基于實踐經驗的河流流量測驗方法發展趨勢探索

劉望天

(廣東省水文局佛山水文分局，廣東 佛山 528000)

1 概述

從水文學誕生之日起，水要素的觀測成為了首要任務。研究地球水的空間和時間變化規律，感知水的存在、定量觀測水是必要的，也是水文學研究的基礎和關鍵。水文監測就是通過水文站網對江河、湖泊、渠道、水庫的水位、流量、水質、水溫、泥沙、冰情、水下地形和地下水資源，以及降水量、蒸發量、墑情、風暴潮等實時監測，并進行分析和計算的活動[1]。其中，河流流量的實時監測是水文監測的核心和關鍵。隨著現代科學技術的高速發展，水文要素按照小時或分鐘實時在線監測已成為可能。根據水文監測現狀，以小時或分鐘實時監測河道流量、泥沙是最大的瓶頸，流量測驗現代化是實現水文現代化的關鍵環節和難點。本文根據作者多年水文監測實踐經驗，全面總結和探索了河流流量測驗方法和手段，旨在為廣東水文現代化建設提供有益的思路和參考價值。

2 流量測驗方法分類

2.1 規范測驗方法

根據國家有關規范，河流流量測驗方法主要有流速法、浮標法、比降面積法、聲學測流法(聲學多普勒法)、電磁法(電波流速儀)、體積法(直接測量法)、水工建筑物測流法、量水建筑物、稀釋法(示蹤劑法)、代表流速法等，國家標準推薦可采用國際標準(ISO)的其他方法[2]。其中流速儀法、浮標法作為《河流流量測驗規范(GB 50179—2015)》推薦標準，比降面積法、水工建筑物測流法、聲學多普勒法作為水利行業推薦標準，其他方法有少量應用和試驗研究。

從水文監測是否與水體直接接觸區分，上述河流流量測驗方法可分為“直接接觸法”、“部分接觸法”和“非接觸法”3種，其中電磁法為非接觸法，浮標法、比降面積法為部分接觸法，上述其余7種為直接接觸法。該分類方法的現實意義在于在特大洪水或超標準洪水水文應急監測中，采用哪種方法，往往體現了水文現代化發展情況和“以人為本、安全第一”的安全生產理念。

2.2 理論測驗方法

理論測驗方法可分為流速儀法、浮標法、比降面積法、量水建筑物法、溶液法、動船法、纜道積寬法、橋測法、超聲波法、電磁法、航空攝影法(航空測流法)、高性能視頻水面流速法、側掃雷達在線流量法、點流速雷達在線流量法、水平式ADCP在線流量法等。

其中2020年水利部水文司已發布側掃雷達在線流量法、點流速雷達在線流量法、水平式ADCP在線流量法等應用技術指南，該方法取得了初步成果；基于無人技術的航空攝影法(航空測流法)也開始研究應用。

3 測驗方法梳理分析

3.1 傳統測驗方法分析

流速儀法是“直接接觸法”，在河流流量測驗實踐應用中，其一直占主導地位，浮標法、比降面積法作為特大洪水及超標準洪水流量測驗方法。采用流速儀法開展實時在線河流流量測驗，主要解決3個問題：一是跨河橫渡斷面問題；二是河流表面障礙物；三是流量自動計算問題。一般來說，跨河橫渡斷面在500 m河寬內可以通過建設過河纜道解決，河寬很寬時，只能采用測船來解決；若是河道無通航要求，河流表面障礙物好像不太重要，但河流表面的漂浮物無法避免。流速儀法的優點是儀器價廉物美，人工操作簡單，計算數據量小，符合國家規范；不足是必須依托過河纜道或大型測船，測驗安全系數不高，是人力型測驗方法，只可實現半自動化，無法實現實時在線流量測驗問題。

浮標法、比降面積法是“部分接觸法”，要預先選定測驗河段及測定大斷面，采用借用斷面計算流量。浮標標法在實踐中常常采用天然中泓浮標，由人工計算經過上、中、下浮標斷面的時間以計算浮標流速，進而計算流量，浮標系數是流量測驗精度的關鍵，需要積累不同河段的浮標系數。浮標法的優點是操作通俗易懂，計算簡單明了，適用性廣泛，只要有順直且斷面基本一致的河段以及浮標，就可以實現流量測驗；不足之處是費時費力，需要人員多，不一定有合適的河段或操作人員不能抵達岸邊觀察浮標，測驗精度不好把握，需要水位流量測驗足夠的經驗，不可實時在線。

比降面積法通過觀測比降，采用曼寧公式計算流量，糙率是該方法流量測驗精度的關鍵因素，河道特性和洪水規模往往會相互影響，需要在特定斷面上積累糙率資料。比降面積法的優點是人工操作簡單，只要看看比降即可，計算不復雜，適應性廣；不足之處是測驗精度不好把握，需要豐富流量測驗經驗，不可實時在線。

傳統的代表流速法通過精簡分析，找出最少的流速測驗垂線或測點，建立垂線或測點與斷面平均流速的關系，進而減少測線或測次，達到不降低流量測驗精度，增加安全保障系數。這在特大洪水或超標準洪水流量測驗一直起到重要作用，例如春日屋法在武江坪石、代表垂線發犁市水文站的應用。傳統代表流速法的優點是簡單明了，精度可控，安全系數高，計算數據量少；劣處是依賴渡河設施，適用性主要看測站特性，不可實時在線。

量水建筑物法主要是堰槽測流法，是渠道型河道流量測驗的最好方法，得到了廣泛應用，每年比測率定一下就可滿足精度要求。優點是適用小型河道，精度準確，測驗次數少；劣處是河道必須渠化，河道也不能太寬，天然河道往往做不到這一點。

體積法(直接測量法)一般應用于微小流量測驗，在河道流量測驗應用少，使用條件是流量非常小的河流，但往往其他方法更加有效；稀釋法(示蹤劑法)沒有應用于生產實踐，國內處于研究階段。

3.2 現代測驗方法分析

隨著河流上水資源不斷開發利用，大量的水利工程在有水文站測驗任務的河流上建成，原有的流量測驗斷面往往受其影響，但程度不一。對于受水利工程影響的河流或渠道，水工建筑物測流法是解決流量測驗問題的最直接手段，采用其他方法往往作為有效補充是比較明智的選擇。有些試圖采用固定式聲學多普勒法，以解決受水利工程影響的流量測驗問題，往往得不到滿意的效果就是例證。

聲學測流法，主要是聲學多普勒流速儀法，是21世紀水文工作者希望通過它來解決河流流量測驗問題的主要手段。20 a前，聲學多普勒流速儀法行業規范未制定公布，一直制約著該項技術的大膽應用。自從《聲學多普勒流量測驗規范》(SL 337—2006)發布后，采用聲學多普勒法流速儀法解決流量測驗的自動化和實時在線問題，得到空前迅速發展，成了21世紀初至今的主流方法。聲學多普勒流速儀法有兩種方式[5]：一是走航方式，即走航式ADCP；二是固定式，多采用橫式安裝，即H-ADCP。前者只是用ADCP替代了流速儀，本質上是流速面積法，只是采用更加縝密的流量積分計算，優點是實現了流量計算的自動化，提高了測驗精度，增加了全斷面各層流速流量數值；不足之處是水太淺是無法進行測驗，操作者需要一定的計算機技能和分析能力，搭載方式也需要操作者一并考慮。當前，聲學多普勒流速儀法基本上與傳統流速儀法成為了河道流量測驗的主要手段。

電磁法(電波流速儀、非接觸式雷達法)是近10 a來發展的一種方法，屬于“非接觸法”，是當前發展最快的方法之一，其主要是通過實測河流表面部分流速(稱為代表流速法或指標流速)，建立部分表面流速與斷面平均流速關系，進而計算斷面流量。該方法在部分山區斷面窄深、流速大的河流獲得了初步成功，關鍵點是儀器安裝代表性好、流速大，河寬小。優點是安全快捷，在大流量、高流速情況下應用較好；不足之處是小流量、小流速不適用，表面流速分布不穩定的斷面難以獲得成功。

側掃雷測流法是利用雷達遙感技術對河流進行實時監測，側掃雷達測流系統依據布拉格散射和多普勒原理測量河流的表面流速，使用這些數據及已知的河流橫截面圖(深度分布)和已測的水位計算出河流流量。側掃雷達測流系統采用太陽能供電和移動蜂窩通信，流速測量、數據上傳、流量合成無需人工干預，可實現河水流量的自動化監測。適用于各種復雜環境情況，能濾除船舶、周邊建筑、陸地移動汽車等構成的雷達回波干擾，最大探測距離可達800 m以上，適用于內陸河流、界河、大江大湖等天然流域的流量監測[3]。該方法是采用了新技術手段監測河流水面流速，建立水面流速與斷面平均流速的關系，本質屬于代表流速法。優點是抗干擾能力強，測流原理突破了傳統思維；不足之處是儀器昂貴，安裝條件比較苛刻。

航空攝影法(航空水面測流法)利用無人機搭載雷達或者拋投式浮標等流速測驗設備，測得沿斷面水平方向逐條垂線的水面流速后，有兩種計算方法計算虛流量，一種是部分面積法，即類似于水面浮標法流量測驗計算方法，通過逐點水面流速計算兩垂線間的部分水面流速，通過借用斷面計算兩垂線間的部分面積，部分流速乘以部分面積得到部分虛流量，然后部分流量相加，得到斷面虛流量。另一種是單寬流量法，即采用測速垂線水面流速乘以測速垂線水深(也是測深垂線)，然后單寬流量乘以水面寬后相加得到斷面虛流量[4]。最后，再建立虛流量與實測流量的關系，通過比測試驗或通過經驗系數獲得流量系數K，從而得到河道實際流量。該方法的優點是機動靈活，一機多用，適用于水文應急測驗工作；短處是操作者需要領取駕駛執照，有航空管制或流經城市的河流斷面不可使用。

4 流量測驗方法實踐探索

隨著國內外現代科學技術和信息化水平的高速發展，河流流量測驗現代化有了極大可能。引進各種新的儀器設備進行試驗應用，若是某種技術應用于河流流量測驗取得了取得了初步成功，則加大力度推廣應用，這種方法在以前和當前是一種不可或缺的好模式，但往往忽視了水文學基本原理和流量測驗規范原則等。水文學之所以稱為研究地球的古老學科和基礎學科，不是某一單項科學技術發展就可以將解決所有問題的，定量的觀測水文要素歷來都必須得到重視，水文學的發展才變得可能。

在河流流量測驗實踐中，要想獲得小時或分鐘間隔的河流實時在線測驗流量成果，推進廣東水文現代化進程，有3種途徑：一是用傳統流量測驗方法，在必要的環節加入現代科學技術；二是采用當前流行的測驗方法總結提高，進一步規范和提升當前聲學多普勒法流速儀測驗方法的應用水平；三是引進新技術裝備，研究試點取得成功后，推廣應用。從成本效益來看，第1種途徑成本最小，效益可觀；第2種成本次之，效益最大，應作為當前努力方向；第3種成本最大，效益最小，可作為以后規劃應用考慮方向。

4.1 聲學多普勒法流速儀法應用進展

走航式ADCP進口產品應用有20多年了，已經成為當前廣東水文測驗的主要設備，存在問題是在高含沙量或者河床走底時存在流量偏小問題，可通過外加GPS及羅經解決了上述問題。不足之處明顯，即大流量、高流速、高含沙量仍然采取測船橫渡河道斷面的做法，在安全生產高要求高保障情況下，顯得膽顫驚心。因此，走航式ADCP配合測船在中小洪水或枯水期流量測驗是滿足要求的，也是安全的。

進口產品H-ADCP在廣東應用超過了20 a，在水深條件足夠的情況下，尤其是在河口或三角洲受潮汐影響的水文站，不但水深條件滿足，可依托的安裝方式也很多，是最優的流量測驗手段及方法之一。實踐中，安裝在河道主流橋墩上，是最好的方式；其次是安裝在靠近主流的岸邊水位自記臺上，效果稍差但安全系數高且維護方便；最后是通過打三角樁的方式固定在河床岸邊，此類方式維護不方便且容易受到水中作業的破壞。多年應用實踐表明，只要安裝在河道斷面主流的橋墩上，即使代表流速測量范圍只有幾十米，也是可以找到代表流速與斷面平均流速的良好關系，其中國家重點水文站馬口、三水站在2017年、2020年10年一遇的較大洪水條件下，設備運行可靠，測驗精度滿足規范要求。

當前國內聲學多普勒流速儀(ADCP、H-ADCP)發展比較快，已有多家高新技術企業成功開發了ADCP硬件及測流軟件，部分產品通過測試并且得到了水利部技術推廣中心的新產品推廣認可，已達到水文規范要求。2019—2020年，我局引進國產ADCP 600 KHz以及H-ADCP 600 KHz開始進行示范試驗，在水流條件比較好的河段，獲得了滿意結果。國產走航式ADCP軟件個性化需求得到滿足，產品滿足了廣東文文系統要求。

無論是進口還是國產H-ADCP應用的不足地方是，后臺數據接收平臺的建設滯后，這有有賴于國內企業在數據的應用產品及服務上更上一層樓，既要安全快捷接收H-ADCP探頭的實測數據，又滿足水文資料整編程序以及通信規約，達到外接數據采集產品多樣性，解決數據接收及處理統一性及數據保密性問題。

4.2 智能化纜道流速儀法應用進展

在河寬500 m以內的河流，依托現有水文站網建設自動纜道流量測流系統和視頻系統，在利用人力資源少量的前提下，實現自動觀測河流斷面，遠程或現場實時監測流量。限制條件是要能建設纜道，有固定的纜道房，需要少量人力資源。優點是投資不大，滿足現有人員技術水平，滿足水文站網基本測驗能力需求。廣東水文局肇慶水文分局引進的雙軌纜道自動測流系統，是智能化纜道測流的升級版，不同之處采用雷達測定河流水面流速，進而計算逐條垂線水面流速下的虛流量，通過建立實測流量與虛流量關系，通過流量系數得到實測流量過程。該系統可以遠程操控自動纜道測流系統，也可以定時進行流量測驗，獲得河流斷面的實測流量過程，在大洪水中安全可靠，在山區河流中不愧是一種良好的選擇。

4.3 拋投式浮標法應用進展

隨著無人機應用的快速發展，結合中國北斗衛星系統GPS定位的高精度快速計算，可采用無人機投放浮標及運動路徑跟蹤技術，實現無人機投放浮標的精準，再通過浮標在河流斷面定位，得到斷面流速沿河寬方向的變化，進而計算浮標法斷面虛流量，通過浮標系數得到實測流量。此種方法在高流速、大流量條件下是非常安全的，在突發性水事件如潰壩、決堤等情況下也是行之有效的方法。其中定位技術記錄無人機拋投的浮標實時軌跡，拋投浮標的設計如何使之始終垂直于水面并保持運行的穩定性及可靠性，是設計的關鍵點。在2020年廣東省水文應急演練中，無人機拋投式電子浮標測速儀的表現獲得了演練組的高度贊揚，并建議向全省推廣。2020年國家重點水文站三水站水位6.78 m、在線流量值11 900 m3/s的情況下，開展無人機拋投電子浮標比測流速，無人機拋投電子浮標GPS測定流速與人工計時計算結果誤差小，電子浮標流速較為可靠。

4.4 航空水面測流法應用進展

航空水面測流法旨在測量大洪水水面流速沿河寬方向的變化，與智能化纜道流速儀法原理是一致的，不同之處在于前者是機動的，可用于多個斷面，可一個測流系統搭載多套無人機及設備進行測流作業，后者是固定的，只能用于某一水文站斷面。航空水面測流法符合廣東水文現代化要機動、靈活、快速的特點，投入產出效益大。經過近期研發及初步測試，基于無人機的航空水面流速法流量測驗系統開發設計思路正確、合理，在高流速、大流量條件下是適用的；該方法不適用與低流速狀態，也無必要研究低流速狀態的實用性，因為在低流速狀態下，有很多方法可選用。

4.5 流量測驗方法綜合選擇

在河流流量測驗中，低流速、小流量的測驗方法選擇性很多，很多傳統和常規的流量測驗方法都是可以的，既滿足精度要求，又有安全保障。在高流速、大流量情況下，河流流量測驗才是實踐中需要解決的主要問題。另外，還存在往復流、單向流的問題。往復流一般在入海河口或河流下游感潮的平原地區，水深條件較好，水位變幅小，河流一般通航，跨河流的橋梁較多，水上航道繁忙。單向流是大多數河流的流向方式，從上游往下游水深條件逐漸變好，越往上游水位變幅越大，單向流的河流或河段，枯水期水位低，甚至可見大部分河床。所以在河流流量測驗實踐時，建議區分上述情況來討論，才變得更加有現實意義。因此，河流流量測驗的方法選擇是有條件的，不可能一種方法滿足所有的河流或河段，需要因地制宜、因時選擇?？偨Y以往河流流量測驗方法實踐，基本經驗如下：

1) 單向流、中等流速以下的河流流量測驗方法多，沒有哪一種方法具有絕對優勢，只要使用“直接接觸法”就有滿意效果，當然這不是河流流量測驗的主要問題。

2) 往復流、中等流速以下的河流流量測驗方法，最優的是走航式ADCP或H-ADCP，尤其是安裝在主流橋墩上的H-ADCP具有實時在線、數據頻次高、測驗精度高的優點；其次是纜道流速儀法，或者測船流速儀法。

3) 中等流速以上是單向流，這是河流流量測驗的主要問題。在安全可靠的前提下，最優是采用“直接接觸法”，其次是通過測定水面流速與斷面平均流速關系的方法，如浮標法、航空水面流速法。

4) 在大流速情況下，尤其是突發水事件流量測驗，最優的航空水面流速法、浮標法、比降面積法，電磁法(電波流速儀、非接觸式雷達法)次之。

5) 國家重要水文站、跨省重要水文斷面的單向流河道，在配備儀器時，可考慮智能纜道法、側掃雷測流技術等具有固定設施的現代化測流方法，為保障重點監測斷面流量的可靠性和實時在線可用。

5 結論和建議

在河流流量測驗中，解決跨河或渡河的方法或手段，是最為關鍵的問題，也是取決可采用哪種方法或那類型設備的問題。測船、纜道、橋梁、人工涉水都是比較傳統和常規的手段，除測船可以機動一點點外，其他的渡河方式只能固守某一水文站固定斷面。隨著無人機應用技術的快速發展，無人機是安全有效跨河手段，靈活機動，一機多用，是很好的方法，特別是在突發性水事件如潰堤、潰壩的應急水文測驗中，更加顯示其優越性。

因此，在廣東水文現代化建設中，河流流量測驗問題建議按照“直接接觸法”、“部分接觸法”、“非接觸法”進行分類設計，將主要精力集中在河口地區往復流、中等以上流速測流量測驗、水工建筑物流量計算等關鍵問題上；重點著力于現代化水文自動化流量測驗儀器的數據統一接收整合，以及水文信息預警預報和水文資料整編的應用平臺開發；將水位、雨量、蒸發、地下水、流量、泥沙、水質、咸潮等監測成果集中統一起來管理應用等。