流速測量方法研究現狀與分析

馬進國，郭明航，展小云

(1.寧夏固原市水土保持工作站，寧夏 固原 756000；2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

在土壤侵蝕的發生發展過程中，徑流為土壤侵蝕和泥沙運移提供了動力。徑流流速是土壤侵蝕的重要水文參數，可用來確定生態系統水文過程和侵蝕-泥沙關系，對其準確估算有利于計算徑流動能，預測輸沙能力和產沙量[1-2]。但是，基于監測對象的特殊性，如徑流發生的隨機性、歷時長短的不確定性、泥沙含量跨度大等，目前尚沒有廣泛應用的徑流流速測量方法，如何準確測量徑流流速一直是國內外學者開展土壤侵蝕試驗研究的難點。

在過去的幾十年里，國內外學者基于不同的技術和方法研發了多種流速測量儀器，主要包括轉子式流速儀、多普勒流速儀、電磁流速儀、粒子流速儀等。但是目前這些儀器多應用于河道水流監測，而小流域徑流流速測量則主要是借鑒農田水利明渠流量法等。本研究對目前存在的各種流速測量方法的工作原理、應用局限等進行比較分析，以便清楚認知各種方法的優缺點。此外，針對徑流發生發展過程的特殊性，提出了運用現代化技術探索徑流流速測量方法的新方向，期望為開展徑流泥沙科學研究，如徑流挾沙能力、泥沙的沉積特性、泥沙的輸移等提供技術支撐，同時提升徑流過程監測的自動化和信息化水平，推動水土保持科研和生產實踐的發展。

1 流速測量方法

1.1 流速儀法

1.1.1 轉子式流速儀

轉子式流速儀主要是通過測定水流經過時產生的水流運動能量驅動的轉子轉矩估算流速[3]。轉子式流速儀特定的機械結構，使得其在實際使用中存在一定局限性。例如，傳統的轉子式流速儀每次只能進行單點測量，無法實現在流態波動較大的情況下對同一個斷面多點同時進行測量。此外，轉子機械部件容易因漂浮物或水草纏繞而被破壞，從而引發儀器故障；同時轉子式流速儀響應速度慢、時效性差，不能自動測量，自動化和信息化程度低。為了克服上述缺點，實現測量的自動化，李德貴等[4]研制了一種新型的LSX-1智能流速測算儀，該儀器抗干擾能力強，并且具有計時、計數、計算、處理、顯示等功能。此外，王麗雅等[5]研制了一種手持電阻式旋槳流速儀MLC-1，該儀器工作電流低至500 μA，一節電池可以連續工作300 h，在一定程度上實現了流速測量的自動化，減少了人力投入。

1.1.2 多普勒流速儀

1.1.2.1 聲學多普勒儀

聲學多普勒儀包括聲學多普勒電流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)和超聲多普勒儀(Acoustic Doppler Velocimetry, ADV)。聲學多普勒儀被廣泛應用于一切涉及水流特性的科學研究領域，例如海洋、水上交通、水力、水電、石油、水文、氣象等。20世紀90年代末，ADCP被引入并用于流速測量。該類儀器主要是通過水體運動粒子的反射波引起的多普勒頻移測量水體的流速，可以測量水流的三維流速[6]。KIM et al.[7]在實驗室驗證了ADCP的準確性，結果表明用ADCP測得的速度值與常規方法測得的速度值吻合較好，平均測量誤差為10.5%，并將ADCP應用于韓國Maekok水文站進行流速測量。但是，ADCP在實際應用中仍存在很大的局限性：其測量距離不能太近，否則無法測得信號，也不能太遠，否則信號衰減后無法進行測量，通常要求測量深度大于1.5 cm，寬度大于8 cm[8]。此外，如果ADCP探頭與垂直方向夾角為25°，那么將會產生大約為總水深10%的近底盲區。為有效減少ADCP的近底盲區，王元葉等[9]采用數學極值定理，將ADCP處理軟件“丟棄”的部分近底流速數據或由于底跟蹤丟失而損失的流速數據確定出來，并且用電磁海流計的數據進行驗證，發現提取的近底數據準確可靠。再則，該方法對于低流速測量比較準確，但是對于高流速條件下測量結果偏差較大，特別是在發生洪水的情況下，水流含沙量高，這時ADCP的功能就會失效。

ADV主要用于記錄單點相對高頻率的瞬時速度分量[10-11]，該類儀器在標準配置中采樣容器是一個直徑6 mm、高度9 mm的圓柱形。范寒柏等[12]設計了一種單探頭聲學多普勒流速儀，可以測量1.5～2.5 m/s的瞬時流速，并利用卡爾曼濾波技術和自相關算法對數據進行實時的濾波處理，提高了測量結果的穩定性。史雪薇等[13]提出了一種基于超聲/電學雙模態傳感器的流速測量方法，研究結果表明總表觀流速的相對誤差小于6.32%，分相表觀流速的均方根誤差小于5.64%。IHARA et al.[14]采用相位差法研制了一種超低速流超聲流速儀，結果表明當相位差大于10-3rad時，儀器的總體測量誤差在10%以內。DONG et al.[15]提出了一種基于連續波超聲多普勒和流場模型的流速測量方法，該方法主要是通過引入速度剖面相關關系，建立水油兩相流總體表觀速度與感應體中測量的平均速度之間的理論模型。利用該系統在內徑為50 mm的水平管道中進行了動態實驗，發現總體流速的平均相對誤差為3.63%，最大相對誤差為12.22%，但是超聲束的均勻度、流速剖面對多普勒能量譜的影響較大，進而影響了該類儀器的測量精度。此外，原始的ADV速度數據存在較大的問題，這主要是因為在湍流中ADV獲取的速度波動表現為多普勒噪聲、信號混疊、速度波動、裝置振動和其他擾動的綜合作用，并且在采樣容器及其邊界鄰近處的速度剪切可能會進一步對信號產生不利影響[16]。

1.1.2.2 激光多普勒儀

激光多普勒儀(Laser Doppler Velocimetry，LDV)主要是通過建立入射光與散射光的頻率差與示蹤粒子運動速度的關系實現流速的測定[17]。從測量方式來說，可分為單光束、交叉光束和多光束測量。GARCIA-VIZCAINO et al.[18]設計了一種用于表面位移測量的雙組分單光束多普勒測速儀，該儀器可用來測量高達3 m/s的速度，測量誤差遠遠低于1%。這種結構的優點是可以使用單波長激光源和單探測器系統，同時允許對表面位移中速度的兩個矢量分量進行符號檢測。以雙光束型為主的激光多普勒儀存在因探測體積小而導致的物體偏離探測區域無法測速的問題。為了解決該問題，李秀明等[19]提出了一種基于擴展光束的激光多普勒測速系統，該系統對出射的激光束進行兩次擴展，在此基礎上獲得不同散射面積下的多普勒信號，在速度為10～25 m/s時，測量的平均誤差為1%～2%。但是，由于流體的散射光較弱，而獲取流體速度信息需要足夠的光強，需在流體中散播適當尺寸和濃度的微粒子作為示蹤粒子，因此LDV測量直接得到的并非流體速度，而是顆粒的運動速度。

1.1.3 電磁流速儀

電磁流速儀的基本工作原理是法拉第電磁感應定律，結合了流體力學和電磁學，根據導電流體運動所產生的感應電勢來估算流速。20世紀90年代盧允信等[20]引進中船總七院電磁流速儀，將其改裝成適用于野外測流的帶有測桿式傳感器的YR電磁流速儀，其測速范圍為0～10 m/s，分辨率為1 cm/s。寧麗娟等[21]設計的便攜式電磁流速儀實現了測速穩定、功能優化、測量精度高，并且體積小，輕便靈活，不怕碰撞及水草纏繞。與轉子流速儀相比，電磁流速儀在大江大河上的應用數量明顯較少；與ADCP相比，電磁流速儀能采用較小的傳感器尺寸和較密集的測點布置，直接測量斷面上各點的瞬時流速。此外，應用該類儀器時必須考慮外界磁場、流體介質特性、供電電源等因素，以最大程度地消除各種干擾信號和有效放大流速信號，提高測量的精度和準確度。例如，WANG et al.[22]利用電磁流量計測量了兩種軸向速度分布和兩種流體電導率分布在流管內不同位置的感應電勢和電位差，發現可以利用一組邊界電極測量感應電位差推斷流體的軸向速度分布，但當軸向速度存在空間變化時，電導率分布對流速的影響較大。

1.1.4 粒子流速儀

粒子流速儀包括粒子圖像流速儀(Particle Image Velocimetry, PIV)和粒子追蹤流速儀(Particle tracking Velocimetry, PTV)。其中，PIV是20世紀90年代后期發展并逐漸成熟起來的一種流場測量技術，可以深入刻畫流體的瞬態過程及其流動細節，具有空間分辨率高和連續測量等優勢，目前已應用于田間試驗測量人工渠道流速、風沙/水沙兩相流流速[23]。與PIV相比，PTV的空間分辨率較小，不能很好地反映流場流速的細節，不適用微尺度的流場。PIV和PTV均突破了空間單點測量的局限性，目前得到了廣泛應用。張振等[24]建立了一套完整的河流水面成像測速工作模式(RSIV)，該方法流速測量精度可以達到0.5 mm/s，與雷達法相比，該方法測得的斷面平均流速相對誤差為1.16%。江杰等[25]利用PTV技術對河流流速進行測量，并與傳統浮標法測量結果進行對比分析，結果表明基于PTV技術所測定的河流平均流速為59.2 cm/s，測量誤差為8.9%，可見兩種方法所測量的流速具有較好的一致性，并且該方法具有解決傳統浮標法固有缺陷的能力。但是目前的粒子流速儀仍存在一定的局限性，即圖像采集和處理速度仍然受到限制，并且其主要是通過拍攝并測量流場中跟隨流體運動顆粒的運動速度來反映流場速度，存在一定的“跟隨”問題。此外，粒子的不可回收性對流場產生較大的限制，而且在自然水體中加入示蹤粒子有很大的污染性。為了彌補以上缺陷，ELHIMER et al.[26]利用PIV和PTV相結合的方法研究了湍流中粒子的運動特性，發現融合后的技術可以更好地測量粒子和底層流體之間的瞬時和局部速度差異，并且顆粒的局部速度往往與相鄰流體的速度不同。

1.1.5 雷達、渦街等流速儀

此外，目前常用的流速儀還有激光雷達流速儀、電容式流速儀、渦街流速儀等。秦福清[27]研制的雷達定位流速儀主要以非接觸方式計算水面流速和斷面流量，測得的點流速隨機不確定度為14.0%，系統誤差為1.0%，流量隨機不確定度為10.6%，系統誤差為-0.5%。該儀器主要用于較大洪水流量的測驗，也適合高流速及多漂浮物的情況。王文華[28]研制的S3-SVRⅡ型無線遙控雷達波數字化測流系統誤差可以控制在±1%以內，但是隨機不確定度超出了規范要求，其測流精度僅能滿足中小河流水文監測要求。周穎等[29]提出了一種基于電容耦合式非接觸電導測量技術的小通道氣液兩相流流速測量新方法，該方法利用新型傳感器獲得兩組流體電導信號，再對獲得的信號進行互相關運算，最終得到流體的速度值，測得的流速與參考速度相比，速度測量的最大相對誤差均小于10%。舒安平等[30]利用畢托管原理成功研制出一種能適用于高濃度水流的新型感壓式流速儀，該儀器流速測量范圍為0.1～5.0 m/s，而且還能承受含沙量高達765.61 kg/m3的高濃度水流的考驗。綜上可見，測量流速有多種選擇，在實際應用中應該根據預算、人力、期望的數據質量等做選擇。多數情況下，同時部署不同類型的儀器可能是最佳選擇。

1.2 明渠水流流量法

對于非常規則的明渠，流速測量采用流量法，即根據測得的流量計算流速。常用的設備有薄壁三角量水堰和巴歇爾槽，但是這些方法僅適用于穩定流態或低含沙量狀態的流量測定[31-32]。目前不少學者將該類方法用于徑流流速的測量，但是根據對薄壁三角量水堰和巴歇爾槽長期的應用實踐發現，徑流中泥沙的沉積性和徑流量變幅大兩個主要因素制約了這兩種方法在徑流流速測量中的應用。

1.2.1 薄壁三角量水堰

在用薄壁三角量水堰觀測時，通過量水堰形狀的設計，試圖將上方來流中不同的流速歸一化成一個穩定流速，而在形成穩定水流的過程中，現有的形狀設計會使徑流泥沙沉積在量水堰的穩流池內，使得穩流池的基礎抬升，從而造成水位測量值變小，流經堰口的徑流流速變大。如此一來，薄壁三角量水堰標定計算公式與實測的條件就出現了差異。這是薄壁三角量水堰測量徑流量誤差偏大或者不甚適用的最主要原因。

1.2.2 巴歇爾槽

在用巴歇爾槽觀測時，巴歇爾槽的型號和尺寸與徑流量有嚴格的對應關系，也就是說特定型號的巴歇爾槽僅適合相應的徑流量觀測。由于降雨量、降雨強度大小的隨機性使得徑流量大小變幅大，徑流發生時間難以預知，因此某一特定型號的巴歇爾槽并不能兼顧變幅較大的徑流量監測。此外，泥沙沉積在一定程度上影響了水位高度的測量，這樣會給流速計算帶來較大的影響。

1.3 示蹤法

示蹤法多用于坡面薄層水流流速測量，其中染料示蹤法是目前研究者最常用的坡面流速測定方法。該方法操作簡單，但存在人為目視產生的誤差，使得測量的誤差較大[33]。為了克服這一問題，研究者提出了鹽液示蹤法，其基本原理是利用含鹽水流與非含鹽水流電導率的不同來確定含鹽水流到達被測斷面所需要的時間[34]。相對于流速而言，泥沙含量的變化對該方法中的經驗系數K值影響更大，而坡面侵蝕過程中泥沙含量是不斷變化的，從而導致該方法中的經驗系數K值無法確定[35]。此外，史曉楠等[36]提出了一種基于電解質的坡面薄層水流流速測量新方法，并且提出了電解質示蹤法測量流速的正態模型，結果表明該模型在距鹽溶液注入點1 m以外的流速測量相對誤差小于5%，而在距注入點0.5 m處，模型測量的相對誤差高達13.9%，預測準確度有待提高。

1.4 其 他

在20世紀60年代中期，以兩相流為基礎的測量系統逐步發展起來。MESCH et al.[37]把相關流速測量技術應用到流體流動特性的研究中，對穩定流體和非穩定流體的傳播方式進行實驗驗證。周潔等[38]提出了一種基于光信號互相關法測量氣固兩相流中固體顆粒平均運動速度的方法，該方法具有較高的測量精度，測量結果的相對誤差小于10%。向廷元等[39]研制的紙漿光學相關流量計，可測流速范圍為0.4～6 m/s，達到1.5級儀表精度。王為等[40]基于互相關理論，建立了基于虛擬儀器Lab VIEW的電導式徑流流速測量系統，并采用自制的電導式傳感器，研究了兩傳感器間距對測量系統的影響，測量了5個泥沙含量水平下的徑流流速，發現該測量系統可測量的泥沙含量范圍為0～250 kg/m3，測量相對誤差為4.5%，測量準確度較高。

綜上所述，盡管眾多學者提出了多種水流流速測量方法，但多用于河道水流或清水水流。受徑流中泥沙顆粒大小組成和泥沙含量的不確定性、泥沙的黏附性、沉積性等徑流特性的影響，目前多數流速測量方法并不能適用于溝道徑流測定，并且小流域中普遍使用的薄壁三角量水堰和巴歇爾槽的準確度不夠，以致其適用性也成為問題。

2 展 望

由于徑流監測對象的特殊性和監測技術方法的不足，徑流流速測量結果的準確度和可靠性與徑流過程監測的實際需要相去甚遠，因而目前仍然沒有完全滿足監測需要的技術方法。為了滿足當前水土保持學科發展和水土流失防治的迫切需求，建議以下面兩點為重點研究目標：

(1)融合土壤侵蝕實驗監測技術、自動化控制技術、精密傳感技術等現代科學技術，創建能夠對小流域徑流流速實現實時、快速、準確測量的系統，為小流域徑流流速的多點位動態測量提供新的監測方法，揭示過流斷面徑流流速和徑流量的時空異質性，促進水土保持學科實驗技術的發展，以深化和支撐土壤侵蝕過程、機理、預報、防治等水土保持科學研究和生產實踐。

(2)以獲取徑流流速和徑流量變化過程數據為核心，研制適用于小流域斷面徑流流速的實時、自動監測儀，實現斷面徑流量的精準計算，并開發“互聯網+”框架下的徑流流速監測儀-監測數據管理的信息化應用平臺，實現數據的遠程傳輸、異地訪問、多點數據分析、可視化呈現，以及儀器設備的遠程狀態監控，為徑流監測、水文管理提供信息化的管理平臺，以填補國內外徑流流速測量儀器設備的空白，提高水土保持監測設備研發水平，引領和培育水土流失監測儀器設備行業和企業的發展。