水文巡测测流仪器设备现状

张松吉 ，李 鹏 ，马松根 ，张宏达 ，王 福

（1. 河南省驻马店水文水资源勘测局，河南 驻马店 463000；2. 黑龙江省水文水资源中心，黑龙江 哈尔滨 150001；3. 河南省水文水资源局，河南 郑州 450000）

0 引言

流量是水文测验的重要工作内容之一。目前在一些水文站中都建有水文缆道，流量测验主要是利用水文缆道运载平台进行施测测验的。流量测验主要以转子式流速仪为主，其流速测量准确、制造技术成熟、结构简单、容易掌握、使用方便、性能可靠、便于维修、适用范围较广，以其它相对测验精度较低的仪器设备或方式为辅。这与我国水文测验高要求的测验规范[1]31，长期有人驻站工作相适应。现在，随着我国对中小河流防洪的重视，越来越多无人值守的水文巡测站在中小河流上设立。另外，现在各地相继成立了县级水文局或水文测报中心，对基本水文站也逐步采取了区、块巡测的模式。

水文巡测指水文专业人员以巡回流动的方式，定期或不定期对一个地区或流域内水文测站或断面的水文要素进行观测作业[2]。

如果对没有水文缆道的水文站或断面进行流量巡测，需要有合适的巡测仪器设备。但目前现有流量巡测的仪器设备，能否满足流量巡测，还需要进一步探讨。通过现状分析，希望能够引起对当前流量巡测仪器设备存在问题的重视，希望能有更适合流量巡测的仪器设备被研制出来。

目前能用于水文巡测的测流仪器设备主要有水文桥测车、走航式 ADCP、电波流速仪、电磁流速仪、手持悬挂式流速仪桥测测流设备和侧扫雷达测流系统等。

1 水文桥测车

水文桥测车是桥上测流的一种设备，为减少桥墩对水流的影响，桥测车测流时，断面都布设在桥的上游。

1.1 仪器结构

水文桥测车由运载车、起重吊车、绞车及流速仪等组成。

1.2 测流原理

对过水断面若干个测线、测点的流速和断面水深进行测量，计算出过水断面流量。

1.3 测流过程

利用桥测车上的吊臂和绞车将装有转子式流速仪的铅鱼放入水中，测定某条测深测速垂线上的流速和水深（水深也可根据水位-断面图查得），然后将桥测车移动到另一条垂线的位置，重复这一过程，通过测定多条垂线上的流速和水深，最后计算出过水断面流量。

1.4 特点

1）优点。机动性强，适合巡测。测流速用的是传统的转子式流速仪，如果流速仪出现故障，一般工作人员可以现场解决，实用性比较强。

2）缺点。目前的桥测车由于受自身条件的限制，只能在桥墩附近测量。在低水时由于桥墩裸露或者淤积的泥沙会把水流分割成多股；在洪水时无法避开受桥墩影响的水流及桥墩附近不断冲淤变化的断面，造成无法测量或测验误差增大。河海大学近期对不同墩型不同断面的流量等项目进行了模拟实验，结果显示，离开桥墩 3 或 4 m，与相对标准断面（距桥墩 156 和 135 m 处）的流量平均相对误差小于 2%，观测精度较好，适宜作为观测断面[3]。在桥墩前布设测流断面，测流结果存在一定误差，并且流速越大，桥墩对水流的影响越大，同时由于吊臂离水面距离较大，铅鱼在水流的冲击下偏距也越大，铅鱼离桥墩就越近，基本无法满足离开桥墩3 或 4 m 的距离，从而使测验结果误差也越大。陕西省汉中水文水资源勘测局洋县水文站利用桥测车测流，经过多年实践发现，在平均水深大于 2.5 m的高水时，流速大，水草多。使用小铅鱼无法测深，使用大铅鱼施测水深，偏角较大，加之水草较多，不安全，水深的可靠性差[4]。因此，桥测车在流速较高时的流量测验精度低于水文缆道，桥测车比较适合流速较低的中低水并且水面上漂浮物较少的流量测验工作。

现在很多桥梁的两边都有人行道和路灯杆，在一定程度上限制了桥测车的使用。

2 走航式 ADCP

走航式 ADCP 具有不扰动流场、分辨力高、测验历时短、测速范围大、精度高等特点，被广泛用于海洋、河口、湖泊、水库等水体的流场结构调查，流速和流量测验，工程应用等方面，近些年在我国基层水文站广泛应用。

2.1 仪器结构

走航式 ADCP 主要由声束换能器、电子部件、磁通门罗盘、倾斜计、温度传感器、底跟踪固件等组成，具有 DGPS，RS-232 或 RS-422 等数据通信接口。

2.2 工作原理

ADCP 是利用声学多普勒效应进行测流的。在工作时，由仪器发出声波，再接收水中悬浮物或气泡的反射波。悬浮物或气泡随水体漂移，使回波信号的频率发生变化，即回波信号的频率与发射的频率之间产生一个频差即多普勒位移，测出位移，即可算出水流的速度。同时由于走航式 ADCP 测量时测船在运动着，测得的是相对于地球坐标的流速和船速矢量的合成，走航式 ADCP 还向河底发射底跟踪声脉冲，利用固定不动河底的多普勒位移测得测船的运动速度、方向，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。

走航式 ADCP 将测流断面划分成若干个单元，在每个单元里都测量流速和水深，由计算机计算出各单元的流量，当走航式 ADCP 横跨整个断面完成半个测回后，总流量可通过各单元流量累加得到。

2.3 特点

1）优点。走航式 ADCP 的主要优点是体积小、便于携带、测流速度快，特别适用于大江大河、河口、洪水时的流量测验[5]250。

2）缺点。若河底有冲淤变化，采用底跟踪定位失效，此时需要用 GPS 定位系统代替河底跟踪系统，但在有些山区 GPS 信号并不是很好，特别是海拔较高的深沟河段，根本无法接收到 GPS 信号。并且还存在着盲区，设备价格较贵，技术复杂，一旦出现问题，使用者不会或无法维修，例如，驻马店水文水资源勘测局泌阳水文站在 2018 年 7 月的 1 次流量测验中，携带 1 台走航式 ADCP 到孙庄巡测站测流，使用时发现 ADCP 不能正常工作，经检查电台工作正常，在调整相关参数、更换电量充足的电池（因为电池电压降到一定程度时 ADCP 主机也不能正常工作）后，仍然没有任何作用，结果洪水消退了，流量也未测到。后来经检测是换能器不能正常工作，如果要维修需要空运到美国厂家。

走航式 ADCP 在经过一定的距离运输或存放一段时间重新使用时，有时会发生不能正常工作的情况。如 2018 年 6 月，驻马店水文水资源勘测局在泌阳县泌河上进行防洪演练时，4 台 ADCP 仅 1 台在安装后可以正常使用，1 台经过反复调试后才能正常工作，1 台信号不稳定，1 台不能工作。

走航式 ADCP 对测流环境有一定要求。含沙量和流速较大时，不能测得满意的数据，声波要穿越较大含沙量的较深水体时，应该使用较低频率，而较低频率在水中的测量性能又低于较高频率，造成了使用上的限制[1]96。此外水温、水深、河宽、紊流强度、盐度、磁场等，也会对流量的测验结果造成一定的影响。

走航式 ADCP 测速时一个基本假设是反射声波信号产生多普勒频移的水中悬浮物或气泡和水流等速运动[1]92。实际上水中悬浮物或气泡除随水流运动时，相对于水流又有自身上下左右的运动速度，这种情况与假定有明显的出入。

走航式 ADCP 在流速大的洪水期间利用桥梁进行巡测测流会存在较大误差，甚至无法使用。如2018 年 7 月 28 日驻马店水文水资源勘测局芦庄水文站所在的河流爆发山洪，最大流速约为 3 m/s。水文局抢险突击队在桥梁上利用绳索牵引走航式ACDP 测流，由于水面波浪大，走航式 ADCP 不仅多次被波浪打翻，还多次被抛离水面，造成换能器暴露在空气中，引起信号断断续续，虽经往返 20 多次测量，也没有测得符合要求的结果，仅有 3 次相近的数据也与利用流速仪和浮标测得结果所定的关系曲线相差甚远，流量明显偏小，数据未被采用。因此走航式 ADCP 并不适应中小河流爆发山洪期间的巡测。

走航式 ADCP 虽然测流速度快，但测验历时短，有利也有弊，测验值受流速脉动影响偏大，可信度较低[6]。

影响走航式 ADCP 的测流因素很多，测得结果并不十分稳定，因此在投入使用前，应与转子式流速仪法数据，在各种水文条件下进行比测，最后确定能否应用。否则，测得的数据可能不可靠。比测分析报告应包括测验河段水文特性、测站特征等内容[5]254。

3 电波流速仪

电波流速仪是测量水面流速的非接触式流速测量仪器。

3.1 仪器结构

电波流速仪主要由探测头、信号处理机、电池等组成。

3.2 工作原理

电波流速仪是一种利用多普勒原理制造的测速仪器。在测速时，电波流速仪向水面发射微波，同时接收水面的反射波，测出反射波信号和发射波信号的频率差就可计算出水面流速。

3.3 特点

1）优点。利用电波流速仪可在桥上或河岸上测量一定距离处的水面流速，测流速时不受水体水质、流态、含沙量、漂浮物等的影响，具有操作方便、安全、测量时间短、速度快等特点。电波流速仪尤其适合洪水时的水面流速测量。

此外，电波流速仪体积小，重量轻，便于携带，更适合巡测。

2）缺点。电波流速仪只能测量水面流速，无法利用多点法施测不同水深处的流速；电波流速仪的低速测量效果不好，流速测量的低速端较高，通常在 0.5 m/s 以上[5]215。

电波流速仪测得的是水面波浪或水面漂浮物的速度，与水面流速并不完全一致。

电波流速仪在测速时要用俯角和水平角的余弦进行流速计算，这些角度都是针对声束角中轴线而言的。电波波束会有 10° 左右的波束角，斜向发射到水面上，会在水面上形成 1 个近似椭圆形的投影，在此投影内的任何一点强反射，都可能是测点的流速，使测速点的位置有很大的不确定性，测速的准确性低于转子式流速仪[5]215。

驻马店水文水资源勘测局泌阳和立新水文站在实际应用中发现，电波流速仪遇到风雨时，显示的流速跳跃变化很大，这是因为空中的雨点或其它质点都会引起强反射，误认为是测点的流速造成的。然而在洪水期间往往都有风雨现象出现，因此电波流速仪在遇到有风雨的洪水期间几乎是无法使用的。

电波流速仪一旦出现故障，维修对基层水文工作者是一个难题。

在野外使用电波流速仪时，往往都要用转子式流速仪同步测速，以转子式流速仪测得的值为准进行比对，比测结果应不超过允许范围。

4 电磁流速仪

测量点流速的电磁流速仪可用于流量巡测。

4.1 仪器结构

电磁流速仪主要由传感器和控制测量仪构成，仪器安装在测杆上。

4.2 工作原理

电磁流速仪是根据法拉第电磁感应定律原理制成的。在工作时电磁点流速仪直接在贴近仪器表面处产生一个人造磁场，测量感应电动势的电极，测出此处的流速。

4.3 特点

1）优点。电磁流速仪测流速度快；无转动部件，头部不易缠绕水草；体积小，便于携带。

2）缺点。电磁流速仪测量的水体必须要有一定的导电率；若水流的速度较低，水体的导电能力又差，则电磁流速仪的测量结果就会差；电磁流速仪易受外界电磁干扰的影响。

在野外应用，影响因素太多，各种数值都有误差，计算结果也有较大的不确定性，故测速准确度不会太高。在应用时必须从水下接出 1 根电缆，影响了应用范围[1]103。

实际上，测量点流速的电磁流速仪与用测杆安装的转子式流速仪的作用相同。适用于浅水河流、渠道，在涉水测流、桥测、船测时应用。

现场使用中需要经常和标准转子式流速仪进行比测率定[1]103。

5 手持悬挂式流速仪桥测测流设备

手持悬挂式流速仪桥测测流设备是驻马店水文局遂平水文站研制的一种简易的桥测测流设备。

5.1 仪器结构

手持悬挂式流速仪桥测测流设备主要由带刻度的绳索、重锤等组成，重锤上安装转子式流速仪。

5.2 工作原理

手持悬挂式流速仪桥测测流设备对过水断面若干个测点的流速测量和断面水深测量，然后计算出过水断面流量。

5.3 特点

1）优点。结构简单，操作方便，便于携带，测速准确，便于维护维修。

2）缺点。重锤质量仅为 4 kg，遇到较大流速时，重锤会发生漂移，造成绳索偏角大，水深测不准，流速测验误差大，仅适合流速低于 1.0 m/s 时的流量测验工作。此外，使用时靠人力升降，不方便也比较费力。

6 侧扫雷达测流系统

便携式侧扫雷达测流系统可用于流量的巡测。

6.1 仪器结构

侧扫雷达测流系统主要由数据平台、射频线缆、综合机箱、通信设备等组成。

6.2 工作原理

侧扫雷达利用多普勒效应测速，在原理上其实是一部脉冲多普勒雷达，与其它多普勒雷达相比，它充分利用了水面的布拉格（Bragg）散射特性。通过对水流表面流速测量，将流速数据发送到数据平台，数据平台通过断面资料、水位和流速数据合成流量数据。

6.3 特点

1）优点。侧扫雷达测流系统属于非接触式，安全性好；采用脉冲多普勒体制，点频工作，虽然成本高，但性能很好[7]33；便于携带，自动化程度高，适合巡测。

2）缺点。便携式侧扫雷达测流系统，测量河段的最小宽度为 30 m，距离分辨率为 10 m，但中小河流河道的宽度一般为数 10 m，在中小河上应用受到一定的限制。只能测水面流速。

现阶段侧扫雷达测流系统在应用时需要设置系统参数，其中最重要的是最大流速限制，这个参数决定了系统误差。如果是低流速模式，则无法在高流速的环境中使用；但高流速模式在低流速的环境中测量，测量结果的系统误差会比较大[7]36。但河道一般都是复式断面，洪水时主槽流速大，漫滩部分流速较低，在这种情况下测量结果误差较大。

侧扫雷达测流系统易受电磁干扰，在雷雨天气运用会受到一定的影响，甚至无法使用。

7 结语

1）用于巡测的测流仪器设备在中小河流爆发山洪及有风雨、雷电时，还存在着无法满足流量巡测的问题，甚至出现无合适仪器设备可用的困境。

2）在开发研制水文巡测测流仪器设备时，应该考虑如下问题：a.是否适合巡测，因为巡测时需要携带仪器东奔西跑，路程几十甚至上百千米，道路又不好，仪器可能到达目的地时就已损坏了；b. 能否适应恶劣的天气和水情条件，巡测时往往都是这样的天气和水情状况；c. 到达巡测地点时能否快速安装并投入使用，中小河洪水涨落较快，如果安装调试时间过长，洪水就消退了；d. 同时也应该考虑基层水文职工对仪器的操控能力和维护维修水平，增加仪器的实用性。

3）在研究声学、雷达流速仪器的应用方法和适用范围外，利用转子式流速仪测流的巡测仪器设备还有待进一步创新，以满足在恶劣天气及各种水情条件下的流量巡测工作，并且提高流速较高情况下的测流精度，以满足其它测流仪器设备与转子式流速仪比测的要求。