(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(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024)

流速測量是水情監(jiān)測及預(yù)報、水動力研究、防洪工程設(shè)計論證、生態(tài)環(huán)境評估等工作中必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。目前河流流速測量常用的流速儀有轉(zhuǎn)子式流速儀、聲學(xué)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(guī)模、形態(tài)、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(jiān)測和測驗(yàn)的需要。水文科技管理學(xué)者在研究水文監(jiān)測創(chuàng)新體系時認(rèn)為，為滿足我國水文測驗(yàn)規(guī)范的精度要求，開展儀器的適應(yīng)性研究十分必要[1]。全面理解和掌握常用流速儀的技術(shù)特點(diǎn)及其適用性可有效地發(fā)揮并利用儀器的技術(shù)優(yōu)勢，提高流速流量監(jiān)測和測驗(yàn)效率，同時也有利于推動水文監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

1 轉(zhuǎn)子式流速儀

1.1 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子式流速儀是我國使用最早的河流流速儀，是通過機(jī)械轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)隨水流的運(yùn)動旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來獲得流速的儀器[2]。按儀器結(jié)構(gòu)，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(shù)；b表示水力螺距；n是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。公式中的a和b可以通過在多組檢定點(diǎn)(已知的流速V和轉(zhuǎn)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(chǎn)轉(zhuǎn)子式流速儀并投入應(yīng)用，1957年水利部聘請國外專家對當(dāng)時的國產(chǎn)流速儀進(jìn)行了改進(jìn)；“八五”期間，水利部曾組織人員開展技術(shù)攻關(guān)，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(jìn)作用[5]。近年來，國內(nèi)對轉(zhuǎn)子式流速儀的技術(shù)應(yīng)用和改進(jìn)研究主要放在對其系統(tǒng)集成和自動化上，例如將轉(zhuǎn)子式流速儀集成到自動流速流量測量纜道系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對流速流量的自動化和智能化現(xiàn)場快速監(jiān)測。

目前，多數(shù)水文站都使用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行比測，以保證流量監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jié)果。

表1 大通站某時段流速比測特征值統(tǒng)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(diǎn)空間位置在表達(dá)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(diǎn)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(diǎn)在內(nèi))；同時，兩種流速儀的采樣率以及有無機(jī)械慣性等原因也導(dǎo)致了數(shù)據(jù)差異。運(yùn)用兩種流速儀施測，既可在平均流速上進(jìn)行相互驗(yàn)證，也可客觀、全面地反映流速特征。

目前國內(nèi)采用的轉(zhuǎn)子式流速儀主要以國產(chǎn)的旋漿流速儀為主，現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對該類流速儀的組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求、檢定、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則等進(jìn)行了規(guī)定和規(guī)范[3]。

1.2 技術(shù)指標(biāo)和適用性

基于對同類常見流速儀的調(diào)研對比，目前轉(zhuǎn)子式流速儀的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。調(diào)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(shù)指標(biāo)代表。

表2 轉(zhuǎn)子式流速儀主要技術(shù)指標(biāo)

注：*是指同類流速儀在某一項指標(biāo)上達(dá)到的極限值。

從技術(shù)指標(biāo)上看，轉(zhuǎn)子式流速儀能適應(yīng)大多數(shù)河流的流速流量測驗(yàn)任務(wù)，但由于其測流部件為機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)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(zhuǎn)子機(jī)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(tǒng)設(shè)計的流速儀線性關(guān)系已不復(fù)存在；④在含沙量高的深水水域，高水壓下會導(dǎo)致泥沙進(jìn)入軸承腔，從而引發(fā)儀器故障；⑤時間或空間上變化快的流速，機(jī)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(yàn)效率較低，需要多船多人協(xié)同。

1.3 技術(shù)改進(jìn)和解決方案建議

轉(zhuǎn)子式流速儀的適用局限性分為兩類：①與儀器本身的設(shè)計和工作原理有關(guān)，無法通過技術(shù)改進(jìn)來改變，例如1.2節(jié)所列的③，⑤，⑥，⑦項。②可以通過改進(jìn)設(shè)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(shù)來替代傳統(tǒng)的軸承，從而提高靈敏度和防泥沙能力[6]；通過信號感測機(jī)構(gòu)機(jī)件位置等方法可以減小信號檢測對轉(zhuǎn)子的阻力，從而提高靈敏度[7]。結(jié)合新材料、新工藝和應(yīng)用新技術(shù)理念，可提高轉(zhuǎn)子式流速儀的靈敏度、測量精度以及測量量程等技術(shù)指標(biāo)，使其更好地發(fā)揮效用。

2 ADCP

2.1 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

ADCP是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)測量水流速度的儀器。ADCP計算原理是：儀器向水中發(fā)射聲波，通過測量隨水流運(yùn)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，F(xiàn)d是多普勒頻移；Fs為發(fā)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(biāo)系通過羅經(jīng)指向關(guān)系換算到地球坐標(biāo)系下的流速和流向。

根據(jù)所測量的流速單元和量程，習(xí)慣上分為ADCP和點(diǎn)式多普勒流速儀。根據(jù)ADCP剖面的方向，可分為兩種：有常規(guī)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(cè)的平臺上實(shí)時監(jiān)測流速流量。由于點(diǎn)式多普勒流速儀在現(xiàn)場流速測量時效率相對較低，在實(shí)際水文監(jiān)測和觀測中應(yīng)用很少。

20世紀(jì)80年代，ADCP首先在美國投入實(shí)際流速測量中[8]。1990年長江水利委員會水文局引進(jìn)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(yīng)用效果。之后水文工作者對引進(jìn)的ADCP開展了多期次的水文測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)工作，并針對長江測流中遇到的動底、鐵船干擾等實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問題提出了解決方案[9]。

目前，河流流速測量用的ADCP以進(jìn)口儀器為主，我國各流域機(jī)構(gòu)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(jìn)行走航流速測驗(yàn)外，長江的三堆子水文站、黃陵廟水文站、南京水文實(shí)驗(yàn)站和黃河的小川水文站、珠江的天河水文站等均設(shè)有以H-ADCP為主要測流儀器的實(shí)時流速流量監(jiān)測系統(tǒng)。

我國國家海洋局海洋技術(shù)研究所等單位開展了ADCP研究工作，并在1997年開發(fā)出ADCP樣機(jī)[10]，但當(dāng)時并未將其研發(fā)成果推廣到河流測流領(lǐng)域。直到2013年，經(jīng)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(fā)的600K ADCP開始在河流流速中推廣應(yīng)用。目前，我國對ADCP的研制和技術(shù)應(yīng)用制定了較完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 24558-2009 聲學(xué)多普勒流速剖面儀》規(guī)定了ADCP產(chǎn)品的類型和組成、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則[11]；《SL 337-2006聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)規(guī)范》對聲學(xué)多普勒流量測驗(yàn)要求、安裝方法、走航和定點(diǎn)流速流量測驗(yàn)方法、流速流量測驗(yàn)誤差分析及精度控制等作出了規(guī)定[12]。

2.2 技術(shù)指標(biāo)和適用性

ADCP的量程、測流精度和分辨率等技術(shù)指標(biāo)主要與換能器的聲學(xué)頻率有關(guān)，目前河流中采用的ADCP的聲學(xué)頻率主要在150～2 400 kHz之間，少數(shù)情況下會用到低頻的海洋型ADCP?；趯ν惲魉賰x的調(diào)研對比，ADCP的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。在該表中，調(diào)研對比了TRDI的Workhorse系列、RiverRay系列及OS系列、SONTEK產(chǎn)品系列 、NORTEK產(chǎn)品系列、 國產(chǎn)iflow產(chǎn)品系列等，選取目前河流測流應(yīng)用最多的TRDI瑞江600K作為典型技術(shù)指標(biāo)代表。

表3 ADCP主要技術(shù)指標(biāo)

從技術(shù)指標(biāo)上看，ADCP 能滿足河流的流速流量測量任務(wù)。相對于轉(zhuǎn)子式流速儀來說，ADCP具有流速分辨率高、測流響應(yīng)速度快、剖面式測量效率高等優(yōu)點(diǎn)；同時ADCP工作方式上為聲學(xué)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(hù)性較好。

ADCP在我國應(yīng)用實(shí)踐中已積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，攻克了常見的應(yīng)用技術(shù)難題，但在實(shí)際使用中仍存在一定局限性：①在洪水等急流環(huán)境下，載體或安裝平臺難以下水；②表層盲區(qū)絕大多數(shù)ADCP的聲學(xué)換能器在發(fā)射脈沖后余震不能立即消除；③底層盲區(qū)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(shù)據(jù)，造成流速無法解算。

2.3 技術(shù)改進(jìn)前景展望和解決方案

針對ADCP在應(yīng)用上存在的局限性，可以通過技術(shù)改進(jìn)來提高其適應(yīng)性。針對2.2節(jié)中局限①，研發(fā)適合急流環(huán)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(shè)計制造更小的聲學(xué)波束角，以減小底層盲區(qū)的影響以及解決4個波束同一水層波束腳印覆蓋區(qū)過大的問題，從而更加適應(yīng)坡度較大的岸坡附近水域。針對局限②和④，建議在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，采用高低頻組合，即在利用高頻聲學(xué)脈沖滿足較近水層流速剖面精確及較小的表層盲區(qū)的同時，利用低頻寬帶聲學(xué)脈沖加強(qiáng)對泥沙的穿透。

3 電磁流速儀

3.1 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

電磁流速儀是利用電磁感應(yīng)原理,根據(jù)流體切割磁場所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢與流體速度成正比的關(guān)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢， 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，流速(V)的計算見公式(3)：

(3)

式中，E為感應(yīng)電動勢，K為與傳感器相關(guān)的系數(shù)，B為磁場強(qiáng)度，L是電極之間的間距。

早在20世紀(jì)70年代，我國就研制了電磁流速計，并將其應(yīng)用于海洋調(diào)查中[13]。1984年，天津水科所研制了EMV系列電磁流速儀，但其應(yīng)用僅限于水利工程模型實(shí)驗(yàn)中。1990年，黃河水利委員會水利科學(xué)研究所引進(jìn)中國船舶重工集團(tuán)公司第七研究院的技術(shù)，并成功將其改進(jìn)為能用于在野外現(xiàn)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(chǎn)型號均未得到大范圍推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)多個廠家生產(chǎn)的電磁流速儀主要應(yīng)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(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

目前，電磁流速儀應(yīng)用在含沙量較高的水體、水草和漂浮物水域以及冰凌區(qū)域具有優(yōu)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(yīng)用電磁流速儀進(jìn)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(yīng)用數(shù)量明顯少于轉(zhuǎn)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(chǎn)電磁流速儀為主。

3.2 技術(shù)指標(biāo)和適用性

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

表4 電磁流速儀主要技術(shù)指標(biāo)

從技術(shù)指標(biāo)上看，電磁流速儀能滿足河流流速測驗(yàn)的大多數(shù)應(yīng)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(huán)境的河流中也可使用。儀器設(shè)計緊湊，無外露的機(jī)械部件，維護(hù)成本較低，能測量極淺水域的流速。

電磁流速儀的應(yīng)用局限性表現(xiàn)為只能測量單點(diǎn)流速。相較于同樣也只能測單點(diǎn)流速的轉(zhuǎn)子流速儀來說，由于相關(guān)電子元件造價較高，導(dǎo)致其應(yīng)用普及率相對較低。

3.3 技術(shù)改進(jìn)前景展望和解決方案

電磁流速儀能有效地補(bǔ)充一些特殊場景的流速測量，而隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展和工藝的進(jìn)步，電磁流速儀可以設(shè)計得更為小巧。電磁流速儀的發(fā)展方向包括：①借鑒國外電磁流速儀的功能和機(jī)構(gòu)設(shè)計，在工藝上實(shí)現(xiàn)耐壓，能將其從模型試驗(yàn)小型河流的淺水應(yīng)用中推廣到能適應(yīng)大多數(shù)河流流速測量。②結(jié)合電磁流速儀與現(xiàn)有自動測流纜道系統(tǒng)，補(bǔ)充某些場合下其他流速測量儀器系統(tǒng)的不足。

4 電波流速儀

4.1 技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

電波流速儀泛指向水面發(fā)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(guān)系而制成的儀器。其原理為多普勒效應(yīng)，速度計算可依據(jù)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(fā)射的雷達(dá)波頻率；θ為發(fā)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(lǐng)域用到的電波流速儀主要有兩類：點(diǎn)式電波流速儀和掃描式電波流速儀。點(diǎn)式電波流速儀是發(fā)射單個雷達(dá)波束(常見為Ka波段，也有X～Ku波段)照射水面并將照射區(qū)作為一個點(diǎn)來測算流速；而掃描式電波流速儀是利用天線陣發(fā)射UHF波段的雷達(dá)波，利用水流表面波對雷達(dá)產(chǎn)生的布拉格散射效應(yīng)獲取測量區(qū)域(一般為90°扇形區(qū))的徑向發(fā)射信號，從而由多普勒效應(yīng)計算出信號反射區(qū)流速大小，并采用多重信號分類測向的統(tǒng)計算法確定測點(diǎn)(信號反射區(qū))的距離和回波的方向。

我國在20世紀(jì)90年代成功研制了國產(chǎn)點(diǎn)式電波流速儀，典型代表為LD15-1型電波流速儀，經(jīng)比測和鑒定后批量生產(chǎn)并推廣到多家單位使用[16]。經(jīng)調(diào)研，點(diǎn)式電波流速儀已經(jīng)用于很多中小河流的流速監(jiān)測和防洪救災(zāi)中，其中的手持式點(diǎn)式電波流速儀(俗稱“雷達(dá)槍”或“電波槍”)主要以進(jìn)口為主，而固定安裝的點(diǎn)式電波流速儀目前以國產(chǎn)儀器為主。我國在近些年曾引進(jìn)過河流高頻測流系統(tǒng)，并投入科研和生產(chǎn)測流試驗(yàn)[17-18]，但并未進(jìn)行大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。目前有國產(chǎn)掃描電波流速儀投入長江和黃河流域水文站的試驗(yàn)和應(yīng)用中[19-20]。

4.2 技術(shù)指標(biāo)和適用性

基于對國內(nèi)外同類常見流速儀的對比，目前電波流速儀的技術(shù)指標(biāo)如表5和表6所示。 表5中調(diào)研對比了Stalker SVR流速儀系列、OTT系列、RG30型雷達(dá)測流儀等，選取國產(chǎn)HR 20A型作為典型技術(shù)指標(biāo)代表。表6中調(diào)研對比了CODAR的River Sonde系列、國內(nèi)研發(fā)的相關(guān)儀器等，選取了國產(chǎn)Ridar-200作為典型技術(shù)指標(biāo)代表。

表5 點(diǎn)式電波流速儀主要技術(shù)指標(biāo)

表6 掃描式電波流速儀主要技術(shù)指標(biāo)

相對傳統(tǒng)的流速儀而言，電波流速儀具有量程大、響應(yīng)快速且不受漂浮物影響等特點(diǎn)。其中手持點(diǎn)式電波流速儀便攜、操作便捷，經(jīng)常用于防洪和抗洪救災(zāi)的水文測驗(yàn)中，如堰塞湖流速監(jiān)測、高洪期間流速監(jiān)測等情形。掃描電波流速儀適用于測驗(yàn)大范圍的表層流場，用于重點(diǎn)監(jiān)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?yàn)榘l(fā)射和接收角度的關(guān)系，靠近收發(fā)天線的近距離內(nèi)存在一定盲區(qū)(見指標(biāo)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(guān)，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(shù)的應(yīng)用仍具有一定發(fā)展前景。

5 結(jié) 語

從流速儀的保有量上看，目前的河流流速水文測驗(yàn)以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀和ADCP為主；就大江大河的測驗(yàn)而言，ADCP的測驗(yàn)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(bǔ)充甚至取代轉(zhuǎn)子式流速儀和ADCP進(jìn)行流速測量，尤其是在洪水期的水情監(jiān)測等情景下，手持點(diǎn)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(shù)指標(biāo)和監(jiān)測與測驗(yàn)效率上看，ADCP和電波流速儀響應(yīng)快、效率高，且在實(shí)時監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用上已經(jīng)成熟。

本文僅闡述了常見流速儀的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和適用性，隨著水文監(jiān)測創(chuàng)新工作的推進(jìn)和儀器技術(shù)的發(fā)展，流速儀的技術(shù)應(yīng)用將得到進(jìn)一步改進(jìn)，流速儀的適應(yīng)性將得到進(jìn)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(shù)改進(jìn)前景，包括儀器本身的設(shè)計、制作工藝上的改進(jìn)以及儀器應(yīng)用技術(shù)的改進(jìn)。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(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建議結(jié)合水文測驗(yàn)和監(jiān)測工作實(shí)際，盡早組織出臺相關(guān)的儀器標(biāo)準(zhǔn)及測驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。