水文站流量在線監測方法研究進展

吳志勇，徐 梁，唐運憶，何 海

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

流量是單位時間內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據，也是河流最重要的水文特征值[1-2]。傳統的流量測驗方法是將測驗斷面分成多個部分，并在每部分上布設測速垂線，利用流速儀等設備測量各垂線上測點的流速，得到垂線平均流速并計算該部分流量，進而累加得到整個斷面的流量。這種測驗方法雖能在精度上滿足流量測驗規范的要求，但操作復雜、歷時長、工作強度大，效率低下，已跟不上我國水文站點快速增加和功能擴展的需求。隨著社會、經濟和科技的快速發展，水文監測現代化的重要性日漸凸顯，其中河流流量監測自動化是當今社會發展對水文工作的必然要求之一，而水文測驗方式和方法的自動化又是整個水文信息化的前提和保障。為此，改進傳統流量測驗方式，廣泛推進流量在線監測，提高水文自動化程度和效率，具有十分重要的意義。

流量在線監測是指結合水位及大斷面數據，根據采集到的實時流速信息，計算斷面實時流量，并將這些數據保存到數據庫中的過程。在線監測系統主要由水位和流速數據的自動采集、數據傳輸和分析處理3部分組成，涉及現代傳感技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關的專用分析軟件和通信網絡[3-4]。其中，現代信息技術的蓬勃發展推動了整個水文測驗行業的進步，新測流技術的出現不僅提高了測流的時效性，采集到的數據量也大大增加。與此同時，計算機處理技術的發展讓我們可以充分地挖掘數據中的信息，對斷面水流特性有更好的把握。在線監測技術雖經幾十年的發展，逐漸走向生產應用，但其核心問題還未完全解決，如何通過局部流速計算斷面平均流速依然是個難點。

在線流量監測的不斷推進將極大提高測流效率，提升我國水文測驗行業的能力和水平。水利部水文司資料顯示，2018年全國水文系統已裝備在線測流系統1 616套、聲學多普勒流速儀(acoustic doppler current profiler， ADCP)2 665臺，先進儀器設備較2016年顯著提升。然而，目前我國流量在線監測設備主要還依賴進口，由于在線監測技術本身成熟度不高，加之測站工作人員水平限制、專業運維團隊匱乏，在線監測設備及系統在許多水文站點應用效果并不好[5-9]，流量的精度、測流設備的穩定性及應用的問題依然突出。本文在總結現有幾種在線監測方法優點及局限性的基礎上，依據流量在線監測中流量計算的核心技術，對在線監測方法中的流速面積法進行分類，并針對精度、穩定性和應用等問題對流速面積法及水力學法進行深入探討。

1 研究現狀

從測驗原理來看，流量在線監測可通過流速面積法和水力學法來實現。流速面積法是目前應用最廣泛的方法，該方法通過實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用于流量在線監測工作中。水力學法利用水位流量關系，由測得的水位通過水力學公式計算得到流量，分為量水建筑物法和水工建筑物法[10]；水力學方法多用于較小的河流，大江大河流量在線監測中應用較少。

1.1 基于流速面積法的在線監測方法

現階段基于流速面積法的流量在線監測方法還沒有一個明確的分類，通常采用測流儀器進行命名，例如水平式ADCP(H-ADCP)法、坐底式ADCP(V-ADCP)法、雷達法等。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算方法及適用性之間的差異，不利于在線監測的推廣應用。基于以上原因，本文依據斷面平均流速計算原理提出分類方法，將現有在線監測方法分為3類：指標流速法、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測的原理和關鍵技術，有利于在線流量監測技術的完善和推廣應用。

1.1.1指標流速法

目前，國內外使用最多的在線監測方法為指標流速法[11]，該方法專指要通過建立指標流速與斷面平均流速相關關系計算斷面流量的方法。這里的指標流速通常指難以明確具體對象或物理含義的實測局部流速，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量程范圍內一個錐形水體對象的平均流速。

現階段，結合H-ADCP開發流量在線監測系統的研究較多，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問題成為可能[12-16]。通常情況下，指標流速與斷面平均流速直接構建線性相關關系[15]。研究發現，受水位變化的影響，不同水位級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，構建基于指標流速、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動的平臺上，使測量范圍由線變成面獲取指標流速。對于特別復雜的河流，也可同時采用多個指標流速，例如南京水文試驗站采用H-ADCP與定點ADCP結合的方式獲取指標流速，構建多變量相關方程實現在線監測[18-19]。總體而言，國內對H-ADCP的應用研究多停留在單站試驗，尚未有系統的測驗誤差控制及參數優化方法。

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，結合流速分布模型，進行流量實時在線監測的工作。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算斷面流量，后者則直接采用垂線流速模型計算斷面流量。

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算得到斷面平均流速，進而得到流量。目前水層流速的獲取方法主要采用超聲波時差法，該法利用超聲波在河段上、下游兩個固定點之間順水和逆水傳播的時間差，計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]。在計算流量時，若斷面規則，可直接通過逐層流速積分計算；反之，則要通過斷面水深-面積模型，根據水層流速和水深自動計算。水平流速分布模型法適用于較寬的河流，能夠實現實時流量監測，適合無人值守的測站[21]，但該方法土建成本高，運行維護不便，水草較多對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]，國內對其應用也有研究，但都集中在人工渠道上，天然河道上的成功應用鮮有報道[22-24]。

b. 垂線流速法。該方法主要通過實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關系，結合斷面面積，計算斷面流量。盡管這類方法中也有與指標流速法類似構建的相關關系，但用于建立相關的變量有著本質的區別，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法流量在線監測時存在的相關線建立時間周期長、受航運影響大、低水位時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性較好的測速垂線作為代表線，并建立相關關系，結合斷面面積，計算斷面流量。國內對該方法有較多應用,例如徐六涇水文站用該方法解決潮流量測驗問題[28]、前垾村水文站利用該方法為尋找典型點流速提供支撐[29]、龍門水文站利用該方法降低高洪作業風險[30]。但國內大部分應用還存在原始資料系列較短、斷面穩定性及流量精度評價指標不完整、流速相關關系使用條件不明確等問題。二線能坡法以曼寧公式為基礎，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系，建立垂線流速模型。實際計算中，以實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算模型，結合水位面積關系計算斷面流量，國內已有少量應用成功的例子[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，并通過轉換得到特征垂線平均流速或斷面平均流速進行流量計算的方法。表面流速的獲取可以采用纜道雷達、側掃雷達、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，尤其在陡漲險落的山區性河流的監測中具有明顯優勢[33-35]。現階段國內應用較廣的表面流速法測流有雷達法和粒子圖像法。

a. 雷達法。該法又稱電波法，是基于微波多普勒效應測量水面流速的一種方法，主要通過雷達波傳感器自動發射和接收電磁波，利用多普勒原理測定水面流速，通過流速系數或回歸分析得到斷面平均流速，從而得到斷面流量。雷達法測流不受含沙量及漂浮物的影響，可用于巡測，其測驗精度高于浮標法，可以較好地應用于在線監測工作中。但雷達法對測量條件敏感，易受大風大雨及測量角度影響，低流速測量誤差大[33]。非接觸式雷達測速儀的應用可有效提高測流效率，但目前大部分測驗均存在比測時間短、測次少、比測結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證[36-38]。國產側掃雷達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、廣西南寧站等站點得到良好應用[39]。該設備環境適應性強，受氣象條件影響很小，適用于惡劣天氣、高洪多漂浮物、漫灘等惡劣環境。國產側掃雷達性能優良，表面流速測驗精度較高，但由于自然河道流體運動的復雜性，絕大部分情況相關性較差，流量精度還難以滿足測驗要求。

b. 粒子圖像法。粒子圖像法利用拍攝到的河流水面視頻，估計示蹤物在圖像序列中運動矢量的大小，分析測流區域內局部流體的運動規律，通過流速系數將水面流速轉換為斷面平均流速，從而得到斷面流量[40]。該方法在快速獲取水面流場及紊動特性、高洪及極端條件流量監測有明顯優勢。目前，日本、韓國等國家正在大量開展該方法的試驗研究工作[35]。粒子圖像法又包括極坐標攝影浮標法、衛星遙感圖像法、大尺度粒子圖像測速法和時空圖像法。極坐標攝影浮標法采用攝影照片代替人工目測，雖然精度和自動化程度較高，但由于部署工作量較大，實際應用較少。衛星遙感圖像法對地面信息和歷史數據的依賴過大，同時測量誤差較大，還無法實用化。大尺度粒子圖像測速法具備時空分辨率高、測量范圍廣、成本低廉等優點[8]，不僅可用于常規條件下測流工作，更具有極端條件下河道水流監測的應用潛力[33,41]，韓國[8]以及我國吉安市坳下坪水文站[42]已開展相關研究。時空圖像法是一種高空間分辨率的一維時均運動矢量估計方法，目前也處于試驗階段[43-45]。

1.2 基于水力學法的在線監測方法

水力學法不受人為因素及河流特性的影響，無須建設測流纜道，容易實現遙測，是一類重要的方法并且具有推廣價值。該方法可進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，該方法對建筑物的建設要求比較嚴格，適用于小型河流，需在實驗室做模擬試驗計算流量系數，或者在典型水文站上校測流量系數[46]。水工建筑物法采用堰、水電站、泵站等水工建筑物測流[4]，該法根據能量轉換和守恒原理，通過實測水頭差、閘門開啟高度等水力因素，確定流量系數或效率系數，用水力學公式計算流量。水工建筑物法精度較高，程序簡便，但同時存在泄水建筑物造價昂貴的缺點，韓國大量利用該方法開展流量測驗和在線監測工作[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、多地供水設施還采用不同形式的堰閘在線測流設施設備[51]。

2 研究展望

2.1 提高在線監測的精度

沒有一種設備是可以滿足所有斷面和水流情況的，具體應用時應結合測站任務及河道自然屬性，選擇合適的測流方法，從而確定所需的設備儀器。流量測驗首要保證測流的精度，但現階段在線測流技術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，暫時還沒有一個精準的測流方法；如何進行點流速比測也是一個難點問題；側掃雷達使用時可能受回水及船只影響，造成流速測量誤差較大，還需不斷優化流量計算模型；同時，當地水文條件、測站工作人員水平等問題也是影響測驗精度的重要因素。

無論采用哪種測流方法，如何通過實測的局部流速獲得斷面平均流速一直是個難點。要提高流量測驗精度，關鍵還是要根據測驗河段的水力學特性，充分應用現代化測流手段和數值計算技術，確定特定測站的流量計算方法和模型，率定其所需要的參數。隨著聲學多普勒測流技術及三維水動力模型的逐漸成熟，可將固定式ADCP與水力學模型結合，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]。結合ADCP采集到的流速，進行流量在線監測，這將是解決在線監測精度問題的突破方向。對于非接觸測流技術尤其需要注意風速的影響，未來還需建立風場與水面流場的相關關系，以提高設備精度。

2.2 改善在線監測的穩定性

在線監測儀器的運行穩定性受流量、流速、風速等外界條件影響。雷達法、二線能坡法等在水量較小時測量誤差較大，并且水量較小也會加大風速的影響。側掃雷達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。聲學多普勒測流技術已相當成熟，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造成水層流速代表性的變化；若多次移動儀器，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建水位與H-ADCP安裝位置及傾角之間的相關關系，采用可自動調整傾角的底座，大大減輕工作量。大江大河的寬度遠大于H-ADCP的測流范圍，除采用組合式監測系統外，還可將采集到的數據與歷史水文數據結合，補全斷面流速，再計算得到斷面流量[55]。

2.3 促進在線監測的應用

在線監測技術已經歷幾十年的發展，但缺乏專業技術人員進行比測率定、定期維護等工作，造成測驗設備在應用過程中問題層出[9,33,56]。同時，感潮河段水文現象復雜，河口區河面寬闊、航運繁忙，國內雖有相關研究，但河口流量測驗還需尋找具有快速全場測量的能力并能適應復雜的測流環境的測流方案。我國非接觸測流設備主要依賴于進口，許多國產ADCP性價比有待提高，高端儀器產品基本為空白[7]，缺少更加系統全面的技術依據及相關技術指標，這些問題限制了該設備的廣泛應用。側掃雷達、國產ADCP等技術還未成熟，配置技術參數還不夠明晰，比測時均存在水位變幅較小的問題。

衛星遙感圖像法以及低空遙感無人機測流技術[57]雖有相關研究，但測流精度依然較低，僅在試驗河段及站點測流結果較好，無法滿足實際測流需要，還需一段時間的研究發展，短期內無法為在線監測服務，但這些方法對于洪水、堰塞湖、泥石流等條件下的應急監測具有重要意義。

在自動采集水文信息后通過現代通訊技術進行數據傳輸，利用計算機自動接受、處理、存儲分發水文信息，是水文信息化的發展方向[58]。為了加快水文信息化的發展，要走在線監測、遠程控制、巡駐結合的道路，應用多源傳感器信息融合技術[28]，加快物聯網和5G數據傳輸技術的研究，加快水文儀器國產化進程，真正實現“有人看管，無人值守”，實現互聯網+水文深度融合。

3 結 語

本文總結了目前大江大河流量在線監測中廣泛采用的幾種方法，依據流速數據采集及流量計算原理對監測方法進行了分類。目前在線監測推廣應用工作正在如火如荼地展開，但缺乏專業的技術團隊對監測儀器誤差控制、精度分析等方面進行深入研究，這種失衡是導致在線監測推廣應用停滯不前的一大原因。本文針對在線監測精度、穩定性和應用方面的問題進行詳細論述，并指出固定式ADCP與水力學模型結合將是解決我國在線監測問題的突破方向；同時，在具備條件的地區，使用測流建筑物的水力學法測流也是一條可行的途徑。