淺談天然河道流量在線監(jiān)測方法的選擇與分析

張 可，馬婉靜

（1.淮南市安瀾水利規(guī)劃設(shè)計有限公司，安徽 淮南 232001；2.安徽沃特水務(wù)科技有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

我國地域遼闊，水系河湖眾多，基于水文預(yù)報、水資源管理、防汛抗旱及水污染防治的需求，需要實時快捷地獲取高精度高密度的流量數(shù)據(jù)，針對大部分天然河道流量測驗通常采用常規(guī)的水文纜道測流，而部分無水文纜道的斷面也多采用人工拖曳走航ADCP 方式測流[1]。人工監(jiān)測耗時耗力，時效性不足。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技不斷的進(jìn)步，通過多年的創(chuàng)新研究和實踐，目前天然河道的流量在線監(jiān)測已有了多個較為成熟的方法。

2 流量在線監(jiān)測方法介紹及基本原理

2.1 二線能坡法

二線能坡法測流借助水力學(xué)實驗方法，從矩形、三角形斷面入手，找出垂線流速與斷面平均流速的關(guān)系[2]。實際監(jiān)測中采用兩個安裝在河底的單波束多普勒流速測量探頭，測量出對應(yīng)安裝位置的兩條實測的垂線流速，利用這兩條實測垂線流速反求出能坡參數(shù)后，把常規(guī)流量測驗實測n 條垂線流速改為計算n 條垂線流速[3]，再通過流速面積法計算斷面流量，如圖1 所示。

圖1 二線能坡法測流示意圖

2.2 H-ADCP 法

H-ADCP 是利用多普勒原理，用來在線監(jiān)測河流流速和水位的超聲波多普勒流速剖面儀[4]。其由兩到三個超聲波探頭組成，兩束超聲波成一定角度沿水平方向向?qū)Π栋l(fā)射，測量本層水流某一段上各點的二維流速，剩余一束向上發(fā)射可以用來測量探頭入水深。H-ADCP 固定安裝在水面以下不低于0.6m 處，超聲波遇到水中的氣泡、雜質(zhì)等懸浮物質(zhì)后其頻率發(fā)生變化，根據(jù)反射回的頻率大小計算流速（見圖2）。

圖2 H-ADCP 測流示意圖

在計算過程中，可以將H-ADCP 測得的一個或多個測量單元的平均流速V1作為指標(biāo)流速，利用水力學(xué)連續(xù)方程計算斷面流量。

指標(biāo)流速V1與平均流速Vm之間的關(guān)系與斷面流速分布有關(guān)。在整個測流系統(tǒng)中，指標(biāo)流速的選擇十分寬泛，主要根據(jù)實測斷面的流動情況選擇。既可以選擇單個測量單元的流速，也可以選擇其中部分測量單元的流速平均值，所選擇的測量單元可以連續(xù)，也可以不連續(xù)。通常，根據(jù)斷面流態(tài)，選擇斷面中部流動比較穩(wěn)定的區(qū)域的測量值作為指標(biāo)流速，如果整個斷面的流動情況非常理想，也可以選擇全部測量單元的流速平均值作為指標(biāo)流速。指標(biāo)流速確定后，結(jié)合水位即可計算出流量值。如果斷面規(guī)則，利用流速面積法積分，最高流量精度可達(dá)5%以內(nèi)；如果斷面不規(guī)則，流量精度取決于建立的數(shù)學(xué)模型以及率定的精度。

2.3 超聲波時差法

超聲波時差法流量在線監(jiān)測也是利用多普勒原理[3]。如圖3 所示，在待測斷面的兩岸分別在上游和下游安裝一對或數(shù)對超聲換能器，換能器發(fā)出超聲波穿過河道斷面內(nèi)的水流，經(jīng)過T1時間對岸下游換能器接收到超聲波，其反向發(fā)射超聲波時間T2為用兩個方向上傳播時間差求解出該水層的平均流速。

圖3 超聲波時差法測流示意圖

水層平均流速V 與斷面平均流速Vm間存在Vm=KV 的關(guān)系（K 為率定系數(shù)），K 可以通過理論推導(dǎo)、數(shù)學(xué)模型計算或其他測量方式計算。據(jù)此可計算出超聲波時差法流量。

2.4 雷達(dá)波測流法

雷達(dá)波測流法亦是利用多普勒雷達(dá)測速原理[6]。如圖4 所示，傳感器向水面發(fā)射雷達(dá)波，其反射波的相位和強(qiáng)度遇到水面波紋后雷達(dá)波將被吸收、反射。反射波的一部分被傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號，由測量電路處理并測出多普勒頻移，根據(jù)上述原理[7]通過快速傅里葉變換等信號處理算法即可計算出雷達(dá)波照射范圍內(nèi)的水體的表面流速。再通過一定量的人工實測斷面流速率定出表面流速和斷面平均流速的關(guān)系系數(shù)，結(jié)合水位計算出斷面流量。

圖4 雷達(dá)波流速儀測速原理圖

3 各種監(jiān)測方法的比選

3.1 測流斷面的選擇

水流穩(wěn)定：測流斷面應(yīng)當(dāng)選擇在水流穩(wěn)定的位置，避免彎曲處、匯流處、分流處等水流變化較大的地方。通常選擇在河道直線段上，順直河段的長度應(yīng)大于洪水時主槽寬度的3 倍。

水流速度均勻：測流斷面上水流速度應(yīng)當(dāng)均勻，避免出現(xiàn)流速梯度或急流等情況，否則會影響流量的準(zhǔn)確性。在選擇測流斷面時，應(yīng)當(dāng)考慮水深和水面寬度的變化，盡量選取平均水深、平均水面寬度和平均水流速度相對穩(wěn)定的位置。

3.2 水位監(jiān)測方法

在進(jìn)行流量在線監(jiān)測時均須測得精確的水位數(shù)據(jù)。在有水文站的可共用水文站的水位傳感器，無水位自動測報設(shè)備的站點可根據(jù)斷面現(xiàn)場環(huán)境條件選取適宜的水位傳感器來配合流量監(jiān)測。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，水位自動監(jiān)測的手段頗多，有浮子水位計、雷達(dá)水位計、氣泡水位計等等，這些水位監(jiān)測的技術(shù)手段均很成熟，本文不再做詳細(xì)闡述。

3.3 各種監(jiān)測方法分析及比選

3.3.1 二線能坡法

基于垂線流速法，通過流速面積法計算斷面流量。該方法優(yōu)點是精度高，起測流速小，能分辨正負(fù)流速，測量周期短；缺點是安裝難度大,ADCP 需要座底式安裝，后期運維成本高；針對山洪、大水情況，水中懸浮物對其影響較大。同時針對通航河道左右岸兩個傳感器的線纜需要從各自方向上岸后傳輸，避免過往船只拋錨對線纜造成損壞。

3.3.2 H-ADCP

基于指標(biāo)流速法，是通過建立指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系計算斷面流量[1]的方法。其優(yōu)點是穩(wěn)定性較好、適用性較強(qiáng)且隨機(jī)誤差?。蝗秉c是探頭固定在斷面內(nèi)固定位置，很難建立良好的水位-流量相關(guān)關(guān)系，需根據(jù)低、中、高水位調(diào)整H-ADCP探頭的入水深度，因此需要安裝一套根據(jù)水位變化而自動調(diào)整H-ADCP 位置的裝置[4]。同時針對低、中、高水位下的指標(biāo)流速和平均流速的相關(guān)關(guān)系需要較多的率定工作來找出。

3.3.3 時差法

基于水平流速法，通過獲取測流斷面上的水層流速,采用流速分布模型計算得到斷面平均流速,進(jìn)而得到流量。其優(yōu)點是使用順流和逆流傳播的時間差來反映河道的正負(fù)流速，測量精度及時效性較高；缺點是當(dāng)河流中有懸浮物、泥沙含量大時對其傳播造成干擾，同時該方法需要在河道無水或者做圍堰情況下施工，土建成本稍高,運行維護(hù)不便。

3.3.4 雷達(dá)波表面流速法

基于表面流速法。通過獲取測流斷面上水面流速,并通過轉(zhuǎn)換得到特征垂線平均流速或斷面平均流速[1]。其優(yōu)點是采用非接觸式，不受含沙量、污水及漂浮物影響，不影響水流狀態(tài)，尤其適用于高洪、急流、高含沙量、高污染的流速測量，測量頻次高；缺點是水體表面需要有波紋，風(fēng)吹動水面時對其測量有較大的影響，起測流速高，表面流速大于0.2m/s以上時有較好的效果。

幾種監(jiān)測方法的測流范圍、優(yōu)缺點及適用場景的比選表見表1。

表1 流量在線監(jiān)測方法比選表

4 安裝注意事項

4.1 二線能坡法

需要注意斷面最高水位時的水深，安裝位置不能超過其量程；含沙量過大或河道沖淤情況時，探頭易遭掩埋；ADCP 探頭的防護(hù)要考慮到上游沖下的雜物覆蓋探頭上影響測量；數(shù)據(jù)及電源線要沿河堤向兩岸鋪設(shè)，以防過往船只拋錨損壞設(shè)備；同時安裝支架需要考慮系統(tǒng)化后期的運行維護(hù)，方便檢修。

4.2 H-ADCP 流量監(jiān)測

需要在安裝過程中注意ADCP 儀器兩個換能器盡可能保證水平，使其在最低水位時兩束聲波在量程內(nèi)不打出水面，安裝支架等裝置須保證在最高水位時，ADCP 可順暢移動至指定高度，保證斷面全量程水位內(nèi)的流量準(zhǔn)確監(jiān)測，同時還需要考慮到后期人工比測、率定的經(jīng)費。

4.3 超聲波時差法流量監(jiān)測

所測斷面的最大寬度不能超過其量程，依據(jù)斷面的最大水深情況確定通道組數(shù)，基本原則是能覆蓋最低水位、長期運行水位和可能的高水位；每組通道在安裝時注意兩對換能器的水平相對，安裝穩(wěn)固，否則影響聲波發(fā)送、接收。

4.4 雷達(dá)波流量監(jiān)測

因為該種方法屬于非接觸式安裝，選擇安裝位置時一方面考慮所選取的雷達(dá)波照射水面的位置的垂線流速需要有較好相關(guān)關(guān)系，另一方面設(shè)備需要安裝在沒有遮擋的地方，如遠(yuǎn)離樹木、建筑物等遮擋物，避免對設(shè)備的雷達(dá)波信號產(chǎn)生干擾，影響測量結(jié)果。此外，由于雷達(dá)波受環(huán)境和水體物理特性的影響較大，因此需要對環(huán)境因素和水體物理特性進(jìn)行充分考慮。

總的來說，在選擇不同的流量監(jiān)測方案時，需要根據(jù)實際情況和需求，對每種方案的適用性和限制性進(jìn)行評估和選擇。同時，在實際應(yīng)用中需要注意監(jiān)測精度、數(shù)據(jù)可靠性和數(shù)據(jù)處理等方面的問題，以確保監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語

在流量在線監(jiān)測的研究中，本文介紹了多種流量監(jiān)測方法。這些方法在實際應(yīng)用中各有優(yōu)缺點，沒有一種方法能完全適應(yīng)所有的監(jiān)測斷面，也沒有任何一個監(jiān)測斷面可以隨意采用一種監(jiān)測手段能夠滿足其實際需求，均需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)部門對數(shù)據(jù)精度的不同需求，結(jié)合斷面實際情況和各種在線監(jiān)測方法的特點，選擇適宜的流量在線監(jiān)測方法，甚至在實際應(yīng)用中也可以在同一監(jiān)測斷面上采用多種監(jiān)測手段相結(jié)合的方式實現(xiàn)流量在線監(jiān)測。

在未來的研究中，可以繼續(xù)深入探究各種流量監(jiān)測方法的原理和優(yōu)化方法，以提高監(jiān)測精度和準(zhǔn)確性。同時可以結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，開發(fā)更智能化、高效化的流量監(jiān)測系統(tǒng)，為水資源管理和利用提供更多的支持和幫助