基于实践经验的河流流量测验方法发展趋势探索

刘望天

(广东省水文局佛山水文分局，广东 佛山 528000)

1 概述

从水文学诞生之日起，水要素的观测成为了首要任务。研究地球水的空间和时间变化规律，感知水的存在、定量观测水是必要的，也是水文学研究的基础和关键。水文监测就是通过水文站网对江河、湖泊、渠道、水库的水位、流量、水质、水温、泥沙、冰情、水下地形和地下水资源，以及降水量、蒸发量、墒情、风暴潮等实时监测，并进行分析和计算的活动[1]。其中，河流流量的实时监测是水文监测的核心和关键。随着现代科学技术的高速发展，水文要素按照小时或分钟实时在线监测已成为可能。根据水文监测现状，以小时或分钟实时监测河道流量、泥沙是最大的瓶颈，流量测验现代化是实现水文现代化的关键环节和难点。本文根据作者多年水文监测实践经验，全面总结和探索了河流流量测验方法和手段，旨在为广东水文现代化建设提供有益的思路和参考价值。

2 流量测验方法分类

2.1 规范测验方法

根据国家有关规范，河流流量测验方法主要有流速法、浮标法、比降面积法、声学测流法(声学多普勒法)、电磁法(电波流速仪)、体积法(直接测量法)、水工建筑物测流法、量水建筑物、稀释法(示踪剂法)、代表流速法等，国家标准推荐可采用国际标准(ISO)的其他方法[2]。其中流速仪法、浮标法作为《河流流量测验规范(GB 50179—2015)》推荐标准，比降面积法、水工建筑物测流法、声学多普勒法作为水利行业推荐标准，其他方法有少量应用和试验研究。

从水文监测是否与水体直接接触区分，上述河流流量测验方法可分为“直接接触法”、“部分接触法”和“非接触法”3种，其中电磁法为非接触法，浮标法、比降面积法为部分接触法，上述其余7种为直接接触法。该分类方法的现实意义在于在特大洪水或超标准洪水水文应急监测中，采用哪种方法，往往体现了水文现代化发展情况和“以人为本、安全第一”的安全生产理念。

2.2 理论测验方法

理论测验方法可分为流速仪法、浮标法、比降面积法、量水建筑物法、溶液法、动船法、缆道积宽法、桥测法、超声波法、电磁法、航空摄影法(航空测流法)、高性能视频水面流速法、侧扫雷达在线流量法、点流速雷达在线流量法、水平式ADCP在线流量法等。

其中2020年水利部水文司已发布侧扫雷达在线流量法、点流速雷达在线流量法、水平式ADCP在线流量法等应用技术指南，该方法取得了初步成果；基于无人技术的航空摄影法(航空测流法)也开始研究应用。

3 测验方法梳理分析

3.1 传统测验方法分析

流速仪法是“直接接触法”，在河流流量测验实践应用中，其一直占主导地位，浮标法、比降面积法作为特大洪水及超标准洪水流量测验方法。采用流速仪法开展实时在线河流流量测验，主要解决3个问题：一是跨河横渡断面问题；二是河流表面障碍物；三是流量自动计算问题。一般来说，跨河横渡断面在500 m河宽内可以通过建设过河缆道解决，河宽很宽时，只能采用测船来解决；若是河道无通航要求，河流表面障碍物好像不太重要，但河流表面的漂浮物无法避免。流速仪法的优点是仪器价廉物美，人工操作简单，计算数据量小，符合国家规范；不足是必须依托过河缆道或大型测船，测验安全系数不高，是人力型测验方法，只可实现半自动化，无法实现实时在线流量测验问题。

浮标法、比降面积法是“部分接触法”，要预先选定测验河段及测定大断面，采用借用断面计算流量。浮标标法在实践中常常采用天然中泓浮标，由人工计算经过上、中、下浮标断面的时间以计算浮标流速，进而计算流量，浮标系数是流量测验精度的关键，需要积累不同河段的浮标系数。浮标法的优点是操作通俗易懂，计算简单明了，适用性广泛，只要有顺直且断面基本一致的河段以及浮标，就可以实现流量测验；不足之处是费时费力，需要人员多，不一定有合适的河段或操作人员不能抵达岸边观察浮标，测验精度不好把握，需要水位流量测验足够的经验，不可实时在线。

比降面积法通过观测比降，采用曼宁公式计算流量，糙率是该方法流量测验精度的关键因素，河道特性和洪水规模往往会相互影响，需要在特定断面上积累糙率资料。比降面积法的优点是人工操作简单，只要看看比降即可，计算不复杂，适应性广；不足之处是测验精度不好把握，需要丰富流量测验经验，不可实时在线。

传统的代表流速法通过精简分析，找出最少的流速测验垂线或测点，建立垂线或测点与断面平均流速的关系，进而减少测线或测次，达到不降低流量测验精度，增加安全保障系数。这在特大洪水或超标准洪水流量测验一直起到重要作用，例如春日屋法在武江坪石、代表垂线发犁市水文站的应用。传统代表流速法的优点是简单明了，精度可控，安全系数高，计算数据量少；劣处是依赖渡河设施，适用性主要看测站特性，不可实时在线。

量水建筑物法主要是堰槽测流法，是渠道型河道流量测验的最好方法，得到了广泛应用，每年比测率定一下就可满足精度要求。优点是适用小型河道，精度准确，测验次数少；劣处是河道必须渠化，河道也不能太宽，天然河道往往做不到这一点。

体积法(直接测量法)一般应用于微小流量测验，在河道流量测验应用少，使用条件是流量非常小的河流，但往往其他方法更加有效；稀释法(示踪剂法)没有应用于生产实践，国内处于研究阶段。

3.2 现代测验方法分析

随着河流上水资源不断开发利用，大量的水利工程在有水文站测验任务的河流上建成，原有的流量测验断面往往受其影响，但程度不一。对于受水利工程影响的河流或渠道，水工建筑物测流法是解决流量测验问题的最直接手段，采用其他方法往往作为有效补充是比较明智的选择。有些试图采用固定式声学多普勒法，以解决受水利工程影响的流量测验问题，往往得不到满意的效果就是例证。

声学测流法，主要是声学多普勒流速仪法，是21世纪水文工作者希望通过它来解决河流流量测验问题的主要手段。20 a前，声学多普勒流速仪法行业规范未制定公布，一直制约着该项技术的大胆应用。自从《声学多普勒流量测验规范》(SL 337—2006)发布后，采用声学多普勒法流速仪法解决流量测验的自动化和实时在线问题，得到空前迅速发展，成了21世纪初至今的主流方法。声学多普勒流速仪法有两种方式[5]：一是走航方式，即走航式ADCP；二是固定式，多采用横式安装，即H-ADCP。前者只是用ADCP替代了流速仪，本质上是流速面积法，只是采用更加缜密的流量积分计算，优点是实现了流量计算的自动化，提高了测验精度，增加了全断面各层流速流量数值；不足之处是水太浅是无法进行测验，操作者需要一定的计算机技能和分析能力，搭载方式也需要操作者一并考虑。当前，声学多普勒流速仪法基本上与传统流速仪法成为了河道流量测验的主要手段。

电磁法(电波流速仪、非接触式雷达法)是近10 a来发展的一种方法，属于“非接触法”，是当前发展最快的方法之一，其主要是通过实测河流表面部分流速(称为代表流速法或指标流速)，建立部分表面流速与断面平均流速关系，进而计算断面流量。该方法在部分山区断面窄深、流速大的河流获得了初步成功，关键点是仪器安装代表性好、流速大，河宽小。优点是安全快捷，在大流量、高流速情况下应用较好；不足之处是小流量、小流速不适用，表面流速分布不稳定的断面难以获得成功。

侧扫雷测流法是利用雷达遥感技术对河流进行实时监测，侧扫雷达测流系统依据布拉格散射和多普勒原理测量河流的表面流速，使用这些数据及已知的河流横截面图(深度分布)和已测的水位计算出河流流量。侧扫雷达测流系统采用太阳能供电和移动蜂窝通信，流速测量、数据上传、流量合成无需人工干预，可实现河水流量的自动化监测。适用于各种复杂环境情况，能滤除船舶、周边建筑、陆地移动汽车等构成的雷达回波干扰，最大探测距离可达800 m以上，适用于内陆河流、界河、大江大湖等天然流域的流量监测[3]。该方法是采用了新技术手段监测河流水面流速，建立水面流速与断面平均流速的关系，本质属于代表流速法。优点是抗干扰能力强，测流原理突破了传统思维；不足之处是仪器昂贵，安装条件比较苛刻。

航空摄影法(航空水面测流法)利用无人机搭载雷达或者抛投式浮标等流速测验设备，测得沿断面水平方向逐条垂线的水面流速后，有两种计算方法计算虚流量，一种是部分面积法，即类似于水面浮标法流量测验计算方法，通过逐点水面流速计算两垂线间的部分水面流速，通过借用断面计算两垂线间的部分面积，部分流速乘以部分面积得到部分虚流量，然后部分流量相加，得到断面虚流量。另一种是单宽流量法，即采用测速垂线水面流速乘以测速垂线水深(也是测深垂线)，然后单宽流量乘以水面宽后相加得到断面虚流量[4]。最后，再建立虚流量与实测流量的关系，通过比测试验或通过经验系数获得流量系数K，从而得到河道实际流量。该方法的优点是机动灵活，一机多用，适用于水文应急测验工作；短处是操作者需要领取驾驶执照，有航空管制或流经城市的河流断面不可使用。

4 流量测验方法实践探索

随着国内外现代科学技术和信息化水平的高速发展，河流流量测验现代化有了极大可能。引进各种新的仪器设备进行试验应用，若是某种技术应用于河流流量测验取得了取得了初步成功，则加大力度推广应用，这种方法在以前和当前是一种不可或缺的好模式，但往往忽视了水文学基本原理和流量测验规范原则等。水文学之所以称为研究地球的古老学科和基础学科，不是某一单项科学技术发展就可以将解决所有问题的，定量的观测水文要素历来都必须得到重视，水文学的发展才变得可能。

在河流流量测验实践中，要想获得小时或分钟间隔的河流实时在线测验流量成果，推进广东水文现代化进程，有3种途径：一是用传统流量测验方法，在必要的环节加入现代科学技术；二是采用当前流行的测验方法总结提高，进一步规范和提升当前声学多普勒法流速仪测验方法的应用水平；三是引进新技术装备，研究试点取得成功后，推广应用。从成本效益来看，第1种途径成本最小，效益可观；第2种成本次之，效益最大，应作为当前努力方向；第3种成本最大，效益最小，可作为以后规划应用考虑方向。

4.1 声学多普勒法流速仪法应用进展

走航式ADCP进口产品应用有20多年了，已经成为当前广东水文测验的主要设备，存在问题是在高含沙量或者河床走底时存在流量偏小问题，可通过外加GPS及罗经解决了上述问题。不足之处明显，即大流量、高流速、高含沙量仍然采取测船横渡河道断面的做法，在安全生产高要求高保障情况下，显得胆颤惊心。因此，走航式ADCP配合测船在中小洪水或枯水期流量测验是满足要求的，也是安全的。

进口产品H-ADCP在广东应用超过了20 a，在水深条件足够的情况下，尤其是在河口或三角洲受潮汐影响的水文站，不但水深条件满足，可依托的安装方式也很多，是最优的流量测验手段及方法之一。实践中，安装在河道主流桥墩上，是最好的方式；其次是安装在靠近主流的岸边水位自记台上，效果稍差但安全系数高且维护方便；最后是通过打三角桩的方式固定在河床岸边，此类方式维护不方便且容易受到水中作业的破坏。多年应用实践表明，只要安装在河道断面主流的桥墩上，即使代表流速测量范围只有几十米，也是可以找到代表流速与断面平均流速的良好关系，其中国家重点水文站马口、三水站在2017年、2020年10年一遇的较大洪水条件下，设备运行可靠，测验精度满足规范要求。

当前国内声学多普勒流速仪(ADCP、H-ADCP)发展比较快，已有多家高新技术企业成功开发了ADCP硬件及测流软件，部分产品通过测试并且得到了水利部技术推广中心的新产品推广认可，已达到水文规范要求。2019—2020年，我局引进国产ADCP 600 KHz以及H-ADCP 600 KHz开始进行示范试验，在水流条件比较好的河段，获得了满意结果。国产走航式ADCP软件个性化需求得到满足，产品满足了广东文文系统要求。

无论是进口还是国产H-ADCP应用的不足地方是，后台数据接收平台的建设滞后，这有有赖于国内企业在数据的应用产品及服务上更上一层楼，既要安全快捷接收H-ADCP探头的实测数据，又满足水文资料整编程序以及通信规约，达到外接数据采集产品多样性，解决数据接收及处理统一性及数据保密性问题。

4.2 智能化缆道流速仪法应用进展

在河宽500 m以内的河流，依托现有水文站网建设自动缆道流量测流系统和视频系统，在利用人力资源少量的前提下，实现自动观测河流断面，远程或现场实时监测流量。限制条件是要能建设缆道，有固定的缆道房，需要少量人力资源。优点是投资不大，满足现有人员技术水平，满足水文站网基本测验能力需求。广东水文局肇庆水文分局引进的双轨缆道自动测流系统，是智能化缆道测流的升级版，不同之处采用雷达测定河流水面流速，进而计算逐条垂线水面流速下的虚流量，通过建立实测流量与虚流量关系，通过流量系数得到实测流量过程。该系统可以远程操控自动缆道测流系统，也可以定时进行流量测验，获得河流断面的实测流量过程，在大洪水中安全可靠，在山区河流中不愧是一种良好的选择。

4.3 抛投式浮标法应用进展

随着无人机应用的快速发展，结合中国北斗卫星系统GPS定位的高精度快速计算，可采用无人机投放浮标及运动路径跟踪技术，实现无人机投放浮标的精准，再通过浮标在河流断面定位，得到断面流速沿河宽方向的变化，进而计算浮标法断面虚流量，通过浮标系数得到实测流量。此种方法在高流速、大流量条件下是非常安全的，在突发性水事件如溃坝、决堤等情况下也是行之有效的方法。其中定位技术记录无人机抛投的浮标实时轨迹，抛投浮标的设计如何使之始终垂直于水面并保持运行的稳定性及可靠性，是设计的关键点。在2020年广东省水文应急演练中，无人机抛投式电子浮标测速仪的表现获得了演练组的高度赞扬，并建议向全省推广。2020年国家重点水文站三水站水位6.78 m、在线流量值11 900 m3/s的情况下，开展无人机抛投电子浮标比测流速，无人机抛投电子浮标GPS测定流速与人工计时计算结果误差小，电子浮标流速较为可靠。

4.4 航空水面测流法应用进展

航空水面测流法旨在测量大洪水水面流速沿河宽方向的变化，与智能化缆道流速仪法原理是一致的，不同之处在于前者是机动的，可用于多个断面，可一个测流系统搭载多套无人机及设备进行测流作业，后者是固定的，只能用于某一水文站断面。航空水面测流法符合广东水文现代化要机动、灵活、快速的特点，投入产出效益大。经过近期研发及初步测试，基于无人机的航空水面流速法流量测验系统开发设计思路正确、合理，在高流速、大流量条件下是适用的；该方法不适用与低流速状态，也无必要研究低流速状态的实用性，因为在低流速状态下，有很多方法可选用。

4.5 流量测验方法综合选择

在河流流量测验中，低流速、小流量的测验方法选择性很多，很多传统和常规的流量测验方法都是可以的，既满足精度要求，又有安全保障。在高流速、大流量情况下，河流流量测验才是实践中需要解决的主要问题。另外，还存在往复流、单向流的问题。往复流一般在入海河口或河流下游感潮的平原地区，水深条件较好，水位变幅小，河流一般通航，跨河流的桥梁较多，水上航道繁忙。单向流是大多数河流的流向方式，从上游往下游水深条件逐渐变好，越往上游水位变幅越大，单向流的河流或河段，枯水期水位低，甚至可见大部分河床。所以在河流流量测验实践时，建议区分上述情况来讨论，才变得更加有现实意义。因此，河流流量测验的方法选择是有条件的，不可能一种方法满足所有的河流或河段，需要因地制宜、因时选择。总结以往河流流量测验方法实践，基本经验如下：

1) 单向流、中等流速以下的河流流量测验方法多，没有哪一种方法具有绝对优势，只要使用“直接接触法”就有满意效果，当然这不是河流流量测验的主要问题。

2) 往复流、中等流速以下的河流流量测验方法，最优的是走航式ADCP或H-ADCP，尤其是安装在主流桥墩上的H-ADCP具有实时在线、数据频次高、测验精度高的优点；其次是缆道流速仪法，或者测船流速仪法。

3) 中等流速以上是单向流，这是河流流量测验的主要问题。在安全可靠的前提下，最优是采用“直接接触法”，其次是通过测定水面流速与断面平均流速关系的方法，如浮标法、航空水面流速法。

4) 在大流速情况下，尤其是突发水事件流量测验，最优的航空水面流速法、浮标法、比降面积法，电磁法(电波流速仪、非接触式雷达法)次之。

5) 国家重要水文站、跨省重要水文断面的单向流河道，在配备仪器时，可考虑智能缆道法、侧扫雷测流技术等具有固定设施的现代化测流方法，为保障重点监测断面流量的可靠性和实时在线可用。

5 结论和建议

在河流流量测验中，解决跨河或渡河的方法或手段，是最为关键的问题，也是取决可采用哪种方法或那类型设备的问题。测船、缆道、桥梁、人工涉水都是比较传统和常规的手段，除测船可以机动一点点外，其他的渡河方式只能固守某一水文站固定断面。随着无人机应用技术的快速发展，无人机是安全有效跨河手段，灵活机动，一机多用，是很好的方法，特别是在突发性水事件如溃堤、溃坝的应急水文测验中，更加显示其优越性。

因此，在广东水文现代化建设中，河流流量测验问题建议按照“直接接触法”、“部分接触法”、“非接触法”进行分类设计，将主要精力集中在河口地区往复流、中等以上流速测流量测验、水工建筑物流量计算等关键问题上；重点着力于现代化水文自动化流量测验仪器的数据统一接收整合，以及水文信息预警预报和水文资料整编的应用平台开发；将水位、雨量、蒸发、地下水、流量、泥沙、水质、咸潮等监测成果集中统一起来管理应用等。