移，即可算出水流的速度。同時由于走航式 ADCP 測量時測船在運動著，測得的是相對于地球坐標的流速和船速矢量的合成，走航式 ADCP 還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，利用固定不動河底的多普勒位移測得測船的運動速度、方向，然后將水流相對速度扣除船速得到水流的絕對速度。

走航式 ADCP 將測流斷面劃分成若干個單元，在每個單元里都測量流速和水深，由計算機計算出各單元的流量，當走航式 ADCP 橫跨整個斷面完成半個測回后，總流量可通過各單元流量累加得到。

2.3 特點

1）優(yōu)點。走航式 ADCP 的主要優(yōu)點是體積小、便于攜帶、測流速度快，特別適用于大江大河、河口、洪水時的流量測驗[5]250。

2）缺點。若河底有沖淤變化，采用底跟蹤定位失效，此時需要用 GPS 定位系統(tǒng)代替河底跟蹤系統(tǒng)，但在有些山區(qū) GPS 信號并不是很好，特別是海拔較高的深溝河段，根本無法接收到 GPS 信號。并且還存在著盲區(qū)，設備價格較貴，技術復雜，一旦出現問題，使用者不會或無法維修，例如，駐馬店水文水資源勘測局泌陽水文站在 2018 年 7 月的 1 次流量測驗中，攜帶 1 臺走航式 ADCP 到孫莊巡測站測流，使用時發(fā)現 ADCP 不能正常工作，經檢查電臺工作正常，在調整相關參數、更換電量充足的電池（因為電池電壓降到一定程度時 ADCP 主機也不能正常工作）后，仍然沒有任何作用，結果洪水消退了，流量也未測到。后來經檢測是換能器不能正常工作，如果要維修需要空運到美國廠家。

走航式 ADCP 在經過一定的距離運輸或存放一段時間重新使用時，有時會發(fā)生不能正常工作的情況。如 2018 年 6 月，駐馬店水文水資源勘測局在泌陽縣泌河上進行防洪演練時，4 臺 ADCP 僅 1 臺在安裝后可以正常使用，1 臺經過反復調試后才能正常工作，1 臺信號不穩(wěn)定，1 臺不能工作。

走航式 ADCP 對測流環(huán)境有一定要求。含沙量和流速較大時，不能測得滿意的數據，聲波要穿越較大含沙量的較深水體時，應該使用較低頻率，而較低頻率在水中的測量性能又低于較高頻率，造成了使用上的限制[1]96。此外水溫、水深、河寬、紊流強度、鹽度、磁場等，也會對流量的測驗結果造成一定的影響。

走航式 ADCP 測速時一個基本假設是反射聲波信號產生多普勒頻移的水中懸浮物或氣泡和水流等速運動[1]92。實際上水中懸浮物或氣泡除隨水流運動時，相對于水流又有自身上下左右的運動速度，這種情況與假定有明顯的出入。

走航式 ADCP 在流速大的洪水期間利用橋梁進行巡測測流會存在較大誤差，甚至無法使用。如2018 年 7 月 28 日駐馬店水文水資源勘測局蘆莊水文站所在的河流爆發(fā)山洪，最大流速約為 3 m/s。水文局搶險突擊隊在橋梁上利用繩索牽引走航式ACDP 測流，由于水面波浪大，走航式 ADCP 不僅多次被波浪打翻，還多次被拋離水面，造成換能器暴露在空氣中，引起信號斷斷續(xù)續(xù)，雖經往返 20 多次測量，也沒有測得符合要求的結果，僅有 3 次相近的數據也與利用流速儀和浮標測得結果所定的關系曲線相差甚遠，流量明顯偏小，數據未被采用。因此走航式 ADCP 并不適應中小河流爆發(fā)山洪期間的巡測。

走航式 ADCP 雖然測流速度快，但測驗歷時短，有利也有弊，測驗值受流速脈動影響偏大，可信度較低[6]。

影響走航式 ADCP 的測流因素很多，測得結果并不十分穩(wěn)定，因此在投入使用前，應與轉子式流速儀法數據，在各種水文條件下進行比測，最后確定能否應用。否則，測得的數據可能不可靠。比測分析報告應包括測驗河段水文特性、測站特征等內容[5]254。

3 電波流速儀

電波流速儀是測量水面流速的非接觸式流速測量儀器。

3.1 儀器結構

電波流速儀主要由探測頭、信號處理機、電池等組成。

3.2 工作原理

電波流速儀是一種利用多普勒原理制造的測速儀器。在測速時，電波流速儀向水面發(fā)射微波，同時接收水面的反射波，測出反射波信號和發(fā)射波信號的頻率差就可計算出水面流速。

3.3 特點

1）優(yōu)點。利用電波流速儀可在橋上或河岸上測量一定距離處的水面流速，測流速時不受水體水質、流態(tài)、含沙量、漂浮物等的影響，具有操作方便、安全、測量時間短、速度快等特點。電波流速儀尤其適合洪水時的水面流速測量。

此外，電波流速儀體積小，重量輕，便于攜帶，更適合巡測。

2）缺點。電波流速儀只能測量水面流速，無法利用多點法施測不同水深處的流速；電波流速儀的低速測量效果不好，流速測量的低速端較高，通常在 0.5 m/s 以上[5]215。

電波流速儀測得的是水面波浪或水面漂浮物的速度，與水面流速并不完全一致。

電波流速儀在測速時要用俯角和水平角的余弦進行流速計算，這些角度都是針對聲束角中軸線而言的。電波波束會有 10° 左右的波束角，斜向發(fā)射到水面上，會在水面上形成 1 個近似橢圓形的投影，在此投影內的任何一點強反射，都可能是測點的流速，使測速點的位置有很大的不確定性，測速的準確性低于轉子式流速儀[5]215。

駐馬店水文水資源勘測局泌陽和立新水文站在實際應用中發(fā)現，電波流速儀遇到風雨時，顯示的流速跳躍變化很大，這是因為空中的雨點或其它質點都會引起強反射，誤認為是測點的流速造成的。然而在洪水期間往往都有風雨現象出現，因此電波流速儀在遇到有風雨的洪水期間幾乎是無法使用的。

電波流速儀一旦出現故障，維修對基層水文工作者是一個難題。

在野外使用電波流速儀時，往往都要用轉子式流速儀同步測速，以轉子式流速儀測得的值為準進行比對，比測結果應不超過允許范圍。

4 電磁流速儀

測量點流速的電磁流速儀可用于流量巡測。

4.1 儀器結構

電磁流速儀主要由傳感器和控制測量儀構成，儀器安裝在測桿上。

4.2 工作原理

電磁流速儀是根據法拉第電磁感應定律原理制成的。在工作時電磁點流速儀直接在貼近儀器表面處產生一個人造磁場，測量感應電動勢的電極，測出此處的流速。

4.3 特點

1）優(yōu)點。電磁流速儀測流速度快；無轉動部件，頭部不易纏繞水草；體積小，便于攜帶。

2）缺點。電磁流速儀測量的水體必須要有一定的導電率；若水流的速度較低，水體的導電能力又差，則電磁流速儀的測量結果就會差；電磁流速儀易受外界電磁干擾的影響。

在野外應用，影響因素太多，各種數值都有誤差，計算結果也有較大的不確定性，故測速準確度不會太高。在應用時必須從水下接出 1 根電纜，影響了應用范圍[1]103。

實際上，測量點流速的電磁流速儀與用測桿安裝的轉子式流速儀的作用相同。適用于淺水河流、渠道，在涉水測流、橋測、船測時應用。

現場使用中需要經常和標準轉子式流速儀進行比測率定[1]103。

5 手持懸掛式流速儀橋測測流設備

手持懸掛式流速儀橋測測流設備是駐馬店水文局遂平水文站研制的一種簡易的橋測測流設備。

5.1 儀器結構

手持懸掛式流速儀橋測測流設備主要由帶刻度的繩索、重錘等組成，重錘上安裝轉子式流速儀。

5.2 工作原理

手持懸掛式流速儀橋測測流設備對過水斷面若干個測點的流速測量和斷面水深測量，然后計算出過水斷面流量。

5.3 特點

1）優(yōu)點。結構簡單，操作方便，便于攜帶，測速準確，便于維護維修。

2）缺點。重錘質量僅為 4 kg，遇到較大流速時，重錘會發(fā)生漂移，造成繩索偏角大，水深測不準，流速測驗誤差大，僅適合流速低于 1.0 m/s 時的流量測驗工作。此外，使用時靠人力升降，不方便也比較費力。

6 側掃雷達測流系統(tǒng)

便攜式側掃雷達測流系統(tǒng)可用于流量的巡測。

6.1 儀器結構

側掃雷達測流系統(tǒng)主要由數據平臺、射頻線纜、綜合機箱、通信設備等組成。

6.2 工作原理

側掃雷達利用多普勒效應測速，在原理上其實是一部脈沖多普勒雷達，與其它多普勒雷達相比，它充分利用了水面的布拉格（Bragg）散射特性。通過對水流表面流速測量，將流速數據發(fā)送到數據平臺，數據平臺通過斷面資料、水位和流速數據合成流量數據。

6.3 特點

1）優(yōu)點。側掃雷達測流系統(tǒng)屬于非接觸式，安全性好；采用脈沖多普勒體制，點頻工作，雖然成本高，但性能很好[7]33；便于攜帶，自動化程度高，適合巡測。

2）缺點。便攜式側掃雷達測流系統(tǒng)，測量河段的最小寬度為 30 m，距離分辨率為 10 m，但中小河流河道的寬度一般為數 10 m，在中小河上應用受到一定的限制。只能測水面流速。

現階段側掃雷達測流系統(tǒng)在應用時需要設置系統(tǒng)參數，其中最重要的是最大流速限制，這個參數決定了系統(tǒng)誤差。如果是低流速模式，則無法在高流速的環(huán)境中使用；但高流速模式在低流速的環(huán)境中測量，測量結果的系統(tǒng)誤差會比較大[7]36。但河道一般都是復式斷面，洪水時主槽流速大，漫灘部分流速較低，在這種情況下測量結果誤差較大。

側掃雷達測流系統(tǒng)易受電磁干擾，在雷雨天氣運用會受到一定的影響，甚至無法使用。

7 結語

1）用于巡測的測流儀器設備在中小河流爆發(fā)山洪及有風雨、雷電時，還存在著無法滿足流量巡測的問題，甚至出現無合適儀器設備可用的困境。

2）在開發(fā)研制水文巡測測流儀器設備時，應該考慮如下問題：a.是否適合巡測，因為巡測時需要攜帶儀器東奔西跑，路程幾十甚至上百千米，道路又不好，儀器可能到達目的地時就已損壞了；b. 能否適應惡劣的天氣和水情條件，巡測時往往都是這樣的天氣和水情狀況；c. 到達巡測地點時能否快速安裝并投入使用，中小河洪水漲落較快，如果安裝調試時間過長，洪水就消退了；d. 同時也應該考慮基層水文職工對儀器的操控能力和維護維修水平，增加儀器的實用性。

3）在研究聲學、雷達流速儀器的應用方法和適用范圍外，利用轉子式流速儀測流的巡測儀器設備還有待進一步創(chuàng)新，以滿足在惡劣天氣及各種水情條件下的流量巡測工作，并且提高流速較高情況下的測流精度，以滿足其它測流儀器設備與轉子式流速儀比測的要求。