河流流速儀應用現狀及其適應性分析

(1.長江水利委員會水文局 長江下游水文水資源勘測局, 江蘇 南京 210011；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210024)

流速測量是水情監測及預報、水動力研究、防洪工程設計論證、生態環境評估等工作中必不可少的基礎環節。目前河流流速測量常用的流速儀有轉子式流速儀、聲學多普勒流速儀(ADCP)、電磁流速儀和電波流速儀等。然而我國河流的地域分布廣闊，河道的規模、形態、水深、河床地貌和水流的流場與流速等存在不同特征，因此測流儀的選用和組合需滿足具體情形下水文監測和測驗的需要。水文科技管理學者在研究水文監測創新體系時認為，為滿足我國水文測驗規范的精度要求，開展儀器的適應性研究十分必要[1]。全面理解和掌握常用流速儀的技術特點及其適用性可有效地發揮并利用儀器的技術優勢，提高流速流量監測和測驗效率，同時也有利于推動水文監測技術的創新和發展。

1 轉子式流速儀

1.1 技術發展和應用現狀

轉子式流速儀是我國使用最早的河流流速儀，是通過機械轉子結構隨水流的運動旋轉轉速來獲得流速的儀器[2]。按儀器結構，通常分為旋漿流速儀和旋杯流速儀[3]。其測量的流速V的計算如下式(1)所示

V=a+bn

(1)

式中,a表示儀器常數；b表示水力螺距；n是轉子轉速。公式中的a和b可以通過在多組檢定點(已知的流速V和轉速n)情況下用最小二乘法計算得到[4]。

我國在新中國成立初期就已研制和批量生產轉子式流速儀并投入應用，1957年水利部聘請國外專家對當時的國產流速儀進行了改進；“八五”期間，水利部曾組織人員開展技術攻關，對流速儀的測流精度、測流量程和防泥沙性能提升起到促進作用[5]。近年來，國內對轉子式流速儀的技術應用和改進研究主要放在對其系統集成和自動化上，例如將轉子式流速儀集成到自動流速流量測量纜道系統，實現了對流速流量的自動化和智能化現場快速監測。

目前，多數水文站都使用轉子式流速儀，還有一些水文站在采用ADCP作為主要測流儀時也仍保留了轉子式流速儀進行比測，以保證流量監測數據的客觀性和全面性。表1為大通水文站某時段流速特征值比測結果。

表1 大通站某時段流速比測特征值統計 m/s

注：旋漿流速儀為LS25-3A型，ADCP型號為WHR600K。

表1中,盡管兩種流速儀的測點空間位置在表達上相同，但二者所測量的對象存在差別，旋漿流速儀所測的對象是旋漿所處深度點上的流速，而ADCP所測流速是其所測水層單元的代表流速(包含測點在內)；同時，兩種流速儀的采樣率以及有無機械慣性等原因也導致了數據差異。運用兩種流速儀施測，既可在平均流速上進行相互驗證，也可客觀、全面地反映流速特征。

目前國內采用的轉子式流速儀主要以國產的旋漿流速儀為主，現行的相關標準對該類流速儀的組成結構、技術要求、檢定、試驗方法和檢驗規則等進行了規定和規范[3]。

1.2 技術指標和適用性

基于對同類常見流速儀的調研對比，目前轉子式流速儀的主要技術指標如表2所示。調研對比了LS20B流速儀、LS25系列流速儀、Valeport-106流速儀等，選取LS25-3D為典型技術指標代表。

表2 轉子式流速儀主要技術指標

注：*是指同類流速儀在某一項指標上達到的極限值。

從技術指標上看，轉子式流速儀能適應大多數河流的流速流量測驗任務，但由于其測流部件為機械結構，在實際使用中還存在一定局限性：①漂浮物較多或水草較多情況下，容易破壞轉子機械部件；②測速不能小于啟動流速，無法測出極低流速；③超高流速(超出量程)及高流速情況下，傳統設計的流速儀線性關系已不復存在；④在含沙量高的深水水域，高水壓下會導致泥沙進入軸承腔，從而引發儀器故障；⑤時間或空間上變化快的流速，機械慣性滯后，采樣速率較低；⑥接觸式測量對于流速變化過快的斷面，同步捕捉能力較差；⑦大范圍快速流速測驗效率較低，需要多船多人協同。

1.3 技術改進和解決方案建議

轉子式流速儀的適用局限性分為兩類：①與儀器本身的設計和工作原理有關，無法通過技術改進來改變，例如1.2節所列的③，⑤，⑥，⑦項。②可以通過改進設計、材料或工藝來減小局限性這些的影響，例如可通過新材料和工藝，減小摩擦和能量損耗以降低啟動速度，可以利用磁懸浮技術來替代傳統的軸承，從而提高靈敏度和防泥沙能力[6]；通過信號感測機構機件位置等方法可以減小信號檢測對轉子的阻力，從而提高靈敏度[7]。結合新材料、新工藝和應用新技術理念，可提高轉子式流速儀的靈敏度、測量精度以及測量量程等技術指標，使其更好地發揮效用。

2 ADCP

2.1 技術發展和應用現狀

ADCP是利用聲學多普勒效應測量水流速度的儀器。ADCP計算原理是：儀器向水中發射聲波，通過測量隨水流運動的懸浮粒子反射聲波的多普勒頻移來得到水流的速度[2]。水層單元相對于換能器波束方向的流速V的測算如下式(2)所示

(2)

式中，Fd是多普勒頻移；Fs為發射聲音頻率；C為聲速；θ為相對流速矢量和ADCP與反射體直線之間的夾角；V為相對流速，由波束坐標系通過羅經指向關系換算到地球坐標系下的流速和流向。

根據所測量的流速單元和量程，習慣上分為ADCP和點式多普勒流速儀。根據ADCP剖面的方向，可分為兩種：有常規近似垂直安裝的ADCP， 用于船載走航或座底流速觀測；水平方向安裝的ADCP，稱之為H-ADCP，常用于固定安裝在河道一側的平臺上實時監測流速流量。由于點式多普勒流速儀在現場流速測量時效率相對較低，在實際水文監測和觀測中應用很少。

20世紀80年代，ADCP首先在美國投入實際流速測量中[8]。1990年長江水利委員會水文局引進了第一臺ADCP，并在長江口感潮河段的水文觀測中取得良好應用效果。之后水文工作者對引進的ADCP開展了多期次的水文測驗實驗工作，并針對長江測流中遇到的動底、鐵船干擾等實際應用技術問題提出了解決方案[9]。

目前，河流流速測量用的ADCP以進口儀器為主，我國各流域機構和各省及直轄市所屬的水文局均采用ADCP。在使用方式上，除了用船載ADCP進行走航流速測驗外，長江的三堆子水文站、黃陵廟水文站、南京水文實驗站和黃河的小川水文站、珠江的天河水文站等均設有以H-ADCP為主要測流儀器的實時流速流量監測系統。

我國國家海洋局海洋技術研究所等單位開展了ADCP研究工作，并在1997年開發出ADCP樣機[10]，但當時并未將其研發成果推廣到河流測流領域。直到2013年，經過黃河水利委員會水文局、長江水利委員會水文局等多家單位的比測，由我國某科研院所研發的600K ADCP開始在河流流速中推廣應用。目前，我國對ADCP的研制和技術應用制定了較完善的規范標準：《GB/T 24558-2009 聲學多普勒流速剖面儀》規定了ADCP產品的類型和組成、要求、試驗方法、檢驗規則[11]；《SL 337-2006聲學多普勒流量測驗規范》對聲學多普勒流量測驗要求、安裝方法、走航和定點流速流量測驗方法、流速流量測驗誤差分析及精度控制等作出了規定[12]。

2.2 技術指標和適用性

ADCP的量程、測流精度和分辨率等技術指標主要與換能器的聲學頻率有關，目前河流中采用的ADCP的聲學頻率主要在150～2 400 kHz之間，少數情況下會用到低頻的海洋型ADCP。基于對同類流速儀的調研對比，ADCP的主要技術指標如表3所示。在該表中，調研對比了TRDI的Workhorse系列、RiverRay系列及OS系列、SONTEK產品系列 、NORTEK產品系列、 國產iflow產品系列等，選取目前河流測流應用最多的TRDI瑞江600K作為典型技術指標代表。

表3 ADCP主要技術指標

從技術指標上看，ADCP 能滿足河流的流速流量測量任務。相對于轉子式流速儀來說，ADCP具有流速分辨率高、測流響應速度快、剖面式測量效率高等優點；同時ADCP工作方式上為聲學遙測，對遙測的流場沒有干擾，也不存在泥沙堵塞和水草纏繞問題，可維護性較好。

ADCP在我國應用實踐中已積累了許多寶貴經驗，攻克了常見的應用技術難題，但在實際使用中仍存在一定局限性：①在洪水等急流環境下，載體或安裝平臺難以下水；②表層盲區絕大多數ADCP的聲學換能器在發射脈沖后余震不能立即消除；③底層盲區存在ADCP波束的旁瓣影響；④高泥沙濃度水體對聲波的反射和散射能量過大；⑤岸坡或水底起伏坡度較大的水域，會遮擋或影響2個或2個以上的波束的數據，造成流速無法解算。

2.3 技術改進前景展望和解決方案

針對ADCP在應用上存在的局限性，可以通過技術改進來提高其適應性。針對2.2節中局限①，研發適合急流環境的集成載體，例如配重纜道或支架等解決ADCP在急流中難以下水等問題。針對局限③和⑤，可設計制造更小的聲學波束角，以減小底層盲區的影響以及解決4個波束同一水層波束腳印覆蓋區過大的問題，從而更加適應坡度較大的岸坡附近水域。針對局限②和④，建議在現有技術基礎上，采用高低頻組合，即在利用高頻聲學脈沖滿足較近水層流速剖面精確及較小的表層盲區的同時，利用低頻寬帶聲學脈沖加強對泥沙的穿透。

3 電磁流速儀

3.1 技術發展和應用現狀

電磁流速儀是利用電磁感應原理,根據流體切割磁場所產生的感應電勢與流體速度成正比的關系來測定流速的儀器[2]。流速計算原理是：將水流視為帶電粒子流, 切割磁場即產生感應電動勢， 根據法拉第電磁感應定律，流速(V)的計算見公式(3)：

(3)

式中，E為感應電動勢，K為與傳感器相關的系數，B為磁場強度，L是電極之間的間距。

早在20世紀70年代，我國就研制了電磁流速計，并將其應用于海洋調查中[13]。1984年，天津水科所研制了EMV系列電磁流速儀，但其應用僅限于水利工程模型實驗中。1990年，黃河水利委員會水利科學研究所引進中國船舶重工集團公司第七研究院的技術，并成功將其改進為能用于在野外現場測流的電磁流速儀[14]。以上提到的幾種早期電磁流速儀國產型號均未得到大范圍推廣應用。目前國內多個廠家生產的電磁流速儀主要應用在小河流或人工渠道的流速流量測量上，尚無專門針對電磁流速儀的規范或標準。

目前，電磁流速儀應用在含沙量較高的水體、水草和漂浮物水域以及冰凌區域具有優勢，例如由于含沙和冰凌等因素影響，在黃河的一些水文站推廣應用電磁流速儀進行測流[15]。我國很多水文局和水文站采用電磁流速儀，但在大江大河上的應用數量明顯少于轉子式流速儀和ADCP，人工明渠測流和小型河流流速測量中用到電磁流速儀的較多，且以國產電磁流速儀為主。

3.2 技術指標和適用性

目前，電磁流速儀的主要技術指標范圍如表4所示。 該表調研對比了OTT系列、VALEPAORT系列和國產MGG/KL-DCB等型號，選取VALEPAORT的 MIDAS ECM作為典型技術指標代表。

表4 電磁流速儀主要技術指標

從技術指標上看，電磁流速儀能滿足河流流速測驗的大多數應用情況。該類儀器不受泥沙含量及濃度的限制，即使在有漂浮物和水草環境的河流中也可使用。儀器設計緊湊，無外露的機械部件，維護成本較低，能測量極淺水域的流速。

電磁流速儀的應用局限性表現為只能測量單點流速。相較于同樣也只能測單點流速的轉子流速儀來說，由于相關電子元件造價較高，導致其應用普及率相對較低。

3.3 技術改進前景展望和解決方案

電磁流速儀能有效地補充一些特殊場景的流速測量，而隨著電子元器件技術的發展和工藝的進步，電磁流速儀可以設計得更為小巧。電磁流速儀的發展方向包括：①借鑒國外電磁流速儀的功能和機構設計，在工藝上實現耐壓，能將其從模型試驗小型河流的淺水應用中推廣到能適應大多數河流流速測量。②結合電磁流速儀與現有自動測流纜道系統，補充某些場合下其他流速測量儀器系統的不足。

4 電波流速儀

4.1 技術發展和應用現狀

電波流速儀泛指向水面發射與接收無線電波，利用其頻率變化與流體速度成正比的關系而制成的儀器。其原理為多普勒效應，速度計算可依據公式(4)

(4)

式中，V為水面流速；C為電波在空氣中的傳播速度；Fd為電波的多普勒頻移；Fs為發射的雷達波頻率；θ為發射波與水流方向的夾角。

按照測量方式與范圍的不同，目前在河流測流領域用到的電波流速儀主要有兩類：點式電波流速儀和掃描式電波流速儀。點式電波流速儀是發射單個雷達波束(常見為Ka波段，也有X～Ku波段)照射水面并將照射區作為一個點來測算流速；而掃描式電波流速儀是利用天線陣發射UHF波段的雷達波，利用水流表面波對雷達產生的布拉格散射效應獲取測量區域(一般為90°扇形區)的徑向發射信號，從而由多普勒效應計算出信號反射區流速大小，并采用多重信號分類測向的統計算法確定測點(信號反射區)的距離和回波的方向。

我國在20世紀90年代成功研制了國產點式電波流速儀，典型代表為LD15-1型電波流速儀，經比測和鑒定后批量生產并推廣到多家單位使用[16]。經調研，點式電波流速儀已經用于很多中小河流的流速監測和防洪救災中，其中的手持式點式電波流速儀(俗稱“雷達槍”或“電波槍”)主要以進口為主，而固定安裝的點式電波流速儀目前以國產儀器為主。我國在近些年曾引進過河流高頻測流系統，并投入科研和生產測流試驗[17-18]，但并未進行大規模的推廣和應用。目前有國產掃描電波流速儀投入長江和黃河流域水文站的試驗和應用中[19-20]。

4.2 技術指標和適用性

基于對國內外同類常見流速儀的對比，目前電波流速儀的技術指標如表5和表6所示。 表5中調研對比了Stalker SVR流速儀系列、OTT系列、RG30型雷達測流儀等，選取國產HR 20A型作為典型技術指標代表。表6中調研對比了CODAR的River Sonde系列、國內研發的相關儀器等，選取了國產Ridar-200作為典型技術指標代表。

表5 點式電波流速儀主要技術指標

表6 掃描式電波流速儀主要技術指標

相對傳統的流速儀而言，電波流速儀具有量程大、響應快速且不受漂浮物影響等特點。其中手持點式電波流速儀便攜、操作便捷，經常用于防洪和抗洪救災的水文測驗中，如堰塞湖流速監測、高洪期間流速監測等情形。掃描電波流速儀適用于測驗大范圍的表層流場，用于重點監測廣闊水域的大面積流場。

其局限性在于：①測流主要針對于河流表面，不能反映河流深部的流場；②對于掃描電波流速儀而言，因為發射和接收角度的關系，靠近收發天線的近距離內存在一定盲區(見指標中掃測河寬的下限最小值)。

電波流速儀只能測量表面流速的局限性與電波流速儀自身的原理相關，無法從根本性上得到解決，但在儀器自身元器件的靈敏度上和建站(針對掃描式電波流速儀來說)與測量技術的應用仍具有一定發展前景。

5 結 語

從流速儀的保有量上看，目前的河流流速水文測驗以傳統的轉子式流速儀和ADCP為主；就大江大河的測驗而言，ADCP的測驗效率更高；而在冰凌、高泥沙、洪水期、淺水小河流等場景下，電磁流速儀或電波流速儀能補充甚至取代轉子式流速儀和ADCP進行流速測量，尤其是在洪水期的水情監測等情景下，手持點式電波流速儀、便攜電磁流速儀等更易于快速部署和施測。從技術指標和監測與測驗效率上看，ADCP和電波流速儀響應快、效率高，且在實時監測技術應用上已經成熟。

本文僅闡述了常見流速儀的技術應用現狀和適用性，隨著水文監測創新工作的推進和儀器技術的發展，流速儀的技術應用將得到進一步改進，流速儀的適應性將得到進一步提高。針對流速儀的適用局限性，目前常用的各類流速儀還存在一定的技術改進前景，包括儀器本身的設計、制作工藝上的改進以及儀器應用技術的改進。目前我國尚沒有針對電磁流速儀和電波流速儀制定的相關國家標準或行業標準，建議結合水文測驗和監測工作實際，盡早組織出臺相關的儀器標準及測驗標準。