河道流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)流速流量率定模型簡析

摘要：河道流量監(jiān)測是重要的水文信息采集工作之一。當(dāng)前，用于河道的流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要有：定點(diǎn)式ADCP測流系統(tǒng)、時(shí)差法測流系統(tǒng)、定點(diǎn)雷達(dá)波測流系統(tǒng)、側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)和視頻測流系統(tǒng)等。這些監(jiān)測方案均需通過實(shí)測的流速數(shù)據(jù)來推算過水?dāng)嗝媪髁俊Ｒ罁?jù)各種自動(dòng)監(jiān)測方案的使用范圍，選用合適的流速、流量測定模型，計(jì)算實(shí)際的過水?dāng)嗝媪髁浚瑥亩岣邷y流的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：流量在線監(jiān)測;率定模型;精度;邊界條件根據(jù)《水文現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃》《全國水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十四五”規(guī)劃》的要求，水文現(xiàn)代化的發(fā)展應(yīng)立足推動(dòng)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展對(duì)水文提出的任務(wù)要求，充分運(yùn)用現(xiàn)代科技手段，進(jìn)一步提升水文數(shù)據(jù)測驗(yàn)、歸集、存儲(chǔ)、處理水平，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，更好滿足水利各領(lǐng)域業(yè)務(wù)需求，加快實(shí)現(xiàn)水文現(xiàn)代化。流量監(jiān)測的現(xiàn)代化是水文現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。長期以來，流量監(jiān)測一直以人工監(jiān)測為主，自動(dòng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以滿足規(guī)范要求［1］。

1影響流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)測流效果的主要因素目前，用于河道的流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要有：定點(diǎn)式ADCP（包含水平式ADCP和垂向式ADCP）測流系統(tǒng)、時(shí)差法測流系統(tǒng)、定點(diǎn)雷達(dá)波測流系統(tǒng)、側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)、視頻測流系統(tǒng)等。這些監(jiān)測方案從本質(zhì)上來說均無法實(shí)現(xiàn)測斷面的全斷面測量，均只能監(jiān)測部分表面流速或水體內(nèi)部分水體的流速，需通過實(shí)測的有限位置的流速數(shù)據(jù)來推算過水?dāng)嗝媪髁?，測流效果依賴于流量計(jì)算模型的建立，這是決定幾種自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)測流效果的根本因素［2］。另外，每一種監(jiān)測方案的使用都具有相應(yīng)的范圍，并非可以隨便使用。

2流量計(jì)算模型的建立

2.1水平式ADCP測流系統(tǒng)

水平式ADCP是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測量。自動(dòng)測流系統(tǒng)將水平式ADCP探頭固定安裝在水面下某一水深處，使探頭上的兩個(gè)聲學(xué)傳感器位于同一平面上，可獲得本層水流某一段上各點(diǎn)的二維矢量流速。故可知，水平式ADCP測流系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)為斷面上某一水平層的若干測點(diǎn)流速，非斷面平均流速。

實(shí)際應(yīng)用中，水平式ADCP的有效實(shí)測區(qū)間一般被分為若干個(gè)流速單元。進(jìn)行建模時(shí)，并非所有單元流速都需要參與計(jì)算。在大多數(shù)情況下，水平式ADCP測流系統(tǒng)的流量計(jì)算模型可采用指標(biāo)流速法，結(jié)合儀器安裝姿態(tài)、當(dāng)前斷面特征及人工測量數(shù)據(jù)，選取合適的單元流速段組合，作為指標(biāo)流速，建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速關(guān)系，選取相關(guān)性最優(yōu)的關(guān)系曲線計(jì)算流量。

2.2垂向ADCP測流系統(tǒng)

2.2.1代表垂線法流量計(jì)算模型

采用代表垂線法計(jì)算斷面流量，本質(zhì)是通過實(shí)測獲得的垂線流速V垂線推算出斷面平均流速V0，繼而計(jì)算過水?dāng)嗝媪髁?。其核心思路與水平式ADCP測流系統(tǒng)相似。在使用垂向ADCP測量垂線平均流速的同時(shí)，采用人工測量方式測出斷面平均流速;通過多次測量后得到一組斷面平均流速與實(shí)測垂線平均流速數(shù)據(jù)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而確定垂線平均流速與斷面平均流速的關(guān)系。一般采用一次回歸方程或二次回歸方程，即：V0=b1+b2V垂線或V0=b1+（b2+b3V垂線）V垂線2.2.2能坡法

能坡法實(shí)際是在布設(shè)的N條垂線中選取兩條垂線，安裝垂向ADCP進(jìn)行垂線流速測量。通過能坡法提供的流速計(jì)算模型，計(jì)算出剩余的（N2）條垂線平均流速，即將常規(guī)流量測驗(yàn)施測多條垂線流速變?yōu)橛?jì)算多條垂線流速，再通過計(jì)算部分流量，累加計(jì)算獲得斷面流量。

通過比測工作，可獲得N條垂線的人工實(shí)測數(shù)據(jù)。以垂向ADCP實(shí)測垂線為已知量，通過人工實(shí)測的每條垂線數(shù)據(jù)，反推出由垂向ADCP實(shí)測的垂線平均流速V測到其他任意一條垂線的平均流速V垂線的曼寧公式中的能坡參數(shù)。

2.3時(shí)差法測流系統(tǒng)

時(shí)差法測流系統(tǒng)可采用單層時(shí)差法或多層時(shí)差法設(shè)備進(jìn)行流量測驗(yàn)［3］。

2.3.1單層測流系統(tǒng)

單層時(shí)差法測流系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)為一對(duì)安裝在水中的傳感器之間的層平均流速，其使用的限制性和流量計(jì)算模型同水平式ADCP，即：V0=b1+（b2+b3V時(shí)差）V時(shí)差2.3.2多層測流系統(tǒng)

多層時(shí)差法測流系統(tǒng)是在斷面不同水層安裝傳感器，即將斷面分成若干層，每層傳感器可單獨(dú)測量所在層的層平均流速。在實(shí)際的運(yùn)用過程中，考慮到比測工作等因素，一般根據(jù)分層情況，分別計(jì)算各水平層流量，最后累加獲得過水?dāng)嗝媪髁?，即：Q=ΣQi。

多層測流系統(tǒng)由于可以實(shí)現(xiàn)斷面的分層測量、計(jì)算，在應(yīng)對(duì)水位變幅大、測驗(yàn)條件不理想的斷面時(shí)，有較好的效果。

2.4定點(diǎn)雷達(dá)波測流系統(tǒng)

雷達(dá)流速儀測量流速應(yīng)用的是多普勒效應(yīng)。通過雷達(dá)天線向水面發(fā)射電磁波，水面會(huì)吸收高頻電磁波部分能量，部分會(huì)散射或折射損失掉，但是總有一部分散射電磁波信號(hào)會(huì)被雷達(dá)天線接收。雷達(dá)照射的區(qū)域內(nèi)會(huì)有很多波浪，會(huì)造成不同點(diǎn)的流速有所差異，但是這些差異不大，所以可以將整個(gè)區(qū)域看作是一個(gè)整體，以一個(gè)平均速度進(jìn)行移動(dòng)，得到多普勒頻移。多普勒頻移計(jì)算的準(zhǔn)確度直接影響表面流速測量的準(zhǔn)確度。

實(shí)際使用過程中，一般可在斷面安裝多套雷達(dá)波流速儀，通過實(shí)測斷面若干個(gè)點(diǎn)流速，然后通過相關(guān)的計(jì)算模型，計(jì)算出過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

2.4.1指標(biāo)流速法流量計(jì)算模型

通過實(shí)測的若干點(diǎn)流速經(jīng)加權(quán)計(jì)算獲得指標(biāo)流速，再通過比測率定建立起指標(biāo)流速和斷面平均流速之間的關(guān)系。流量便可通過流速面積法Q=V平均·A計(jì)算獲得。

采用指標(biāo)流速法進(jìn)行計(jì)算的斷面，對(duì)水流條件要求高，需通過比測找到穩(wěn)定的流速關(guān)系，依據(jù)實(shí)測情況，一般需要按水情變化進(jìn)行不同線型的擬合計(jì)算。由于此種計(jì)算方法對(duì)水流狀態(tài)有著較大的限制要求，故可作為輔助計(jì)算方案。

2.4.2垂線法流量計(jì)算模型

垂線法流量計(jì)算一般需做垂線分析，根據(jù)垂線精簡的分析結(jié)果，合理布設(shè)雷達(dá)波傳感器的安裝位置。

傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)為表面點(diǎn)流速，需率定每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)流速與傳感器所在垂線平均流速的關(guān)系。在定線時(shí)一般在水位變幅不大、點(diǎn)流速與垂線平均流速在不同水位條件下具有單一關(guān)系時(shí)，可使用單一線進(jìn)行定線;水位變幅較大時(shí)、不同水位級(jí)下測量斷面水文特性存在差異或者有水工建筑物等因素影響的斷面，需要根據(jù)不同水位級(jí)分別定線。相關(guān)關(guān)系率定后，可按常規(guī)的流速儀法計(jì)算流量［4］。

2.5側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)

側(cè)掃雷達(dá)流速儀一般獲取的是河道一定區(qū)域范圍內(nèi)的網(wǎng)格內(nèi)平均表面流速。例如儀器分辨率為10 m，網(wǎng)格的尺寸為10 m×10 m，所獲得的數(shù)據(jù)即為各個(gè)10 m×10 m區(qū)域范圍的平均流速Vni。側(cè)掃雷達(dá)測流系統(tǒng)的流量計(jì)算就是建立在對(duì)這些網(wǎng)格平均流速的處理之上。

2.5.1指標(biāo)流速法流量計(jì)算模型

對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，選取合適的區(qū)間作為數(shù)據(jù)集的選取范圍，獲得代表區(qū)間內(nèi)的所有網(wǎng)格平均流速。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均即可得到指標(biāo)流速，通過相關(guān)分析法建立起指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系，再通過流速面積法計(jì)算，獲得斷面過水流量Q=V平均·A。

2.5.2垂線法流量計(jì)算模型

采用垂線法進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，設(shè)置單元網(wǎng)格長度。例如分辨率設(shè)置為10 m，系統(tǒng)會(huì)提供出每隔10 m一個(gè)單元網(wǎng)格的表面平均流速。例如實(shí)測范圍為（20～200）m，系統(tǒng)提供的實(shí)測流速為斷面上（20～30）m、（30～40）m……（190～200）m各個(gè)區(qū)間內(nèi)的表面平均流速。

在進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，需選取計(jì)算段，建立所有選取的區(qū)間段的表面平均流速V區(qū)間n和這個(gè)區(qū)間段內(nèi)的垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系，再通過垂線計(jì)算部分面積的流量，累加計(jì)算出斷面流量。

故側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)比測率定的目的是建立所有所選取的區(qū)間段的平均流速V區(qū)間n和這個(gè)區(qū)間段內(nèi)的垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)在計(jì)算模型建立后，對(duì)側(cè)掃雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)測流量和人工施測斷面流量進(jìn)行對(duì)比分析。

2.6視頻圖像法測流系統(tǒng)

2.6.1指標(biāo)流速法流量計(jì)算模型

對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，選取合適的區(qū)間作為數(shù)據(jù)集的選取范圍，對(duì)所選范圍內(nèi)網(wǎng)格的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到指標(biāo)流速，通過相關(guān)分析法建立起指標(biāo)流速與斷面平均流速的關(guān)系。

2.6.2垂線法流量計(jì)算模型

采用垂線法進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析，設(shè)置單元網(wǎng)格尺寸。在進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)，需選取計(jì)算垂線，建立所有選取的垂線表面網(wǎng)格點(diǎn)流速V網(wǎng)格n和垂線平均流速V垂線n的函數(shù)關(guān)系，再通過垂線計(jì)算部分面積的流量，累加計(jì)算出斷面流量。

3結(jié)語

河道流量監(jiān)測是重要的水文信息采集工作之一，為水資源管理、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)、水環(huán)境保護(hù)提供了重要的水文數(shù)據(jù)，同時(shí)也是分析測站特性、進(jìn)行河床演變研究、河道整治等的基礎(chǔ)工作。水文測驗(yàn)工作具有復(fù)雜多變的監(jiān)測條件，目前，每一種自動(dòng)測流手段都具有適用的邊界條件。所以，在實(shí)際的工作中，需根據(jù)不同的水文條件選用合適的自動(dòng)監(jiān)測手段，結(jié)合斷面、流態(tài)、所選監(jiān)測手段的技術(shù)要求，建立合適的流量計(jì)算模型，從而達(dá)到有效提高測流精度的目的。

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