浅谈天然河道流量在线监测方法的选择与分析

张 可，马婉静

（1.淮南市安澜水利规划设计有限公司，安徽 淮南 232001；2.安徽沃特水务科技有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

我国地域辽阔，水系河湖众多，基于水文预报、水资源管理、防汛抗旱及水污染防治的需求，需要实时快捷地获取高精度高密度的流量数据，针对大部分天然河道流量测验通常采用常规的水文缆道测流，而部分无水文缆道的断面也多采用人工拖曳走航ADCP 方式测流[1]。人工监测耗时耗力，时效性不足。随着我国经济的快速发展和科技不断的进步，通过多年的创新研究和实践，目前天然河道的流量在线监测已有了多个较为成熟的方法。

2 流量在线监测方法介绍及基本原理

2.1 二线能坡法

二线能坡法测流借助水力学实验方法，从矩形、三角形断面入手，找出垂线流速与断面平均流速的关系[2]。实际监测中采用两个安装在河底的单波束多普勒流速测量探头，测量出对应安装位置的两条实测的垂线流速，利用这两条实测垂线流速反求出能坡参数后，把常规流量测验实测n 条垂线流速改为计算n 条垂线流速[3]，再通过流速面积法计算断面流量，如图1 所示。

图1 二线能坡法测流示意图

2.2 H-ADCP 法

H-ADCP 是利用多普勒原理，用来在线监测河流流速和水位的超声波多普勒流速剖面仪[4]。其由两到三个超声波探头组成，两束超声波成一定角度沿水平方向向对岸发射，测量本层水流某一段上各点的二维流速，剩余一束向上发射可以用来测量探头入水深。H-ADCP 固定安装在水面以下不低于0.6m 处，超声波遇到水中的气泡、杂质等悬浮物质后其频率发生变化，根据反射回的频率大小计算流速（见图2）。

图2 H-ADCP 测流示意图

在计算过程中，可以将H-ADCP 测得的一个或多个测量单元的平均流速V1作为指标流速，利用水力学连续方程计算断面流量。

指标流速V1与平均流速Vm之间的关系与断面流速分布有关。在整个测流系统中，指标流速的选择十分宽泛，主要根据实测断面的流动情况选择。既可以选择单个测量单元的流速，也可以选择其中部分测量单元的流速平均值，所选择的测量单元可以连续，也可以不连续。通常，根据断面流态，选择断面中部流动比较稳定的区域的测量值作为指标流速，如果整个断面的流动情况非常理想，也可以选择全部测量单元的流速平均值作为指标流速。指标流速确定后，结合水位即可计算出流量值。如果断面规则，利用流速面积法积分，最高流量精度可达5%以内；如果断面不规则，流量精度取决于建立的数学模型以及率定的精度。

2.3 超声波时差法

超声波时差法流量在线监测也是利用多普勒原理[3]。如图3 所示，在待测断面的两岸分别在上游和下游安装一对或数对超声换能器，换能器发出超声波穿过河道断面内的水流，经过T1时间对岸下游换能器接收到超声波，其反向发射超声波时间T2为用两个方向上传播时间差求解出该水层的平均流速。

图3 超声波时差法测流示意图

水层平均流速V 与断面平均流速Vm间存在Vm=KV 的关系（K 为率定系数），K 可以通过理论推导、数学模型计算或其他测量方式计算。据此可计算出超声波时差法流量。

2.4 雷达波测流法

雷达波测流法亦是利用多普勒雷达测速原理[6]。如图4 所示，传感器向水面发射雷达波，其反射波的相位和强度遇到水面波纹后雷达波将被吸收、反射。反射波的一部分被传感器接收，转换成电信号，由测量电路处理并测出多普勒频移，根据上述原理[7]通过快速傅里叶变换等信号处理算法即可计算出雷达波照射范围内的水体的表面流速。再通过一定量的人工实测断面流速率定出表面流速和断面平均流速的关系系数，结合水位计算出断面流量。

图4 雷达波流速仪测速原理图

3 各种监测方法的比选

3.1 测流断面的选择

水流稳定：测流断面应当选择在水流稳定的位置，避免弯曲处、汇流处、分流处等水流变化较大的地方。通常选择在河道直线段上，顺直河段的长度应大于洪水时主槽宽度的3 倍。

水流速度均匀：测流断面上水流速度应当均匀，避免出现流速梯度或急流等情况，否则会影响流量的准确性。在选择测流断面时，应当考虑水深和水面宽度的变化，尽量选取平均水深、平均水面宽度和平均水流速度相对稳定的位置。

3.2 水位监测方法

在进行流量在线监测时均须测得精确的水位数据。在有水文站的可共用水文站的水位传感器，无水位自动测报设备的站点可根据断面现场环境条件选取适宜的水位传感器来配合流量监测。在当前的技术条件下，水位自动监测的手段颇多，有浮子水位计、雷达水位计、气泡水位计等等，这些水位监测的技术手段均很成熟，本文不再做详细阐述。

3.3 各种监测方法分析及比选

3.3.1 二线能坡法

基于垂线流速法，通过流速面积法计算断面流量。该方法优点是精度高，起测流速小，能分辨正负流速，测量周期短；缺点是安装难度大,ADCP 需要座底式安装，后期运维成本高；针对山洪、大水情况，水中悬浮物对其影响较大。同时针对通航河道左右岸两个传感器的线缆需要从各自方向上岸后传输，避免过往船只抛锚对线缆造成损坏。

3.3.2 H-ADCP

基于指标流速法，是通过建立指标流速与断面平均流速相关关系计算断面流量[1]的方法。其优点是稳定性较好、适用性较强且随机误差小；缺点是探头固定在断面内固定位置，很难建立良好的水位-流量相关关系，需根据低、中、高水位调整H-ADCP探头的入水深度，因此需要安装一套根据水位变化而自动调整H-ADCP 位置的装置[4]。同时针对低、中、高水位下的指标流速和平均流速的相关关系需要较多的率定工作来找出。

3.3.3 时差法

基于水平流速法，通过获取测流断面上的水层流速,采用流速分布模型计算得到断面平均流速,进而得到流量。其优点是使用顺流和逆流传播的时间差来反映河道的正负流速，测量精度及时效性较高；缺点是当河流中有悬浮物、泥沙含量大时对其传播造成干扰，同时该方法需要在河道无水或者做围堰情况下施工，土建成本稍高,运行维护不便。

3.3.4 雷达波表面流速法

基于表面流速法。通过获取测流断面上水面流速,并通过转换得到特征垂线平均流速或断面平均流速[1]。其优点是采用非接触式，不受含沙量、污水及漂浮物影响，不影响水流状态，尤其适用于高洪、急流、高含沙量、高污染的流速测量，测量频次高；缺点是水体表面需要有波纹，风吹动水面时对其测量有较大的影响，起测流速高，表面流速大于0.2m/s以上时有较好的效果。

几种监测方法的测流范围、优缺点及适用场景的比选表见表1。

表1 流量在线监测方法比选表

4 安装注意事项

4.1 二线能坡法

需要注意断面最高水位时的水深，安装位置不能超过其量程；含沙量过大或河道冲淤情况时，探头易遭掩埋；ADCP 探头的防护要考虑到上游冲下的杂物覆盖探头上影响测量；数据及电源线要沿河堤向两岸铺设，以防过往船只抛锚损坏设备；同时安装支架需要考虑系统化后期的运行维护，方便检修。

4.2 H-ADCP 流量监测

需要在安装过程中注意ADCP 仪器两个换能器尽可能保证水平，使其在最低水位时两束声波在量程内不打出水面，安装支架等装置须保证在最高水位时，ADCP 可顺畅移动至指定高度，保证断面全量程水位内的流量准确监测，同时还需要考虑到后期人工比测、率定的经费。

4.3 超声波时差法流量监测

所测断面的最大宽度不能超过其量程，依据断面的最大水深情况确定通道组数，基本原则是能覆盖最低水位、长期运行水位和可能的高水位；每组通道在安装时注意两对换能器的水平相对，安装稳固，否则影响声波发送、接收。

4.4 雷达波流量监测

因为该种方法属于非接触式安装，选择安装位置时一方面考虑所选取的雷达波照射水面的位置的垂线流速需要有较好相关关系，另一方面设备需要安装在没有遮挡的地方，如远离树木、建筑物等遮挡物，避免对设备的雷达波信号产生干扰，影响测量结果。此外，由于雷达波受环境和水体物理特性的影响较大，因此需要对环境因素和水体物理特性进行充分考虑。

总的来说，在选择不同的流量监测方案时，需要根据实际情况和需求，对每种方案的适用性和限制性进行评估和选择。同时，在实际应用中需要注意监测精度、数据可靠性和数据处理等方面的问题，以确保监测结果的准确性和可靠性。

5 结语

在流量在线监测的研究中，本文介绍了多种流量监测方法。这些方法在实际应用中各有优缺点，没有一种方法能完全适应所有的监测断面，也没有任何一个监测断面可以随意采用一种监测手段能够满足其实际需求，均需要根据不同业务部门对数据精度的不同需求，结合断面实际情况和各种在线监测方法的特点，选择适宜的流量在线监测方法，甚至在实际应用中也可以在同一监测断面上采用多种监测手段相结合的方式实现流量在线监测。

在未来的研究中，可以继续深入探究各种流量监测方法的原理和优化方法，以提高监测精度和准确性。同时可以结合人工智能、大数据等新技术，开发更智能化、高效化的流量监测系统，为水资源管理和利用提供更多的支持和帮助