張松吉 ，李 鵬 ，馬松根 ，張宏達(dá) ，王 福

（1. 河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南 駐馬店 463000；2. 黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001；3. 河南省水文水資源局，河南 鄭州 450000）

0 引言

流量是水文測(cè)驗(yàn)的重要工作內(nèi)容之一。目前在一些水文站中都建有水文纜道，流量測(cè)驗(yàn)主要是利用水文纜道運(yùn)載平臺(tái)進(jìn)行施測(cè)測(cè)驗(yàn)的。流量測(cè)驗(yàn)主要以轉(zhuǎn)子式流速儀為主，其流速測(cè)量準(zhǔn)確、制造技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易掌握、使用方便、性能可靠、便于維修、適用范圍較廣，以其它相對(duì)測(cè)驗(yàn)精度較低的儀器設(shè)備或方式為輔。這與我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)高要求的測(cè)驗(yàn)規(guī)范[1]31，長(zhǎng)期有人駐站工作相適應(yīng)?，F(xiàn)在，隨著我國(guó)對(duì)中小河流防洪的重視，越來越多無人值守的水文巡測(cè)站在中小河流上設(shè)立。另外，現(xiàn)在各地相繼成立了縣級(jí)水文局或水文測(cè)報(bào)中心，對(duì)基本水文站也逐步采取了區(qū)、塊巡測(cè)的模式。

水文巡測(cè)指水文專業(yè)人員以巡回流動(dòng)的方式，定期或不定期對(duì)一個(gè)地區(qū)或流域內(nèi)水文測(cè)站或斷面的水文要素進(jìn)行觀測(cè)作業(yè)[2]。

如果對(duì)沒有水文纜道的水文站或斷面進(jìn)行流量巡測(cè)，需要有合適的巡測(cè)儀器設(shè)備。但目前現(xiàn)有流量巡測(cè)的儀器設(shè)備，能否滿足流量巡測(cè)，還需要進(jìn)一步探討。通過現(xiàn)狀分析，希望能夠引起對(duì)當(dāng)前流量巡測(cè)儀器設(shè)備存在問題的重視，希望能有更適合流量巡測(cè)的儀器設(shè)備被研制出來。

目前能用于水文巡測(cè)的測(cè)流儀器設(shè)備主要有水文橋測(cè)車、走航式 ADCP、電波流速儀、電磁流速儀、手持懸掛式流速儀橋測(cè)測(cè)流設(shè)備和側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)等。

1 水文橋測(cè)車

水文橋測(cè)車是橋上測(cè)流的一種設(shè)備，為減少橋墩對(duì)水流的影響，橋測(cè)車測(cè)流時(shí)，斷面都布設(shè)在橋的上游。

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

水文橋測(cè)車由運(yùn)載車、起重吊車、絞車及流速儀等組成。

1.2 測(cè)流原理

對(duì)過水?dāng)嗝嫒舾蓚€(gè)測(cè)線、測(cè)點(diǎn)的流速和斷面水深進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

1.3 測(cè)流過程

利用橋測(cè)車上的吊臂和絞車將裝有轉(zhuǎn)子式流速儀的鉛魚放入水中，測(cè)定某條測(cè)深測(cè)速垂線上的流速和水深（水深也可根據(jù)水位-斷面圖查得），然后將橋測(cè)車移動(dòng)到另一條垂線的位置，重復(fù)這一過程，通過測(cè)定多條垂線上的流速和水深，最后計(jì)算出過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

1.4 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，適合巡測(cè)。測(cè)流速用的是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀，如果流速儀出現(xiàn)故障，一般工作人員可以現(xiàn)場(chǎng)解決，實(shí)用性比較強(qiáng)。

2）缺點(diǎn)。目前的橋測(cè)車由于受自身?xiàng)l件的限制，只能在橋墩附近測(cè)量。在低水時(shí)由于橋墩裸露或者淤積的泥沙會(huì)把水流分割成多股；在洪水時(shí)無法避開受橋墩影響的水流及橋墩附近不斷沖淤變化的斷面，造成無法測(cè)量或測(cè)驗(yàn)誤差增大。河海大學(xué)近期對(duì)不同墩型不同斷面的流量等項(xiàng)目進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，離開橋墩 3 或 4 m，與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面（距橋墩 156 和 135 m 處）的流量平均相對(duì)誤差小于 2%，觀測(cè)精度較好，適宜作為觀測(cè)斷面[3]。在橋墩前布設(shè)測(cè)流斷面，測(cè)流結(jié)果存在一定誤差，并且流速越大，橋墩對(duì)水流的影響越大，同時(shí)由于吊臂離水面距離較大，鉛魚在水流的沖擊下偏距也越大，鉛魚離橋墩就越近，基本無法滿足離開橋墩3 或 4 m 的距離，從而使測(cè)驗(yàn)結(jié)果誤差也越大。陜西省漢中水文水資源勘測(cè)局洋縣水文站利用橋測(cè)車測(cè)流，經(jīng)過多年實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在平均水深大于 2.5 m的高水時(shí)，流速大，水草多。使用小鉛魚無法測(cè)深，使用大鉛魚施測(cè)水深，偏角較大，加之水草較多，不安全，水深的可靠性差[4]。因此，橋測(cè)車在流速較高時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)精度低于水文纜道，橋測(cè)車比較適合流速較低的中低水并且水面上漂浮物較少的流量測(cè)驗(yàn)工作。

現(xiàn)在很多橋梁的兩邊都有人行道和路燈桿，在一定程度上限制了橋測(cè)車的使用。

2 走航式 ADCP

走航式 ADCP 具有不擾動(dòng)流場(chǎng)、分辨力高、測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短、測(cè)速范圍大、精度高等特點(diǎn)，被廣泛用于海洋、河口、湖泊、水庫等水體的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查，流速和流量測(cè)驗(yàn)，工程應(yīng)用等方面，近些年在我國(guó)基層水文站廣泛應(yīng)用。

2.1 儀器結(jié)構(gòu)

走航式 ADCP 主要由聲束換能器、電子部件、磁通門羅盤、傾斜計(jì)、溫度傳感器、底跟蹤固件等組成，具有 DGPS，RS-232 或 RS-422 等數(shù)據(jù)通信接口。

2.2 工作原理

ADCP 是利用聲學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)流的。在工作時(shí)，由儀器發(fā)出聲波，再接收水中懸浮物或氣泡的反射波。懸浮物或氣泡隨水體漂移，使回波信號(hào)的頻率發(fā)生變化，即回波信號(hào)的頻率與發(fā)射的頻率之間產(chǎn)生一個(gè)頻差即多普勒位移，測(cè)出位移，即可算出水流的速度。同時(shí)由于走航式 ADCP 測(cè)量時(shí)測(cè)船在運(yùn)動(dòng)著，測(cè)得的是相對(duì)于地球坐標(biāo)的流速和船速矢量的合成，走航式 ADCP 還向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，利用固定不動(dòng)河底的多普勒位移測(cè)得測(cè)船的運(yùn)動(dòng)速度、方向，然后將水流相對(duì)速度扣除船速得到水流的絕對(duì)速度。

走航式 ADCP 將測(cè)流斷面劃分成若干個(gè)單元，在每個(gè)單元里都測(cè)量流速和水深，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出各單元的流量，當(dāng)走航式 ADCP 橫跨整個(gè)斷面完成半個(gè)測(cè)回后，總流量可通過各單元流量累加得到。

2.3 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。走航式 ADCP 的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、便于攜帶、測(cè)流速度快，特別適用于大江大河、河口、洪水時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)[5]250。

2）缺點(diǎn)。若河底有沖淤變化，采用底跟蹤定位失效，此時(shí)需要用 GPS 定位系統(tǒng)代替河底跟蹤系統(tǒng)，但在有些山區(qū) GPS 信號(hào)并不是很好，特別是海拔較高的深溝河段，根本無法接收到 GPS 信號(hào)。并且還存在著盲區(qū)，設(shè)備價(jià)格較貴，技術(shù)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，使用者不會(huì)或無法維修，例如，駐馬店水文水資源勘測(cè)局泌陽水文站在 2018 年 7 月的 1 次流量測(cè)驗(yàn)中，攜帶 1 臺(tái)走航式 ADCP 到孫莊巡測(cè)站測(cè)流，使用時(shí)發(fā)現(xiàn) ADCP 不能正常工作，經(jīng)檢查電臺(tái)工作正常，在調(diào)整相關(guān)參數(shù)、更換電量充足的電池（因?yàn)殡姵仉妷航档揭欢ǔ潭葧r(shí) ADCP 主機(jī)也不能正常工作）后，仍然沒有任何作用，結(jié)果洪水消退了，流量也未測(cè)到。后來經(jīng)檢測(cè)是換能器不能正常工作，如果要維修需要空運(yùn)到美國(guó)廠家。

走航式 ADCP 在經(jīng)過一定的距離運(yùn)輸或存放一段時(shí)間重新使用時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生不能正常工作的情況。如 2018 年 6 月，駐馬店水文水資源勘測(cè)局在泌陽縣泌河上進(jìn)行防洪演練時(shí)，4 臺(tái) ADCP 僅 1 臺(tái)在安裝后可以正常使用，1 臺(tái)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后才能正常工作，1 臺(tái)信號(hào)不穩(wěn)定，1 臺(tái)不能工作。

走航式 ADCP 對(duì)測(cè)流環(huán)境有一定要求。含沙量和流速較大時(shí)，不能測(cè)得滿意的數(shù)據(jù)，聲波要穿越較大含沙量的較深水體時(shí)，應(yīng)該使用較低頻率，而較低頻率在水中的測(cè)量性能又低于較高頻率，造成了使用上的限制[1]96。此外水溫、水深、河寬、紊流強(qiáng)度、鹽度、磁場(chǎng)等，也會(huì)對(duì)流量的測(cè)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。

走航式 ADCP 測(cè)速時(shí)一個(gè)基本假設(shè)是反射聲波信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移的水中懸浮物或氣泡和水流等速運(yùn)動(dòng)[1]92。實(shí)際上水中懸浮物或氣泡除隨水流運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于水流又有自身上下左右的運(yùn)動(dòng)速度，這種情況與假定有明顯的出入。

走航式 ADCP 在流速大的洪水期間利用橋梁進(jìn)行巡測(cè)測(cè)流會(huì)存在較大誤差，甚至無法使用。如2018 年 7 月 28 日駐馬店水文水資源勘測(cè)局蘆莊水文站所在的河流爆發(fā)山洪，最大流速約為 3 m/s。水文局搶險(xiǎn)突擊隊(duì)在橋梁上利用繩索牽引走航式ACDP 測(cè)流，由于水面波浪大，走航式 ADCP 不僅多次被波浪打翻，還多次被拋離水面，造成換能器暴露在空氣中，引起信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)，雖經(jīng)往返 20 多次測(cè)量，也沒有測(cè)得符合要求的結(jié)果，僅有 3 次相近的數(shù)據(jù)也與利用流速儀和浮標(biāo)測(cè)得結(jié)果所定的關(guān)系曲線相差甚遠(yuǎn)，流量明顯偏小，數(shù)據(jù)未被采用。因此走航式 ADCP 并不適應(yīng)中小河流爆發(fā)山洪期間的巡測(cè)。

走航式 ADCP 雖然測(cè)流速度快，但測(cè)驗(yàn)歷時(shí)短，有利也有弊，測(cè)驗(yàn)值受流速脈動(dòng)影響偏大，可信度較低[6]。

影響走航式 ADCP 的測(cè)流因素很多，測(cè)得結(jié)果并不十分穩(wěn)定，因此在投入使用前，應(yīng)與轉(zhuǎn)子式流速儀法數(shù)據(jù)，在各種水文條件下進(jìn)行比測(cè)，最后確定能否應(yīng)用。否則，測(cè)得的數(shù)據(jù)可能不可靠。比測(cè)分析報(bào)告應(yīng)包括測(cè)驗(yàn)河段水文特性、測(cè)站特征等內(nèi)容[5]254。

3 電波流速儀

電波流速儀是測(cè)量水面流速的非接觸式流速測(cè)量?jī)x器。

3.1 儀器結(jié)構(gòu)

電波流速儀主要由探測(cè)頭、信號(hào)處理機(jī)、電池等組成。

3.2 工作原理

電波流速儀是一種利用多普勒原理制造的測(cè)速儀器。在測(cè)速時(shí)，電波流速儀向水面發(fā)射微波，同時(shí)接收水面的反射波，測(cè)出反射波信號(hào)和發(fā)射波信號(hào)的頻率差就可計(jì)算出水面流速。

3.3 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。利用電波流速儀可在橋上或河岸上測(cè)量一定距離處的水面流速，測(cè)流速時(shí)不受水體水質(zhì)、流態(tài)、含沙量、漂浮物等的影響，具有操作方便、安全、測(cè)量時(shí)間短、速度快等特點(diǎn)。電波流速儀尤其適合洪水時(shí)的水面流速測(cè)量。

此外，電波流速儀體積小，重量輕，便于攜帶，更適合巡測(cè)。

2）缺點(diǎn)。電波流速儀只能測(cè)量水面流速，無法利用多點(diǎn)法施測(cè)不同水深處的流速；電波流速儀的低速測(cè)量效果不好，流速測(cè)量的低速端較高，通常在 0.5 m/s 以上[5]215。

電波流速儀測(cè)得的是水面波浪或水面漂浮物的速度，與水面流速并不完全一致。

電波流速儀在測(cè)速時(shí)要用俯角和水平角的余弦進(jìn)行流速計(jì)算，這些角度都是針對(duì)聲束角中軸線而言的。電波波束會(huì)有 10° 左右的波束角，斜向發(fā)射到水面上，會(huì)在水面上形成 1 個(gè)近似橢圓形的投影，在此投影內(nèi)的任何一點(diǎn)強(qiáng)反射，都可能是測(cè)點(diǎn)的流速，使測(cè)速點(diǎn)的位置有很大的不確定性，測(cè)速的準(zhǔn)確性低于轉(zhuǎn)子式流速儀[5]215。

駐馬店水文水資源勘測(cè)局泌陽和立新水文站在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電波流速儀遇到風(fēng)雨時(shí)，顯示的流速跳躍變化很大，這是因?yàn)榭罩械挠挈c(diǎn)或其它質(zhì)點(diǎn)都會(huì)引起強(qiáng)反射，誤認(rèn)為是測(cè)點(diǎn)的流速造成的。然而在洪水期間往往都有風(fēng)雨現(xiàn)象出現(xiàn)，因此電波流速儀在遇到有風(fēng)雨的洪水期間幾乎是無法使用的。

電波流速儀一旦出現(xiàn)故障，維修對(duì)基層水文工作者是一個(gè)難題。

在野外使用電波流速儀時(shí)，往往都要用轉(zhuǎn)子式流速儀同步測(cè)速，以轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)得的值為準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，比測(cè)結(jié)果應(yīng)不超過允許范圍。

4 電磁流速儀

測(cè)量點(diǎn)流速的電磁流速儀可用于流量巡測(cè)。

4.1 儀器結(jié)構(gòu)

電磁流速儀主要由傳感器和控制測(cè)量?jī)x構(gòu)成，儀器安裝在測(cè)桿上。

4.2 工作原理

電磁流速儀是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律原理制成的。在工作時(shí)電磁點(diǎn)流速儀直接在貼近儀器表面處產(chǎn)生一個(gè)人造磁場(chǎng)，測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電極，測(cè)出此處的流速。

4.3 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。電磁流速儀測(cè)流速度快；無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，頭部不易纏繞水草；體積小，便于攜帶。

2）缺點(diǎn)。電磁流速儀測(cè)量的水體必須要有一定的導(dǎo)電率；若水流的速度較低，水體的導(dǎo)電能力又差，則電磁流速儀的測(cè)量結(jié)果就會(huì)差；電磁流速儀易受外界電磁干擾的影響。

在野外應(yīng)用，影響因素太多，各種數(shù)值都有誤差，計(jì)算結(jié)果也有較大的不確定性，故測(cè)速準(zhǔn)確度不會(huì)太高。在應(yīng)用時(shí)必須從水下接出 1 根電纜，影響了應(yīng)用范圍[1]103。

實(shí)際上，測(cè)量點(diǎn)流速的電磁流速儀與用測(cè)桿安裝的轉(zhuǎn)子式流速儀的作用相同。適用于淺水河流、渠道，在涉水測(cè)流、橋測(cè)、船測(cè)時(shí)應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)使用中需要經(jīng)常和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行比測(cè)率定[1]103。

5 手持懸掛式流速儀橋測(cè)測(cè)流設(shè)備

手持懸掛式流速儀橋測(cè)測(cè)流設(shè)備是駐馬店水文局遂平水文站研制的一種簡(jiǎn)易的橋測(cè)測(cè)流設(shè)備。

5.1 儀器結(jié)構(gòu)

手持懸掛式流速儀橋測(cè)測(cè)流設(shè)備主要由帶刻度的繩索、重錘等組成，重錘上安裝轉(zhuǎn)子式流速儀。

5.2 工作原理

手持懸掛式流速儀橋測(cè)測(cè)流設(shè)備對(duì)過水?dāng)嗝嫒舾蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)的流速測(cè)量和斷面水深測(cè)量，然后計(jì)算出過水?dāng)嗝媪髁俊?/p>

5.3 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于攜帶，測(cè)速準(zhǔn)確，便于維護(hù)維修。

2）缺點(diǎn)。重錘質(zhì)量?jī)H為 4 kg，遇到較大流速時(shí)，重錘會(huì)發(fā)生漂移，造成繩索偏角大，水深測(cè)不準(zhǔn)，流速測(cè)驗(yàn)誤差大，僅適合流速低于 1.0 m/s 時(shí)的流量測(cè)驗(yàn)工作。此外，使用時(shí)靠人力升降，不方便也比較費(fèi)力。

6 側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)

便攜式側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)可用于流量的巡測(cè)。

6.1 儀器結(jié)構(gòu)

側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)平臺(tái)、射頻線纜、綜合機(jī)箱、通信設(shè)備等組成。

6.2 工作原理

側(cè)掃雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)測(cè)速，在原理上其實(shí)是一部脈沖多普勒雷達(dá)，與其它多普勒雷達(dá)相比，它充分利用了水面的布拉格（Bragg）散射特性。通過對(duì)水流表面流速測(cè)量，將流速數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)平臺(tái)通過斷面資料、水位和流速數(shù)據(jù)合成流量數(shù)據(jù)。

6.3 特點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)。側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)屬于非接觸式，安全性好；采用脈沖多普勒體制，點(diǎn)頻工作，雖然成本高，但性能很好[7]33；便于攜帶，自動(dòng)化程度高，適合巡測(cè)。

2）缺點(diǎn)。便攜式側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)，測(cè)量河段的最小寬度為 30 m，距離分辨率為 10 m，但中小河流河道的寬度一般為數(shù) 10 m，在中小河上應(yīng)用受到一定的限制。只能測(cè)水面流速。

現(xiàn)階段側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，其中最重要的是最大流速限制，這個(gè)參數(shù)決定了系統(tǒng)誤差。如果是低流速模式，則無法在高流速的環(huán)境中使用；但高流速模式在低流速的環(huán)境中測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差會(huì)比較大[7]36。但河道一般都是復(fù)式斷面，洪水時(shí)主槽流速大，漫灘部分流速較低，在這種情況下測(cè)量結(jié)果誤差較大。

側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)易受電磁干擾，在雷雨天氣運(yùn)用會(huì)受到一定的影響，甚至無法使用。

7 結(jié)語

1）用于巡測(cè)的測(cè)流儀器設(shè)備在中小河流爆發(fā)山洪及有風(fēng)雨、雷電時(shí)，還存在著無法滿足流量巡測(cè)的問題，甚至出現(xiàn)無合適儀器設(shè)備可用的困境。

2）在開發(fā)研制水文巡測(cè)測(cè)流儀器設(shè)備時(shí)，應(yīng)該考慮如下問題：a.是否適合巡測(cè)，因?yàn)檠矞y(cè)時(shí)需要攜帶儀器東奔西跑，路程幾十甚至上百千米，道路又不好，儀器可能到達(dá)目的地時(shí)就已損壞了；b. 能否適應(yīng)惡劣的天氣和水情條件，巡測(cè)時(shí)往往都是這樣的天氣和水情狀況；c. 到達(dá)巡測(cè)地點(diǎn)時(shí)能否快速安裝并投入使用，中小河洪水漲落較快，如果安裝調(diào)試時(shí)間過長(zhǎng)，洪水就消退了；d. 同時(shí)也應(yīng)該考慮基層水文職工對(duì)儀器的操控能力和維護(hù)維修水平，增加儀器的實(shí)用性。

3）在研究聲學(xué)、雷達(dá)流速儀器的應(yīng)用方法和適用范圍外，利用轉(zhuǎn)子式流速儀測(cè)流的巡測(cè)儀器設(shè)備還有待進(jìn)一步創(chuàng)新，以滿足在惡劣天氣及各種水情條件下的流量巡測(cè)工作，并且提高流速較高情況下的測(cè)流精度，以滿足其它測(cè)流儀器設(shè)備與轉(zhuǎn)子式流速儀比測(cè)的要求。