水文站流量在線監(jiān)測方法研究進(jìn)展

吳志勇，徐 梁，唐運(yùn)憶，何 海

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.江蘇省水資源服務(wù)中心，江蘇 南京 210029)

流量是單位時(shí)間內(nèi)通過江河某一橫斷面的水體體積，是反映江河等水體水量變化的基本數(shù)據(jù)，也是河流最重要的水文特征值[1-2]。傳統(tǒng)的流量測驗(yàn)方法是將測驗(yàn)斷面分成多個(gè)部分，并在每部分上布設(shè)測速垂線，利用流速儀等設(shè)備測量各垂線上測點(diǎn)的流速，得到垂線平均流速并計(jì)算該部分流量，進(jìn)而累加得到整個(gè)斷面的流量。這種測驗(yàn)方法雖能在精度上滿足流量測驗(yàn)規(guī)范的要求，但操作復(fù)雜、歷時(shí)長、工作強(qiáng)度大，效率低下，已跟不上我國水文站點(diǎn)快速增加和功能擴(kuò)展的需求。隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，水文監(jiān)測現(xiàn)代化的重要性日漸凸顯，其中河流流量監(jiān)測自動(dòng)化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)水文工作的必然要求之一，而水文測驗(yàn)方式和方法的自動(dòng)化又是整個(gè)水文信息化的前提和保障。為此，改進(jìn)傳統(tǒng)流量測驗(yàn)方式，廣泛推進(jìn)流量在線監(jiān)測，提高水文自動(dòng)化程度和效率，具有十分重要的意義。

流量在線監(jiān)測是指結(jié)合水位及大斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)流速信息，計(jì)算斷面實(shí)時(shí)流量，并將這些數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中的過程。在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由水位和流速數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)傳輸和分析處理3部分組成，涉及現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動(dòng)測量技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)的專用分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)[3-4]。其中，現(xiàn)代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)了整個(gè)水文測驗(yàn)行業(yè)的進(jìn)步，新測流技術(shù)的出現(xiàn)不僅提高了測流的時(shí)效性，采集到的數(shù)據(jù)量也大大增加。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展讓我們可以充分地挖掘數(shù)據(jù)中的信息，對(duì)斷面水流特性有更好的把握。在線監(jiān)測技術(shù)雖經(jīng)幾十年的發(fā)展，逐漸走向生產(chǎn)應(yīng)用，但其核心問題還未完全解決，如何通過局部流速計(jì)算斷面平均流速依然是個(gè)難點(diǎn)。

在線流量監(jiān)測的不斷推進(jìn)將極大提高測流效率，提升我國水文測驗(yàn)行業(yè)的能力和水平。水利部水文司資料顯示，2018年全國水文系統(tǒng)已裝備在線測流系統(tǒng)1 616套、聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler current profiler， ADCP)2 665臺(tái)，先進(jìn)儀器設(shè)備較2016年顯著提升。然而，目前我國流量在線監(jiān)測設(shè)備主要還依賴進(jìn)口，由于在線監(jiān)測技術(shù)本身成熟度不高，加之測站工作人員水平限制、專業(yè)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)匱乏，在線監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)在許多水文站點(diǎn)應(yīng)用效果并不好[5-9]，流量的精度、測流設(shè)備的穩(wěn)定性及應(yīng)用的問題依然突出。本文在總結(jié)現(xiàn)有幾種在線監(jiān)測方法優(yōu)點(diǎn)及局限性的基礎(chǔ)上，依據(jù)流量在線監(jiān)測中流量計(jì)算的核心技術(shù)，對(duì)在線監(jiān)測方法中的流速面積法進(jìn)行分類，并針對(duì)精度、穩(wěn)定性和應(yīng)用等問題對(duì)流速面積法及水力學(xué)法進(jìn)行深入探討。

1 研究現(xiàn)狀

從測驗(yàn)原理來看，流量在線監(jiān)測可通過流速面積法和水力學(xué)法來實(shí)現(xiàn)。流速面積法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，該方法通過實(shí)測斷面流速與斷面面積來推求流量；在流速面積法中，電磁流速儀、多普勒流速儀等儀器被廣泛應(yīng)用于流量在線監(jiān)測工作中。水力學(xué)法利用水位流量關(guān)系，由測得的水位通過水力學(xué)公式計(jì)算得到流量，分為量水建筑物法和水工建筑物法[10]；水力學(xué)方法多用于較小的河流，大江大河流量在線監(jiān)測中應(yīng)用較少。

1.1 基于流速面積法的在線監(jiān)測方法

現(xiàn)階段基于流速面積法的流量在線監(jiān)測方法還沒有一個(gè)明確的分類，通常采用測流儀器進(jìn)行命名，例如水平式ADCP(H-ADCP)法、坐底式ADCP(V-ADCP)法、雷達(dá)法等。這種分類方法雖能直觀地顯示各儀器測流方式之間的差異，但卻無法反映流量計(jì)算方法及適用性之間的差異，不利于在線監(jiān)測的推廣應(yīng)用。基于以上原因，本文依據(jù)斷面平均流速計(jì)算原理提出分類方法，將現(xiàn)有在線監(jiān)測方法分為3類：指標(biāo)流速法、斷面流速分布模型法和表面流速法。該分類方法能夠突出在線流量監(jiān)測的原理和關(guān)鍵技術(shù)，有利于在線流量監(jiān)測技術(shù)的完善和推廣應(yīng)用。

1.1.1指標(biāo)流速法

目前，國內(nèi)外使用最多的在線監(jiān)測方法為指標(biāo)流速法[11]，該方法專指要通過建立指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系計(jì)算斷面流量的方法。這里的指標(biāo)流速通常指難以明確具體對(duì)象或物理含義的實(shí)測局部流速，例如H-ADCP采集的斷面某一層的局部流速，該流速一般為某一深度下H-ADCP量程范圍內(nèi)一個(gè)錐形水體對(duì)象的平均流速。

現(xiàn)階段，結(jié)合H-ADCP開發(fā)流量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究較多，越來越多測流方案的提出，也使解決大型感潮河段以及大江大河測流難點(diǎn)問題成為可能[12-16]。通常情況下，指標(biāo)流速與斷面平均流速直接構(gòu)建線性相關(guān)關(guān)系[15]。研究發(fā)現(xiàn)，受水位變化的影響，不同水位級(jí)下建立的回歸方程通常有所差異。為解決此問題，也有將水位作為變量考慮，構(gòu)建基于指標(biāo)流速、水位的回歸方程；杜耀東等[17]則建議將儀器安放在周期性轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)上，使測量范圍由線變成面獲取指標(biāo)流速。對(duì)于特別復(fù)雜的河流，也可同時(shí)采用多個(gè)指標(biāo)流速，例如南京水文試驗(yàn)站采用H-ADCP與定點(diǎn)ADCP結(jié)合的方式獲取指標(biāo)流速，構(gòu)建多變量相關(guān)方程實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測[18-19]。總體而言，國內(nèi)對(duì)H-ADCP的應(yīng)用研究多停留在單站試驗(yàn)，尚未有系統(tǒng)的測驗(yàn)誤差控制及參數(shù)優(yōu)化方法。

1.1.2斷面流速分布模型法

斷面流速分布模型法是指通過采集到的水層或垂線流速，結(jié)合流速分布模型，進(jìn)行流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的工作。該方法又可分為水平流速法和垂線流速法，前者采用水層平均流速通過逐層流速積分或流速模型計(jì)算斷面流量，后者則直接采用垂線流速模型計(jì)算斷面流量。

a. 水平流速法。該方法通過獲取測流斷面上的水層流速，采用流速分布模型計(jì)算得到斷面平均流速，進(jìn)而得到流量。目前水層流速的獲取方法主要采用超聲波時(shí)差法，該法利用超聲波在河段上、下游兩個(gè)固定點(diǎn)之間順?biāo)湍嫠畟鞑サ臅r(shí)間差，計(jì)算得到水層平均流速[1,20]，該法有單層測流法和多層測流法兩類[10]。在計(jì)算流量時(shí)，若斷面規(guī)則，可直接通過逐層流速積分計(jì)算；反之，則要通過斷面水深-面積模型，根據(jù)水層流速和水深自動(dòng)計(jì)算。水平流速分布模型法適用于較寬的河流，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測，適合無人值守的測站[21]，但該方法土建成本高，運(yùn)行維護(hù)不便，水草較多對(duì)其精度也有一定的影響。日本、英國、美國、德國、加拿大、瑞士、法國、韓國、荷蘭等國均采用該法測流[8,10]，國內(nèi)對(duì)其應(yīng)用也有研究，但都集中在人工渠道上，天然河道上的成功應(yīng)用鮮有報(bào)道[22-24]。

b. 垂線流速法。該方法主要通過實(shí)測一條或多條垂線平均流速，通過流速模型反演其他垂線流速，或建立與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系，結(jié)合斷面面積，計(jì)算斷面流量。盡管這類方法中也有與指標(biāo)流速法類似構(gòu)建的相關(guān)關(guān)系，但用于建立相關(guān)的變量有著本質(zhì)的區(qū)別，即垂線平均流速具有明確的物理意義。垂線流速法通常配合V-ADCP使用[25]，可有效解決H-ADCP法流量在線監(jiān)測時(shí)存在的相關(guān)線建立時(shí)間周期長、受航運(yùn)影響大、低水位時(shí)探頭外露和高水外延等問題[26-27]。典型的垂線流速法有兩種：代表線法和二線能坡法。代表線法通過歷史資料，選定至少一條與斷面平均流速相關(guān)性較好的測速垂線作為代表線，并建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)合斷面面積，計(jì)算斷面流量。國內(nèi)對(duì)該方法有較多應(yīng)用,例如徐六涇水文站用該方法解決潮流量測驗(yàn)問題[28]、前垾村水文站利用該方法為尋找典型點(diǎn)流速提供支撐[29]、龍門水文站利用該方法降低高洪作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[30]。但國內(nèi)大部分應(yīng)用還存在原始資料系列較短、斷面穩(wěn)定性及流量精度評(píng)價(jià)指標(biāo)不完整、流速相關(guān)關(guān)系使用條件不明確等問題。二線能坡法以曼寧公式為基礎(chǔ)，通過虛擬矩形、三角形斷面中垂線平均流速與斷面平均流速之間關(guān)系，建立垂線流速模型。實(shí)際計(jì)算中，以實(shí)測的兩條垂線流速為已知條件，代入垂線流速模型，反求得到能坡，作為均勻流條件下曼寧公式中的水面比降。最后通過垂線流速計(jì)算模型，結(jié)合水位面積關(guān)系計(jì)算斷面流量，國內(nèi)已有少量應(yīng)用成功的例子[31-32]。

1.1.3表面流速法

表面流速法指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進(jìn)行流量計(jì)算的方法。表面流速的獲取可以采用纜道雷達(dá)、側(cè)掃雷達(dá)、粒子圖像法等非接觸式測流儀器。非接觸式儀器不受污水及泥沙影響、不影響水流狀態(tài)，尤其在陡漲險(xiǎn)落的山區(qū)性河流的監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢[33-35]。現(xiàn)階段國內(nèi)應(yīng)用較廣的表面流速法測流有雷達(dá)法和粒子圖像法。

a. 雷達(dá)法。該法又稱電波法，是基于微波多普勒效應(yīng)測量水面流速的一種方法，主要通過雷達(dá)波傳感器自動(dòng)發(fā)射和接收電磁波，利用多普勒原理測定水面流速，通過流速系數(shù)或回歸分析得到斷面平均流速，從而得到斷面流量。雷達(dá)法測流不受含沙量及漂浮物的影響，可用于巡測，其測驗(yàn)精度高于浮標(biāo)法，可以較好地應(yīng)用于在線監(jiān)測工作中。但雷達(dá)法對(duì)測量條件敏感，易受大風(fēng)大雨及測量角度影響，低流速測量誤差大[33]。非接觸式雷達(dá)測速儀的應(yīng)用可有效提高測流效率，但目前大部分測驗(yàn)均存在比測時(shí)間短、測次少、比測結(jié)果不具有代表性等缺陷，而且這些站多是中小河流水文站，在大江大河上適用性還有待驗(yàn)證[36-38]。國產(chǎn)側(cè)掃雷達(dá)的研究也取得一定成果，并已在黃河蘭州站、花園口站、長江南京站、廣西南寧站等站點(diǎn)得到良好應(yīng)用[39]。該設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，受氣象條件影響很小，適用于惡劣天氣、高洪多漂浮物、漫灘等惡劣環(huán)境。國產(chǎn)側(cè)掃雷達(dá)性能優(yōu)良，表面流速測驗(yàn)精度較高，但由于自然河道流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，絕大部分情況相關(guān)性較差，流量精度還難以滿足測驗(yàn)要求。

b. 粒子圖像法。粒子圖像法利用拍攝到的河流水面視頻，估計(jì)示蹤物在圖像序列中運(yùn)動(dòng)矢量的大小，分析測流區(qū)域內(nèi)局部流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過流速系數(shù)將水面流速轉(zhuǎn)換為斷面平均流速，從而得到斷面流量[40]。該方法在快速獲取水面流場及紊動(dòng)特性、高洪及極端條件流量監(jiān)測有明顯優(yōu)勢。目前，日本、韓國等國家正在大量開展該方法的試驗(yàn)研究工作[35]。粒子圖像法又包括極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法、衛(wèi)星遙感圖像法、大尺度粒子圖像測速法和時(shí)空?qǐng)D像法。極坐標(biāo)攝影浮標(biāo)法采用攝影照片代替人工目測，雖然精度和自動(dòng)化程度較高，但由于部署工作量較大，實(shí)際應(yīng)用較少。衛(wèi)星遙感圖像法對(duì)地面信息和歷史數(shù)據(jù)的依賴過大，同時(shí)測量誤差較大，還無法實(shí)用化。大尺度粒子圖像測速法具備時(shí)空分辨率高、測量范圍廣、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[8]，不僅可用于常規(guī)條件下測流工作，更具有極端條件下河道水流監(jiān)測的應(yīng)用潛力[33,41]，韓國[8]以及我國吉安市坳下坪水文站[42]已開展相關(guān)研究。時(shí)空?qǐng)D像法是一種高空間分辨率的一維時(shí)均運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)方法，目前也處于試驗(yàn)階段[43-45]。

1.2 基于水力學(xué)法的在線監(jiān)測方法

水力學(xué)法不受人為因素及河流特性的影響，無須建設(shè)測流纜道，容易實(shí)現(xiàn)遙測，是一類重要的方法并且具有推廣價(jià)值。該方法可進(jìn)一步分為量水建筑物法和水工建筑物法。量水建筑物法通常采用量水堰、量水槽、量水池等量水建筑物測流；英國有一半水文站采用量水建筑物法，該方法對(duì)建筑物的建設(shè)要求比較嚴(yán)格，適用于小型河流，需在實(shí)驗(yàn)室做模擬試驗(yàn)計(jì)算流量系數(shù)，或者在典型水文站上校測流量系數(shù)[46]。水工建筑物法采用堰、水電站、泵站等水工建筑物測流[4]，該法根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒原理，通過實(shí)測水頭差、閘門開啟高度等水力因素，確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計(jì)算流量。水工建筑物法精度較高，程序簡便，但同時(shí)存在泄水建筑物造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)，韓國大量利用該方法開展流量測驗(yàn)和在線監(jiān)測工作[9]，我國三河閘[47]、柳河[48]、琚灣[49]、飛來峽[50]等水文站均有相關(guān)研究；近年來，許多省份有在適宜的河流上推廣該方法的意向，在引黃灌區(qū)、多地供水設(shè)施還采用不同形式的堰閘在線測流設(shè)施設(shè)備[51]。

2 研究展望

2.1 提高在線監(jiān)測的精度

沒有一種設(shè)備是可以滿足所有斷面和水流情況的，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合測站任務(wù)及河道自然屬性，選擇合適的測流方法，從而確定所需的設(shè)備儀器。流量測驗(yàn)首要保證測流的精度，但現(xiàn)階段在線測流技術(shù)在該方面還存在不足。例如，中泓最大水面流速低于0.2 m/s時(shí)，暫時(shí)還沒有一個(gè)精準(zhǔn)的測流方法；如何進(jìn)行點(diǎn)流速比測也是一個(gè)難點(diǎn)問題；側(cè)掃雷達(dá)使用時(shí)可能受回水及船只影響，造成流速測量誤差較大，還需不斷優(yōu)化流量計(jì)算模型；同時(shí)，當(dāng)?shù)厮臈l件、測站工作人員水平等問題也是影響測驗(yàn)精度的重要因素。

無論采用哪種測流方法，如何通過實(shí)測的局部流速獲得斷面平均流速一直是個(gè)難點(diǎn)。要提高流量測驗(yàn)精度，關(guān)鍵還是要根據(jù)測驗(yàn)河段的水力學(xué)特性，充分應(yīng)用現(xiàn)代化測流手段和數(shù)值計(jì)算技術(shù)，確定特定測站的流量計(jì)算方法和模型，率定其所需要的參數(shù)。隨著聲學(xué)多普勒測流技術(shù)及三維水動(dòng)力模型的逐漸成熟，可將固定式ADCP與水力學(xué)模型結(jié)合，建立三維流速模型來推求斷面上每一處水流影響因子和程度[52-54]。結(jié)合ADCP采集到的流速，進(jìn)行流量在線監(jiān)測，這將是解決在線監(jiān)測精度問題的突破方向。對(duì)于非接觸測流技術(shù)尤其需要注意風(fēng)速的影響，未來還需建立風(fēng)場與水面流場的相關(guān)關(guān)系，以提高設(shè)備精度。

2.2 改善在線監(jiān)測的穩(wěn)定性

在線監(jiān)測儀器的運(yùn)行穩(wěn)定性受流量、流速、風(fēng)速等外界條件影響。雷達(dá)法、二線能坡法等在水量較小時(shí)測量誤差較大，并且水量較小也會(huì)加大風(fēng)速的影響。側(cè)掃雷達(dá)還可能受到周邊相同頻率的干擾源的影響，大大增加測流誤差。聲學(xué)多普勒測流技術(shù)已相當(dāng)成熟，但H-ADCP只能測得儀器安裝處水層的局部流速分布，而且是近岸一段，而水位不斷變化勢必會(huì)造成水層流速代表性的變化；若多次移動(dòng)儀器，不僅增加了測流工作量，還可能影響測流精度。因此，可基于歷史水文資料構(gòu)建水位與H-ADCP安裝位置及傾角之間的相關(guān)關(guān)系，采用可自動(dòng)調(diào)整傾角的底座，大大減輕工作量。大江大河的寬度遠(yuǎn)大于H-ADCP的測流范圍，除采用組合式監(jiān)測系統(tǒng)外，還可將采集到的數(shù)據(jù)與歷史水文數(shù)據(jù)結(jié)合，補(bǔ)全斷面流速，再計(jì)算得到斷面流量[55]。

2.3 促進(jìn)在線監(jiān)測的應(yīng)用

在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，但缺乏專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行比測率定、定期維護(hù)等工作，造成測驗(yàn)設(shè)備在應(yīng)用過程中問題層出[9,33,56]。同時(shí)，感潮河段水文現(xiàn)象復(fù)雜，河口區(qū)河面寬闊、航運(yùn)繁忙，國內(nèi)雖有相關(guān)研究，但河口流量測驗(yàn)還需尋找具有快速全場測量的能力并能適應(yīng)復(fù)雜的測流環(huán)境的測流方案。我國非接觸測流設(shè)備主要依賴于進(jìn)口，許多國產(chǎn)ADCP性價(jià)比有待提高，高端儀器產(chǎn)品基本為空白[7]，缺少更加系統(tǒng)全面的技術(shù)依據(jù)及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，這些問題限制了該設(shè)備的廣泛應(yīng)用。側(cè)掃雷達(dá)、國產(chǎn)ADCP等技術(shù)還未成熟，配置技術(shù)參數(shù)還不夠明晰，比測時(shí)均存在水位變幅較小的問題。

衛(wèi)星遙感圖像法以及低空遙感無人機(jī)測流技術(shù)[57]雖有相關(guān)研究，但測流精度依然較低，僅在試驗(yàn)河段及站點(diǎn)測流結(jié)果較好，無法滿足實(shí)際測流需要，還需一段時(shí)間的研究發(fā)展，短期內(nèi)無法為在線監(jiān)測服務(wù)，但這些方法對(duì)于洪水、堰塞湖、泥石流等條件下的應(yīng)急監(jiān)測具有重要意義。

在自動(dòng)采集水文信息后通過現(xiàn)代通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)接受、處理、存儲(chǔ)分發(fā)水文信息，是水文信息化的發(fā)展方向[58]。為了加快水文信息化的發(fā)展，要走在線監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、巡駐結(jié)合的道路，應(yīng)用多源傳感器信息融合技術(shù)[28]，加快物聯(lián)網(wǎng)和5G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究，加快水文儀器國產(chǎn)化進(jìn)程，真正實(shí)現(xiàn)“有人看管，無人值守”，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+水文深度融合。

3 結(jié) 語

本文總結(jié)了目前大江大河流量在線監(jiān)測中廣泛采用的幾種方法，依據(jù)流速數(shù)據(jù)采集及流量計(jì)算原理對(duì)監(jiān)測方法進(jìn)行了分類。目前在線監(jiān)測推廣應(yīng)用工作正在如火如荼地展開，但缺乏專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)監(jiān)測儀器誤差控制、精度分析等方面進(jìn)行深入研究，這種失衡是導(dǎo)致在線監(jiān)測推廣應(yīng)用停滯不前的一大原因。本文針對(duì)在線監(jiān)測精度、穩(wěn)定性和應(yīng)用方面的問題進(jìn)行詳細(xì)論述，并指出固定式ADCP與水力學(xué)模型結(jié)合將是解決我國在線監(jiān)測問題的突破方向；同時(shí)，在具備條件的地區(qū)，使用測流建筑物的水力學(xué)法測流也是一條可行的途徑。