水文工作中測(cè)流技術(shù)革新探析

施 藝

（四川省成都水文水資源勘測(cè)局，四川 成都 611130）

傳統(tǒng)水文工作中，老式的流速儀、浮標(biāo)等測(cè)流方式，得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。通過(guò)流速儀法測(cè)出垂線平均流速，再用流速——面積法算出全斷面流量，是傳統(tǒng)水文的“看家本領(lǐng)”之一，也是不同類型的測(cè)流儀器、技術(shù)方法進(jìn)行率定和校核的標(biāo)準(zhǔn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，水資源的開發(fā)利用不斷地加快，傳統(tǒng)的儀器和方法已無(wú)法完全滿足新形勢(shì)下工作的需要，提出了水文現(xiàn)代化建設(shè)的新要求。

隨著科技水平的提高，特別是電子產(chǎn)品與聲學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大量的新儀器和設(shè)備運(yùn)用到了水文測(cè)驗(yàn)工作中，目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的先進(jìn)測(cè)流儀器設(shè)備中，最常見的有聲學(xué)多普勒剖面流速儀與電波流速儀兩種。

1 聲學(xué)多普勒剖面流速儀

1.1 測(cè)流原理

聲學(xué)多譜勒剖面流速儀，簡(jiǎn)稱為ADCP。測(cè)流原理是，當(dāng)輻射源（儀器）的輻射波（超聲波）跟物體（如水體中的懸移質(zhì)或小氣泡）接觸時(shí)產(chǎn)生反射；當(dāng)輻射源與物體之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的反射波頻率會(huì)與發(fā)射出的輻射波頻率之間發(fā)生頻移現(xiàn)象，這種由于輻射源和反射物之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻移現(xiàn)象，被稱為多譜勒效應(yīng)；ADCP通過(guò)多普勒效應(yīng)測(cè)量出頻移差，進(jìn)而算出水流運(yùn)動(dòng)的速度。

聲學(xué)多普勒效應(yīng)中，發(fā)輻射波與反射波之間的頻率差，計(jì)算公式如下：

式中：Fd——頻率差；

F——發(fā)射的頻率；

V——反射物的移動(dòng)速度（即水流相對(duì)速度）；

C——超聲波水下傳播速度。

一般用走航式ADCP進(jìn)行測(cè)流，將ADCP安裝于載體（船或橡皮艇等）上。當(dāng)載體沿橫斷面穿過(guò)河流時(shí)，通過(guò)ADCP發(fā)射出固定頻率的超聲波，然后接收不同水深中眾多反射物（懸移質(zhì)或小氣泡）散射回來(lái)的超聲波，測(cè)量出頻率差（頻移），通過(guò)計(jì)算得到反射物的運(yùn)動(dòng)速度。載體在移動(dòng)過(guò)程中測(cè)得的反射物的運(yùn)動(dòng)速度，是水流相對(duì)于運(yùn)動(dòng)載體的相對(duì)速度，需要扣除載體的移動(dòng)速度，求得水流運(yùn)動(dòng)的速度。

1.2 計(jì)算方法

得到整個(gè)斷面的流速分布場(chǎng)之后，可以通過(guò)以下3種方法計(jì)算實(shí)測(cè)流量。

1.2.1 等流速曲線

通過(guò)各反射物的流速值，繪制出斷面流速分布圖，即等流速曲線，對(duì)相鄰兩條曲線的值取平均，再乘以它們之間的面積，得到該部分面積的流量即部分流量，部分流量經(jīng)過(guò)累加后得到斷面流量。

1.2.2 垂線平均流速

根據(jù)斷面寬度，沿?cái)嗝鎰澇龆鄺l垂線，根據(jù)各反射物的流速值，分別計(jì)算出各垂線的平均流速，對(duì)相鄰兩條垂線取平均流速，再乘以它們之間的面積，得到該部分面積的流量，即部分流量，部分流量累加即可得到斷面流量。

1.2.3 水平線平均流速

根據(jù)水深，沿水深劃出多條從一岸到另一岸的水平線，再根據(jù)各反射物的流速值，分別計(jì)算出各水平線的平均流速，對(duì)相鄰兩條水平線取它們的平均流速，再乘上它們之間的面積，則可得到該部分面積的流量，即部分流量，部分流量經(jīng)過(guò)累加后即可得到斷面流量。

1.3 特性分析

走航式ADCP測(cè)流具有明顯的先進(jìn)性，一般由儀器配套的軟件自動(dòng)計(jì)算流量，配套軟件一般采用第一種方法進(jìn)行計(jì)算。

在實(shí)際工作中，通過(guò)與流速儀流量測(cè)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，建立相關(guān)性，走航式ADCP測(cè)流的允許誤差能夠滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定，符合測(cè)驗(yàn)精度的要求，目前已大量運(yùn)用在水文測(cè)驗(yàn)工作中。該方法不用架設(shè)纜道、對(duì)水體基本不造成干擾、受天氣的影響也較小。其不足在于，當(dāng)流速偏大（大于3.0 m/s）時(shí)，測(cè)量難度大，儀器容易受水流與漂浮物影響，而流速很?。ㄐ∮?.1 m/s）時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)不出數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)丟失）的情況，根據(jù)有關(guān)資料與平時(shí)測(cè)量結(jié)果，一般情況下，使用走航式ADCP測(cè)流需要往返4次以上（單邊算1次），否則流量成果的誤差會(huì)超過(guò)允許誤差，所以走航式ADCP測(cè)流不具備連續(xù)測(cè)流的功能。

2 電波流速儀

2.1 電波流速儀底堡站測(cè)流

電波流速儀，又稱雷達(dá)波流速儀，同樣是一種利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量水流速度的儀器，儀器通過(guò)用連續(xù)波雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)回波的相位信息，即利用發(fā)射信號(hào)的水面回波與基準(zhǔn)信號(hào)的多普勒頻率差來(lái)提取速度信息。

使用電波流速儀測(cè)流的目的是為了解決河流匯流速度快、洪水陡漲陡落等常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)困難的情況?，F(xiàn)在電波流速儀在測(cè)站的使用一般是用來(lái)進(jìn)行高洪測(cè)流，解決高洪情況下洪水流速大、陡漲陡落，使用流速儀測(cè)驗(yàn)時(shí)設(shè)備易產(chǎn)生安全隱患、測(cè)量時(shí)間緊、易受水面漂浮物和水草干擾，以及浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)時(shí)人員安全得不到保障、測(cè)量精度不高、受人為及天氣等因素影響大的問(wèn)題。

目前在很多測(cè)站工作中，電波流速儀的使用還未正式開展，使用記錄及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，各個(gè)測(cè)站還需要研究出電波流速儀測(cè)流的適用范圍與相應(yīng)的可行性方案，率定出電波流速儀的系數(shù)，為電波流速儀在汛期漲大水時(shí)的使用提供依據(jù)。

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）、《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（SL 443-2009）、《水文資料整編規(guī)范》（SL 247－2012）對(duì)電波流速儀的系數(shù)進(jìn)行分析。步驟如下：

采用底堡站2017年資料，共17次電波流速儀測(cè)量資料進(jìn)行分析；將各個(gè)電波流速儀測(cè)次的相應(yīng)水位在已定好的流速儀水位～流量關(guān)系線上進(jìn)行查讀，得到其線上流量；根據(jù)各個(gè)電波流速儀測(cè)次所測(cè)得的斷面虛流量與線上流量作比較，計(jì)算相對(duì)偏差和比值；計(jì)算所有電波流速儀測(cè)次所測(cè)得的斷面虛流量與線上流量相對(duì)偏差的系統(tǒng)差，其系統(tǒng)誤差應(yīng)小于3%；點(diǎn)繪電波流速虛流量與線上流量的相關(guān)關(guān)系圖，求解回歸方程，得到相關(guān)系數(shù)與相關(guān)關(guān)系；將電波流速儀乘以系數(shù)后的流量在已定好的流速儀水位～流量關(guān)系線上進(jìn)行檢驗(yàn)。

電波流速儀系數(shù)分析及檢驗(yàn)成果見表1。

電波流速儀虛流量與流速儀流量的相關(guān)性見圖2。

通過(guò)分析可以看出，底堡水文站電波流速儀所測(cè)流量較為穩(wěn)定，分析后得到電波流速儀的系數(shù)為0.79，比測(cè)成果符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）要求，能夠用于斷面流量測(cè)驗(yàn)。

表1 系數(shù)分析成果表

2.2 特性分析

通過(guò)分析，電波流速儀測(cè)流的精度高于浮標(biāo)法測(cè)流，符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）測(cè)流精度的要求。不僅解決了浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)用

圖2 系數(shù)分析相關(guān)圖

［收稿日期］2018-05-20；［修回日期］2018-06-28 1.227萬(wàn)hm2，有效灌溉面積1.072萬(wàn)hm2，其中純河灌區(qū)0.039萬(wàn)hm2。由于純河灌區(qū)還延續(xù)大水漫灌，灌水次數(shù)不足、灌水定額偏大，加之渠系工程不配套、防滲率較低等因素，輸水損失較大。據(jù)測(cè)算，純河灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)約為0.35。而井灌區(qū)由于灌溉成本高，灌溉類型也多為防滲渠道，灌溉水利用系數(shù)可達(dá)到0.60。因此對(duì)昌源河灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水配套改造、發(fā)展高效節(jié)水灌溉意義重大。

3.3 管理水平

灌區(qū)灌溉用水主要由水工隊(duì)負(fù)責(zé)，包括灌溉用水的配水、計(jì)量、水費(fèi)收繳等內(nèi)容。由于灌區(qū)末級(jí)渠系配套差，計(jì)量設(shè)施不健全，根本無(wú)法達(dá)到計(jì)量到田、收費(fèi)到戶的要求。用水調(diào)配存在很大的隨意性，用水量沒(méi)有限制，使供水管理失去了科學(xué)性，增加了盲目性，造成了水資源的浪費(fèi)。收費(fèi)制度不合理，在供水管理中，灌區(qū)對(duì)用水組織實(shí)施斗口以方計(jì)征制，用水組織對(duì)農(nóng)戶實(shí)施以畝計(jì)征制，造成了灌區(qū)水效低下，水源浪費(fèi)。同時(shí)，農(nóng)民的用水戶協(xié)會(huì)的運(yùn)作還存在不規(guī)范、不合理的一面，如規(guī)章制度不健全，組織不嚴(yán)密，經(jīng)費(fèi)沒(méi)保障等，這些都是制約灌區(qū)管理發(fā)展的不利因素。

4 對(duì)策及建議

4.1 加大田間配套工程建設(shè)

干、支渠道及建筑物進(jìn)行節(jié)水改造建設(shè)后，灌區(qū)骨干工程面貌有所改善，但節(jié)水效益是通過(guò)斗、農(nóng)、毛三級(jí)渠道的配套改造和綜合治理才體現(xiàn)出來(lái)的。田間水利工程配套改造，如果單純依靠村級(jí)水利管理組織和用水戶協(xié)會(huì)，其力量十分有限，應(yīng)積極爭(zhēng)取地方各級(jí)財(cái)政資金和水利專項(xiàng)資金的投入。將地方農(nóng)田水利基本建設(shè)項(xiàng)目、其它小型農(nóng)田水利項(xiàng)目，優(yōu)先和重點(diǎn)安排在灌區(qū)受益區(qū)。渠系建設(shè)突出各級(jí)渠系與骨干渠道整體發(fā)展的連帶關(guān)系，集中體現(xiàn)上級(jí)投資的導(dǎo)向與拉動(dòng)作用，有效提高灌區(qū)的用水效率和效益，更好地為祁縣的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供服務(wù)。

4.2 提升管理水平

建立工程運(yùn)行管理新機(jī)制，提高灌溉工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)控制水平，推動(dòng)灌區(qū)自動(dòng)化、數(shù)字化建設(shè)的進(jìn)程，加大灌區(qū)信息化工程建設(shè)投入。同時(shí)，組織受益村村委會(huì)參與灌溉運(yùn)作，使農(nóng)村用水組織向正規(guī)化、科學(xué)化管理邁進(jìn)。進(jìn)一步提高灌區(qū)末級(jí)渠系管理水平，真正做到量水到戶，促進(jìn)節(jié)水、提高水效，使灌區(qū)管理逐步納入良性運(yùn)行的軌道。

4.3 推進(jìn)水價(jià)改革

建立合理的水價(jià)體系，用經(jīng)濟(jì)手段來(lái)促進(jìn)節(jié)水。結(jié)合目前正在推進(jìn)的農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革內(nèi)容，進(jìn)一步完善農(nóng)田水利工程體系，通過(guò)建設(shè)灌區(qū)范圍內(nèi)渠道工程的配套計(jì)量設(shè)施，建立和完善水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而科學(xué)合理分配水權(quán)，對(duì)農(nóng)業(yè)用水實(shí)行總量控制和定額管理，建立起農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)補(bǔ)貼和節(jié)水獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，健全農(nóng)業(yè)水價(jià)形成機(jī)制，提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。