山東省河道自動(dòng)測(cè)流技術(shù)應(yīng)用研究及探討

李洪濤 董小吉 李勇剛

2019年9 月份，水利部印發(fā)了《水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求》（以下簡(jiǎn)稱《要求》），加大了水文測(cè)報(bào)先進(jìn)技術(shù)裝備應(yīng)用指導(dǎo)和推進(jìn)力度，有力推進(jìn)了水文現(xiàn)代化進(jìn)程。河道流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)報(bào)的重要工作內(nèi)容之一，《要求》中著重予以明確，提出一系列規(guī)范應(yīng)用，為下一步發(fā)展指明了方向。

一、現(xiàn)狀自動(dòng)測(cè)流技術(shù)應(yīng)用概況

根據(jù)河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范，流量測(cè)驗(yàn)可根據(jù)水文測(cè)站測(cè)驗(yàn)任務(wù)要求，選用聲學(xué)多普勒流速剖面儀法、雷達(dá)測(cè)速、聲學(xué)時(shí)差法、比降面積法、圖像識(shí)別技術(shù)、水工建筑物與堰槽測(cè)流等方式方法。在升級(jí)改造自動(dòng)化纜道同時(shí)，山東省內(nèi)應(yīng)用較多的自動(dòng)測(cè)流方式有ADCP、雷達(dá)探測(cè)、聲波探測(cè)等。

（一）ADCP

ADCP 全稱為聲學(xué)多普勒流速剖面儀，通過多普勒聲學(xué)頻移原理測(cè)量每一微斷面的垂線流速，再根據(jù)截面計(jì)算平均流量，分為窄帶、寬帶和脈沖相干三類，具體應(yīng)用場(chǎng)景主要分為移動(dòng)式和固定式兩種。

移動(dòng)式ADCP 使用場(chǎng)景包括船測(cè)、橋測(cè)等多種方式，通過ADCP 在河道斷面勻速移動(dòng)測(cè)算流速，然后在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算得到流量數(shù)據(jù)。這種方式多用于汛期測(cè)洪或應(yīng)急搶險(xiǎn)等情形，具有靈活、便捷、高效的優(yōu)勢(shì)。牟汶河鄂莊橋水文站自主設(shè)計(jì)改裝了浮標(biāo)纜道和操作平臺(tái)，改為掛載ADCP 設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控，取得較好效果。

固定式ADCP 多數(shù)布設(shè)在規(guī)則斷面，安裝到垂直軌道或河底，通過對(duì)橫剖面或縱剖面快速掃描，獲取實(shí)時(shí)流速數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算得到斷面流量。對(duì)于存在河底移動(dòng)現(xiàn)象的河道測(cè)流，需要對(duì)河底變化進(jìn)行預(yù)處理，充分考慮河底變化速率。小清河黃臺(tái)橋水文站2016年安裝了1 臺(tái)H-ADCP，通過軌道控制ADCP 自動(dòng)鎖定水深0.6 測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道斷面流速和流量在線監(jiān)測(cè)。大汶河大汶口水文站新建基于V-ADCP 的在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，兩臺(tái)V-ADCP 設(shè)備固定于斷面河底，采用二線能坡法實(shí)現(xiàn)斷面流速和流量計(jì)算。

（二）雷達(dá)測(cè)流

雷達(dá)探測(cè)也是應(yīng)用多普勒原理，通過雷達(dá)波非接觸方式測(cè)量河道水面流速，進(jìn)而結(jié)合斷面水位推定流量，包括側(cè)掃雷達(dá)、點(diǎn)雷達(dá)、電波流速儀、微波流速儀等。主要應(yīng)用模式包括固定式和非固定式兩種。

非固定式流速儀主要包括車載雷達(dá)或手持電波流速儀等，可根據(jù)測(cè)流需要臨時(shí)部署。固定式流速儀則是將雷達(dá)波測(cè)速儀以一定角度固定在吊臂或者橫桿上，對(duì)固定斷面表面流速進(jìn)行測(cè)量。雷達(dá)測(cè)流方式在斷面規(guī)整和流速較緩河面效果較好，但對(duì)于河水較深、斷面復(fù)雜、流速不均的河道探測(cè)精度較差，一般作為應(yīng)急監(jiān)測(cè)和比對(duì)方式。2020年臨沂水文站固定雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)經(jīng)受了大洪水檢驗(yàn)，在線洪峰流量與實(shí)測(cè)洪峰流量基本一致。

（三）聲波測(cè)流

聲波探測(cè)主要采取超聲波脈沖探測(cè)，分為傳播時(shí)間法和多普勒頻移法。傳播時(shí)間法又可分為時(shí)差法、相位差法、頻率差法三種。超聲波時(shí)差法測(cè)流原主要應(yīng)用于封閉管道內(nèi)流量測(cè)定，應(yīng)用于河道測(cè)流需要對(duì)斷面進(jìn)行改造，保證斷面上下游襯砌長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)超聲波脈沖有效接收。濟(jì)南市大汶河萊蕪站斷面安裝了廣角超聲波在線測(cè)流系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

（四）圖像識(shí)別

常規(guī)意義上的圖像識(shí)別主要是采用視頻自動(dòng)識(shí)別水尺水位，再通過水位流量關(guān)系推算流量，在山東省應(yīng)用場(chǎng)景較多。基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的在線流速/流量圖像識(shí)別系統(tǒng)可根據(jù)水面視頻圖像進(jìn)行歸納比對(duì)，直接確認(rèn)水面流速/流量量級(jí)，還處于實(shí)驗(yàn)階段。

二、存在的問題和不足

山東省在河道自動(dòng)化測(cè)流方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但也遇到了適應(yīng)性、精確度、資金投入、運(yùn)行操作、管理維護(hù)等方面的諸多制約和不足。

（一）環(huán)境制約

在河道環(huán)境方面，主要存在河道斷面、基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備指標(biāo)等制約因素。一般天然河道斷面較寬，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)斷面投資較大，存在河道下切、淤積等負(fù)面影響。以沂沭河為代表的山丘河道水位暴漲暴落，行洪前期河內(nèi)漂浮物較多、泥沙含量較大，也影響部分自動(dòng)測(cè)流設(shè)備性能。

（二）智能化不夠

現(xiàn)有測(cè)流設(shè)施設(shè)備智能化程度不夠，需要人工根據(jù)環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，測(cè)流頻次、垂線布設(shè)、漲落時(shí)間、峰值把握都需要測(cè)流人員控制，單次測(cè)量用時(shí)較長(zhǎng)，測(cè)流效率較低。

（三）集成度不高

現(xiàn)有測(cè)流設(shè)施主要集中于前端或單次測(cè)流，缺乏與歷史數(shù)據(jù)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)評(píng)估比對(duì)，也缺少與上下游的聯(lián)動(dòng)，還是處于孤立、單點(diǎn)狀態(tài)。

（四）精度需提升

測(cè)流過程標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠，誤差來源較多，單一依靠設(shè)施設(shè)備來控制測(cè)流精度，操作難度較大。按水文監(jiān)測(cè)規(guī)范，一類、二類、三類精度站要求高中低水精度為5%～11%，特殊情況下測(cè)流精度還要降低。

（五）發(fā)布不及時(shí)

過去單點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)需要首先上傳到市水情中心，再轉(zhuǎn)報(bào)省中心，在省市中心后臺(tái)演算后作為預(yù)警預(yù)報(bào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但在現(xiàn)地流量數(shù)據(jù)的發(fā)布及應(yīng)用渠道不夠暢通，無法及時(shí)為當(dāng)?shù)胤姥搭A(yù)警提供針對(duì)性服務(wù)。

三、智慧測(cè)流系統(tǒng)展望

2021年全國水文工作會(huì)議提出，要實(shí)現(xiàn)水文全要素、全量程自動(dòng)監(jiān)測(cè)，水文數(shù)據(jù)處理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和分析評(píng)價(jià)全流程自動(dòng)化和智能化，為推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)一步指明方向。實(shí)現(xiàn)河道智慧測(cè)流，全面提升水文現(xiàn)代化水平，應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段，以系統(tǒng)模式逐步實(shí)現(xiàn)河道智慧測(cè)流。

（一）加強(qiáng)綜合數(shù)據(jù)采集

因地制宜采用基于物聯(lián)網(wǎng)的各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊，提高實(shí)時(shí)在線水文數(shù)據(jù)采集效率。在不斷增強(qiáng)實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)代表性基礎(chǔ)上，加強(qiáng)ADCP、聲波流速儀等設(shè)備應(yīng)用，探索以水面平均流速或特征點(diǎn)流速加權(quán)代表斷面平均流速，通過比測(cè)提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（二）強(qiáng)化自動(dòng)審核機(jī)制

強(qiáng)化控制平臺(tái)自動(dòng)審核機(jī)制，通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析做好三個(gè)限定，從根本上消除因源數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致的錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)及漏報(bào)情況。第一個(gè)限定是以人工水尺觀察數(shù)據(jù)校訂自動(dòng)水位數(shù)據(jù)，第二個(gè)限定是以水面平均流速推定水下流速范圍，第三個(gè)限定是加強(qiáng)對(duì)斷面變化的監(jiān)測(cè)和斷面以上降雨數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

（三）完善數(shù)據(jù)處理模型

完善控制平臺(tái)斷面流速和流量計(jì)算模型，提高斷面流量計(jì)算精度和效率。根據(jù)測(cè)站實(shí)際情況選取流速面積法、剖面卷積法、水位流量法等，盡量消除誤差，提高計(jì)算時(shí)效，具體方法選擇和加權(quán)參數(shù)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)率定。

（四）重視數(shù)據(jù)成果發(fā)布

加強(qiáng)控制平臺(tái)數(shù)據(jù)的現(xiàn)地成果制作和發(fā)布，全方位服務(wù)防汛應(yīng)急和工程調(diào)度、水資源管理和水工程建設(shè)管理。參考山洪預(yù)警系統(tǒng)建管經(jīng)驗(yàn)，縣級(jí)水文中心或控制站可結(jié)合上下游、左右岸情況，針對(duì)控制和受威脅流域范圍定制和發(fā)布數(shù)據(jù)成果，提升預(yù)警實(shí)效。

（五）加載自主學(xué)習(xí)機(jī)制

為控制平臺(tái)掛接成熟AI 核心，強(qiáng)化測(cè)流系統(tǒng)自主糾錯(cuò)能力，完善測(cè)流程序規(guī)則，實(shí)現(xiàn)智能判斷和自主操作?？紤]到AI 核心開發(fā)需要雄厚的資金投入和技術(shù)支撐，建議國家層面統(tǒng)一開發(fā)，并根據(jù)地方水文工作特點(diǎn)和特殊應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制。

（六）保留人工干預(yù)窗口

控制平臺(tái)應(yīng)保留人工窗口和權(quán)限，加強(qiáng)數(shù)據(jù)自動(dòng)審計(jì)和人工核查，及時(shí)糾正系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤和疏漏，包括現(xiàn)地糾正和遠(yuǎn)程糾偏。加強(qiáng)系統(tǒng)參數(shù)校核，及時(shí)調(diào)整加權(quán)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率提升和一致性回歸■