山东省河道自动测流技术应用研究及探讨

李洪涛 董小吉 李勇刚

2019年9 月份，水利部印发了《水文现代化建设技术装备有关要求》（以下简称《要求》），加大了水文测报先进技术装备应用指导和推进力度，有力推进了水文现代化进程。河道流量测验是水文测报的重要工作内容之一，《要求》中着重予以明确，提出一系列规范应用，为下一步发展指明了方向。

一、现状自动测流技术应用概况

根据河道流量测验规范，流量测验可根据水文测站测验任务要求，选用声学多普勒流速剖面仪法、雷达测速、声学时差法、比降面积法、图像识别技术、水工建筑物与堰槽测流等方式方法。在升级改造自动化缆道同时，山东省内应用较多的自动测流方式有ADCP、雷达探测、声波探测等。

（一）ADCP

ADCP 全称为声学多普勒流速剖面仪，通过多普勒声学频移原理测量每一微断面的垂线流速，再根据截面计算平均流量，分为窄带、宽带和脉冲相干三类，具体应用场景主要分为移动式和固定式两种。

移动式ADCP 使用场景包括船测、桥测等多种方式，通过ADCP 在河道断面匀速移动测算流速，然后在后台自动计算得到流量数据。这种方式多用于汛期测洪或应急抢险等情形，具有灵活、便捷、高效的优势。牟汶河鄂庄桥水文站自主设计改装了浮标缆道和操作平台，改为挂载ADCP 设备，并实现远程自控，取得较好效果。

固定式ADCP 多数布设在规则断面，安装到垂直轨道或河底，通过对横剖面或纵剖面快速扫描，获取实时流速数据，进而计算得到断面流量。对于存在河底移动现象的河道测流，需要对河底变化进行预处理，充分考虑河底变化速率。小清河黄台桥水文站2016年安装了1 台H-ADCP，通过轨道控制ADCP 自动锁定水深0.6 测点，实现对河道断面流速和流量在线监测。大汶河大汶口水文站新建基于V-ADCP 的在线流量监测系统，两台V-ADCP 设备固定于断面河底，采用二线能坡法实现断面流速和流量计算。

（二）雷达测流

雷达探测也是应用多普勒原理，通过雷达波非接触方式测量河道水面流速，进而结合断面水位推定流量，包括侧扫雷达、点雷达、电波流速仪、微波流速仪等。主要应用模式包括固定式和非固定式两种。

非固定式流速仪主要包括车载雷达或手持电波流速仪等，可根据测流需要临时部署。固定式流速仪则是将雷达波测速仪以一定角度固定在吊臂或者横杆上，对固定断面表面流速进行测量。雷达测流方式在断面规整和流速较缓河面效果较好，但对于河水较深、断面复杂、流速不均的河道探测精度较差，一般作为应急监测和比对方式。2020年临沂水文站固定雷达测速系统经受了大洪水检验，在线洪峰流量与实测洪峰流量基本一致。

（三）声波测流

声波探测主要采取超声波脉冲探测，分为传播时间法和多普勒频移法。传播时间法又可分为时差法、相位差法、频率差法三种。超声波时差法测流原主要应用于封闭管道内流量测定，应用于河道测流需要对断面进行改造，保证断面上下游衬砌长度，实现超声波脉冲有效接收。济南市大汶河莱芜站断面安装了广角超声波在线测流系统，实际应用效果良好。

（四）图像识别

常规意义上的图像识别主要是采用视频自动识别水尺水位，再通过水位流量关系推算流量，在山东省应用场景较多。基于机器学习算法的在线流速/流量图像识别系统可根据水面视频图像进行归纳比对，直接确认水面流速/流量量级，还处于实验阶段。

二、存在的问题和不足

山东省在河道自动化测流方面积累了一定经验，但也遇到了适应性、精确度、资金投入、运行操作、管理维护等方面的诸多制约和不足。

（一）环境制约

在河道环境方面，主要存在河道断面、基础设施、设备指标等制约因素。一般天然河道断面较宽，建设标准断面投资较大，存在河道下切、淤积等负面影响。以沂沭河为代表的山丘河道水位暴涨暴落，行洪前期河内漂浮物较多、泥沙含量较大，也影响部分自动测流设备性能。

（二）智能化不够

现有测流设施设备智能化程度不够，需要人工根据环境进行干预，测流频次、垂线布设、涨落时间、峰值把握都需要测流人员控制，单次测量用时较长，测流效率较低。

（三）集成度不高

现有测流设施主要集中于前端或单次测流，缺乏与历史数据及预报数据评估比对，也缺少与上下游的联动，还是处于孤立、单点状态。

（四）精度需提升

测流过程标准化程度不够，误差来源较多，单一依靠设施设备来控制测流精度，操作难度较大。按水文监测规范，一类、二类、三类精度站要求高中低水精度为5%～11%，特殊情况下测流精度还要降低。

（五）发布不及时

过去单点实测数据需要首先上传到市水情中心，再转报省中心，在省市中心后台演算后作为预警预报基础数据。但在现地流量数据的发布及应用渠道不够畅通，无法及时为当地防汛预警提供针对性服务。

三、智慧测流系统展望

2021年全国水文工作会议提出，要实现水文全要素、全量程自动监测，水文数据处理、预测预报和分析评价全流程自动化和智能化，为推进水文现代化建设进一步指明方向。实现河道智慧测流，全面提升水文现代化水平，应在现有基础上充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术手段，以系统模式逐步实现河道智慧测流。

（一）加强综合数据采集

因地制宜采用基于物联网的各种自动化监测模块，提高实时在线水文数据采集效率。在不断增强实时水位数据代表性基础上，加强ADCP、声波流速仪等设备应用，探索以水面平均流速或特征点流速加权代表断面平均流速，通过比测提升数据准确性。

（二）强化自动审核机制

强化控制平台自动审核机制，通过对实时数据及历史数据的对比分析做好三个限定，从根本上消除因源数据错误导致的错报、误报及漏报情况。第一个限定是以人工水尺观察数据校订自动水位数据，第二个限定是以水面平均流速推定水下流速范围，第三个限定是加强对断面变化的监测和断面以上降雨数据的监测。

（三）完善数据处理模型

完善控制平台断面流速和流量计算模型，提高断面流量计算精度和效率。根据测站实际情况选取流速面积法、剖面卷积法、水位流量法等，尽量消除误差，提高计算时效，具体方法选择和加权参数需要进行实验率定。

（四）重视数据成果发布

加强控制平台数据的现地成果制作和发布，全方位服务防汛应急和工程调度、水资源管理和水工程建设管理。参考山洪预警系统建管经验，县级水文中心或控制站可结合上下游、左右岸情况，针对控制和受威胁流域范围定制和发布数据成果，提升预警实效。

（五）加载自主学习机制

为控制平台挂接成熟AI 核心，强化测流系统自主纠错能力，完善测流程序规则，实现智能判断和自主操作。考虑到AI 核心开发需要雄厚的资金投入和技术支撑，建议国家层面统一开发，并根据地方水文工作特点和特殊应用场景进行定制。

（六）保留人工干预窗口

控制平台应保留人工窗口和权限，加强数据自动审计和人工核查，及时纠正系统运行错误和疏漏，包括现地纠正和远程纠偏。加强系统参数校核，及时调整加权系数，实现数据准确率提升和一致性回归■