淺論水資源水量監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

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“十一五”期間國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的防洪安全、城市供水保障等大型監(jiān)測(cè)體系都需要有水資源水量監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。“十一五”水文發(fā)展主要任務(wù)之一，是強(qiáng)力提升水文水資源監(jiān)測(cè)能力，提高水文測(cè)報(bào)能力和測(cè)報(bào)自動(dòng)化水平 [1]。本文對(duì)比分析了流量測(cè)驗(yàn)方法的適用性，結(jié)合案例介紹了監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用?？焖佟?zhǔn)確地開展流量測(cè)驗(yàn)，已經(jīng)成為水資源保護(hù)、開發(fā)和利用以及防汛抗旱的基本要求[2]。
1 監(jiān)測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述
流量測(cè)驗(yàn)是水文工作的主要任務(wù)之一。中國(guó)的流量測(cè)驗(yàn)，以流速儀法、浮標(biāo)法為主[3]。隨著過(guò)河設(shè)備的改進(jìn)，流速儀測(cè)流能力和浮標(biāo)法的適應(yīng)能力都有很大的提高。研制和改進(jìn)了流速儀、回聲測(cè)深儀、超聲波測(cè)速儀等儀器，對(duì)流量測(cè)驗(yàn)誤差、浮標(biāo)系數(shù)、用鉛魚測(cè)深的懸索偏角改正、堰閘測(cè)流、動(dòng)船測(cè)流、潮水河測(cè)驗(yàn)方面作了許多實(shí)驗(yàn)研究工作，制訂了有中國(guó)特點(diǎn)的規(guī)范。在世界上，盡管流量測(cè)驗(yàn)方法很多，但仍以流速儀法、浮標(biāo)法、比降法為主。中小河流量水建筑物的應(yīng)用也比較廣泛。
傳統(tǒng)的流量測(cè)驗(yàn)手段（如旋漿式流速儀法）由于其歷時(shí)長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低等固有的缺點(diǎn)，越來(lái)越不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)和水文事業(yè)發(fā)展的需要；不穩(wěn)定流、受潮汐影響以及受人類活動(dòng)影響的流量測(cè)驗(yàn)，使用傳統(tǒng)的測(cè)驗(yàn)手段更是難以實(shí)現(xiàn)[2]。先進(jìn)的量測(cè)技術(shù)、量測(cè)儀器和試驗(yàn)設(shè)備，是取得高精度測(cè)驗(yàn)成果、獲得高水平科研成果、取得科技新突破和證安全生產(chǎn)的重要手段。
1.1常用測(cè)驗(yàn)方法
（1）流速面積法。這是使用最廣泛的方法。其基本原理是：通過(guò)橫斷面上單元面積的流量是該面積與水流速度(流速)的乘積。分別測(cè)量各個(gè)部分的流速和面積即可求得流量。此類方法要在斷面上布設(shè)許多測(cè)深垂線，在垂線上測(cè)量水深，并測(cè)定垂線與岸上斷面起點(diǎn)樁間的距離，即起點(diǎn)距。施測(cè)水深可以用測(cè)深桿、測(cè)深錘、鉛魚或回聲測(cè)深儀。兩相鄰垂線起點(diǎn)距之差即部分寬，乘以部分平均水深，即為部分面積，其總和即斷面面積，根據(jù)斷面測(cè)量的資料，可以繪出以起點(diǎn)距為橫坐標(biāo)、河床高程為縱坐標(biāo)的斷面圖。該方法一般使用流速儀施測(cè)。常規(guī)的作法是在部分或全部測(cè)深垂線上用流速儀測(cè)定流速，用部分平均流速與部分面積之乘積作為部分流量，部分流量的總和即為斷面流量。
（2）建筑物法?；驹硎牵和ㄟ^(guò)跨河建筑物的流量同上游水頭，上下游水位差等存在的函數(shù)關(guān)系。可以在斷面上設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)形式的水量建筑物，觀測(cè)水位，用水利學(xué)公式推算流量。此法精度好，工作方便，但造價(jià)較高，一般用于中小河流。河流、渠道上的涵閘、水庫(kù)的泄水建筑物、抽水站水電站的過(guò)水設(shè)備等，在條件適合時(shí)，也可用來(lái)測(cè)量流量，但其流量系數(shù)要在現(xiàn)場(chǎng)用其他方法實(shí)測(cè)流量來(lái)進(jìn)行率定。包括：①量水槽。最適合含沙量大的河渠使用，施測(cè)范圍0.006—90m3/s。②量水堰。根據(jù)出口斷面形狀不同，量水堰可分為三角形、矩形、梯形、拋物線型，適用于含沙量小的河流，實(shí)測(cè)范圍0.001-1.0m3/s。
（3）浮標(biāo)法。要設(shè)置上、中、下三個(gè)斷面。從上游投放浮標(biāo)，測(cè)定其流經(jīng)上下斷面的歷時(shí)和經(jīng)過(guò)中斷面的位置。以上下斷面間距除以歷時(shí)求得浮標(biāo)流速，再乘以系數(shù)，可求得垂線平均流速。然后，用類似流速儀法的步驟，計(jì)算部分流量與斷面流量。有水面浮標(biāo)、浮桿、雙浮標(biāo)等形式。
（4）超聲波法。適用于含沙量較小、漂浮物較少的河流。通過(guò)在河的兩岸用換能器同時(shí)朝著兩個(gè)方向發(fā)射穿透水體的脈沖信號(hào)來(lái)測(cè)量聲波在水中的傳播速度?；蚴菍蓚€(gè)換能器安裝在同一河岸，在另一岸設(shè)置反射器或轉(zhuǎn)換器。換能器的安裝位置應(yīng)使發(fā)出的脈沖在一個(gè)方向是逆水傳播，在另一個(gè)方向上是順?biāo)畟鞑ァ＿@兩個(gè)超聲波速度之間的差值與該換能器所在高程上水流的速度有關(guān)。該速度又可同整個(gè)斷面的平均流速建立關(guān)系，同時(shí)具備斷面面積和水位間的關(guān)系后，可以通過(guò)實(shí)測(cè)的流速和水位推求流量。
（5）電磁法。適用于水草叢生、漂浮物較多、河床沖淤嚴(yán)重的河道。當(dāng)水流穿過(guò)一個(gè)垂直磁場(chǎng)，電磁感應(yīng)在河流兩岸之間形成小電勢(shì)。用一個(gè)線圈橫埋在河床或橋底部，構(gòu)成一個(gè)過(guò)水的磁場(chǎng)。所產(chǎn)生的電勢(shì)與河寬、磁場(chǎng)和斷面平均流速成正比。斷面平均流速與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的乘積即為斷面流量[4]。
1.2流量自動(dòng)測(cè)量
聲學(xué)法流量測(cè)量?jī)x器又被稱為超聲波流量?jī)x器，這是因?yàn)樵缙谑褂玫穆暡l率基本上在超聲波的頻率范圍內(nèi)，而目前已發(fā)展到較高頻率，所以統(tǒng)稱為聲學(xué)法流量測(cè)量?jī)x器。在明渠中應(yīng)用聲學(xué)流量?jī)x器測(cè)流，測(cè)得流量的原理屬流速面積法。它是先直接測(cè)得某水層的平均流速或某垂線、某部分水層平均流速，并以此由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯扑愠鰯嗝嫫骄魉?。有時(shí)需要加入水位因素進(jìn)行斷面平均流速計(jì)算。過(guò)水?dāng)嗝婷娣e由已知斷面形狀參數(shù)和自動(dòng)測(cè)得的當(dāng)時(shí)水位推算。斷面平均流速與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e之積即為斷面流量[3]。
從測(cè)速原理上分類，可分為多普勒法和時(shí)差法二類聲學(xué)流量?jī)x器。
1.2.1多普勒法聲學(xué)流量測(cè)量?jī)x器
儀器工作原理及組成：聲波在水中傳播時(shí)，遇到水中泥沙、氣泡等物體會(huì)反射回來(lái)。如果這類物體隨水流等速運(yùn)動(dòng)，反射回來(lái)的聲波會(huì)發(fā)生與此物體運(yùn)動(dòng)速度成正比的頻率變化（多普勒頻移）。測(cè)得回波的多普勒頻移，就可計(jì)算出水流速度?；谶@一原理的測(cè)速儀器稱為多普勒法聲學(xué)流量測(cè)量?jī)x器。這類儀器工作時(shí)要固定安裝在水下。按所需測(cè)量水流剖面的不同，分為座底式和水平式等類型。
（1）座底式：將探頭安裝在測(cè)流斷面某一流速有代表性的垂線河底，換能器向上方發(fā)射聲波，測(cè)得探頭上方這一垂線上的流速分布，同時(shí)測(cè)得水位。座底式安裝測(cè)速時(shí)不受水位變化影響，可測(cè)得一條完整的垂線流速數(shù)據(jù)，有利于建立與斷面平均流速的關(guān)系，測(cè)量水位也很方便。但是缺點(diǎn)也很明顯。河流中部水底安裝比較困難，沖淤變化較大時(shí)，影響會(huì)比較嚴(yán)重，電纜的引接特別困難，還要預(yù)防船只破壞、影響。所以，這種安裝方式只適用于渠道、不通航的人工運(yùn)河、小型河流。
（2）水平式：將探頭安裝在測(cè)流斷面水下的一側(cè)河岸上。水平朝向?qū)Π栋l(fā)送聲波。測(cè)得探頭所在水層一定距離內(nèi)的流速分布。視所用儀器不同，可測(cè)得最小20m最大200m范圍內(nèi)的水層各單元流速。單元數(shù)從20～128個(gè)或更多。同時(shí)測(cè)得水位。水平式安裝在河岸上，比較方便，電纜安裝也簡(jiǎn)單些，受沖淤影響不大，也比較好保護(hù)。測(cè)得水層流速也有較好的代表性。是比較普遍采用的方式。缺點(diǎn)是選擇水層深度需做較多工作，水位變化較大時(shí)，很難有較好的代表性。另外水深較小時(shí)，儀器的水平測(cè)速距離會(huì)受水深影響。如果測(cè)量距離只是河寬的一部分，會(huì)影響斷面平均流速的準(zhǔn)確性。水平式適用于各類渠道、中小河流。但斷面寬深比不可太大。
1.2.2時(shí)差法聲學(xué)流量測(cè)量系統(tǒng)
儀器工作原理及安裝：聲波在靜水中傳播時(shí)，在水的溫度、密度、鹽度一定時(shí)，聲速是恒定的。如果水是流動(dòng)的，那么聲波順?biāo)畟鞑サ乃俣葹槁曀偌由纤伲嫠畷r(shí)為聲速減去水速。利用這個(gè)原理，在測(cè)流斷面上下游某一水層二岸各安裝一聲學(xué)探頭，與水流夾角45°左右，測(cè)出順流、逆流時(shí)二探頭間聲波傳播的時(shí)間差，再根據(jù)二探頭間距離和當(dāng)時(shí)水中聲速就可計(jì)算出斷面上這一水層的平均流速。這一方法稱為時(shí)差法測(cè)流。
時(shí)差法流量測(cè)量系統(tǒng)，同樣需要測(cè)量水位。一般可配置各種類型自動(dòng)水位計(jì)。
儀器種類和適用范圍：系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)要在河流兩岸安裝相應(yīng)的聲學(xué)探頭。主站控制儀要有電纜與本岸的探頭相聯(lián)接。而對(duì)岸的探頭如果也用電纜與本岸控制儀相聯(lián)接，稱為有線式；否則，稱為無(wú)線式。時(shí)差法聲學(xué)流量計(jì)可以測(cè)量寬達(dá)1000m或數(shù)km的斷面，對(duì)斷面的寬深比沒(méi)有什么要求，可以用于寬淺河流。對(duì)泥沙含量、流速的適應(yīng)性也優(yōu)于多普勒法。它測(cè)到的是整個(gè)水層流速，具有更好的代表性，測(cè)速準(zhǔn)確度也較高。但價(jià)格較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜影響了這類儀器的推廣。
（注：“時(shí)差法聲學(xué)流量計(jì)可以測(cè)量寬達(dá)1000m或數(shù)km的斷面，……”出處，《水資源水量監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》，中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）
 
2 監(jiān)測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用
以某泉群水量監(jiān)測(cè)工程為例。
2.1 水量監(jiān)測(cè)工程建設(shè)原則
監(jiān)測(cè)工程建設(shè)遵循“先進(jìn)、可靠、美觀、安全、開放”的原則。
（1）在技術(shù)上有前瞻性，在采集、通信和資料后處理系統(tǒng)中有較高的技術(shù)含量。使工程整體水平處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
（2）性能可靠，監(jiān)測(cè)工程采用可靠的傳感器和相關(guān)配件，以增強(qiáng)監(jiān)測(cè)工程的可靠性，穩(wěn)定性，并盡可能降低監(jiān)測(cè)工程維護(hù)費(fèi)用。
（3）監(jiān)測(cè)工程地處著名的人文和自然景區(qū)，儀器設(shè)備外形的設(shè)計(jì)風(fēng)格與景區(qū)和諧。
（4）監(jiān)測(cè)工程應(yīng)用軟件能保證數(shù)據(jù)與業(yè)主的其他系統(tǒng)有良好的兼容性。
2.2 監(jiān)測(cè)斷面選擇
（1）選擇水流條件較好的斷面，監(jiān)測(cè)斷面要求水流平順，無(wú)激流、側(cè)流、回流。
（2）選擇泉群匯流處的斷面，有多個(gè)匯流出口的泉群每個(gè)出口均設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面。
（3）監(jiān)測(cè)斷面兩岸要求平坦、無(wú)障礙物，便于儀器設(shè)備安裝調(diào)試。
（4）控制區(qū)段內(nèi)的全部水量，無(wú)漏測(cè)、重測(cè)。
（5）有利于水量與水質(zhì)結(jié)合分析。
2.3 水量監(jiān)測(cè)方案
水量的監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)流量監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的，流量的監(jiān)測(cè)是通過(guò)對(duì)流速和水位的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的。泉群各監(jiān)測(cè)斷面，與普通的河流和渠道相比，流量相對(duì)較小，在一定時(shí)段內(nèi)水位變幅不大，對(duì)流速和水位傳感器的分辨率要求較高。對(duì)于本工程中實(shí)施監(jiān)測(cè)的斷面，中豐水期以流量計(jì)監(jiān)測(cè)?？菟诹魉傩。诹髁坑?jì)可能出現(xiàn)較大誤差時(shí)，改用水工建筑物——量水堰推流。每個(gè)斷面需安裝高性能的水位計(jì)。
2.3.1水位計(jì)選擇
由于監(jiān)測(cè)斷面水位變幅小，精度要求高（小于±2mm）,需選擇合適的水位計(jì)。
（1）浮子水位計(jì)。國(guó)際國(guó)內(nèi)常用的浮子水位計(jì)，精度多為厘米級(jí)精度，雖然也有高精度的儀器，但現(xiàn)場(chǎng)安裝較為復(fù)雜——需設(shè)靜水筒，易造成損壞，不予選擇。
（2）電子水尺。國(guó)內(nèi)幾家公司生產(chǎn)的電子水尺，精度多為厘米級(jí)。雖然個(gè)別公司聲稱，其最新產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)±3mm的精度，但目前還沒(méi)有很好的成功案例，不宜選用。
（3）雷達(dá)水位計(jì)和超聲波水位計(jì)。雷達(dá)水位計(jì)和超聲波水位計(jì)都是非接觸式水位計(jì)，性能可靠，使用廣泛，適合大量程水位監(jiān)測(cè)使用，且精度均為厘米級(jí)，不再贅述。
（4）氣泡水位計(jì)。氣泡水位計(jì)主要由高精度的壓力傳感器、氣管、氣泵和一些控制器組成。最近幾年，氣泡水位計(jì)技術(shù)進(jìn)步較快，以其產(chǎn)品種類多、型號(hào)齊全、安裝簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高（可達(dá)到±1mm）等優(yōu)點(diǎn)，已在諸多重要的江河湖泊中廣泛應(yīng)用?？勺鳛楸卷?xiàng)目的候選儀器。
（5）壓力水位計(jì)。壓力水位計(jì)是將壓力傳感器直接置于液體中，用壓力、水深換算水位。壓力水位計(jì)以其儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、低量程精度高（1米變幅內(nèi)可實(shí)現(xiàn)1mm的水位監(jiān)測(cè)精度）、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用。亦可作為本項(xiàng)目的候選儀器。
上述可知?dú)馀菔剿挥?jì)和壓力式水位計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)能滿足本工程水位監(jiān)測(cè)的需要。
2.3.2流量計(jì)選擇
如前文所述，目前技術(shù)條件下流量在線監(jiān)測(cè)方法，有以下幾種可選：
（1）多普勒流量計(jì)。目前在高精度明渠流量測(cè)驗(yàn)方面廣泛應(yīng)用，效果良好。安裝方便，設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可同時(shí)監(jiān)測(cè)流速、流向、水位、水溫、儀器姿態(tài)、斷面流速分布等參數(shù)；
（2）時(shí)差法流量計(jì)。是流量在線監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)儀器，技術(shù)手段成熟，測(cè)量精度高（多通道時(shí)），被廣泛應(yīng)用，尤其在大直徑管道里應(yīng)用較好。但由于設(shè)備安裝復(fù)雜，土建工作量大等因素，它在水位變化較大的明渠上應(yīng)用受到一定限制。
（3）電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)也是成熟的在線流量測(cè)驗(yàn)方法，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，被廣泛用于小流量管道流量在線測(cè)量。工業(yè)應(yīng)用較多，水利行業(yè)應(yīng)用較少。
（4）量水堰。應(yīng)用量水堰測(cè)流，是一項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)，可在渠道上應(yīng)用亦可在大河上應(yīng)用。它可以利用現(xiàn)場(chǎng)地形條件和簡(jiǎn)單的人工整治，得到一定精度的流量。可靠性高，投資較少，可用在流量監(jiān)測(cè)精度不太高的河道或渠道上?？勺鳛楸竟こ塘髁勘O(jiān)測(cè)的備用和補(bǔ)充手段。
本工程流量計(jì)的均采用H-ADCP。
2.3.3方案選擇
泉群匯流出口共有2處，布設(shè)2個(gè)測(cè)流斷面。
 

圖1 1號(hào)斷面監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)位置實(shí)景示意圖
 
（1）1號(hào)斷面寬3.2m，現(xiàn)狀水深1.55m，水深變化范圍在0-1.6m之間，渠道深約為1.8m。流量較小。斷面附近設(shè)有阻水鋼板，由于鋼板與邊壁之間結(jié)合不好，水流自邊壁縫隙中流出，進(jìn)入一段兩岸不規(guī)則且水面較寬的渠段。
 

測(cè)驗(yàn)方法：在阻水鋼板處設(shè)立量水堰，高精度水位計(jì)（1mm分辨率）常年進(jìn)行流量推算。
 

圖2   2號(hào)斷面監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)位置實(shí)景示意圖
 
（2）2號(hào)斷面位于匯流明渠末端，斷面寬5.2m，現(xiàn)狀水深1.1m，水深變化范圍在0-1.2m之間，渠道深約為1.3m。由于流速和比降較小，且豐水和枯水水位變化較大，由于水流容易漫溢，不能在渠道上設(shè)置較高的量水堰。
 

測(cè)驗(yàn)方法：安裝H-ADCP。
2.4 應(yīng)用成果
根據(jù)泉群現(xiàn)狀，按總體目標(biāo)要求，一期工程完成對(duì)對(duì)部分泉群水量的在線監(jiān)測(cè)。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將采集的水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿橹行?，進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算、輸出等處理，滿足查詢、統(tǒng)計(jì)要求。同時(shí)，為整個(gè)系統(tǒng)工程積累了建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，包括完善提高信息采集傳輸系統(tǒng)整體技術(shù)水平，發(fā)現(xiàn)并解決施工中出現(xiàn)的問(wèn)題，為保證全部監(jiān)測(cè)站的建設(shè)質(zhì)量與技術(shù)水平提供示范標(biāo)準(zhǔn)與可靠支撐。
 
3 結(jié) 語(yǔ)
（1）先進(jìn)的量測(cè)技術(shù)和儀器設(shè)備，是獲得高水平測(cè)驗(yàn)成果，保證安全生產(chǎn)的重要手段。進(jìn)行水資源水量監(jiān)測(cè)應(yīng)采用經(jīng)過(guò)鑒定的新技術(shù)、新方法、新儀器和檢驗(yàn)合格的常規(guī)儀器設(shè)備[4]。
（2）流速儀法廣泛用于人工船測(cè)、橋測(cè)、纜道、涉水測(cè)驗(yàn)等，它費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，效率不高。ADCP被認(rèn)為是河流測(cè)驗(yàn)領(lǐng)域的一次革命[2]。它標(biāo)志著河流流量測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代化。但是，ADCP受到磁場(chǎng)影響，高含沙量的影響，河底推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)等限制。
（4）目前我們正面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。工程建設(shè)和管理方面出現(xiàn)的大量問(wèn)題，對(duì)量測(cè)技術(shù)提出了新的要求[5]。進(jìn)行水資源水量監(jiān)測(cè)方法選擇時(shí)應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)合理、切合實(shí)際的原則，避免浪費(fèi)，有適當(dāng)?shù)某靶?，并?yīng)以符合現(xiàn)行水文規(guī)范規(guī)定的測(cè)驗(yàn)精度要求為前提條件。
 
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄂竟平.拓寬服務(wù)領(lǐng)域，提高支撐能力，全面做好“十一五”水文工作[EB/OL]. 中國(guó)水利，2006-04-11.
[2] 田淳，劉少華.聲學(xué)多普勒測(cè)流原理及其應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.
[3] 王錦生.中國(guó)水利百科全書（第2卷）[M].北京：水利電力出版社，1990.
[4 ] 水利部水文局.水資源水量監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則[EB/OL]. 中華人民共和國(guó)水利部，2005-08-12.
[5] 李業(yè)彬.水利量測(cè)技術(shù)近期進(jìn)展綜述[A]。見(jiàn)中國(guó)水利學(xué)會(huì)水利量測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì).水利量測(cè)技術(shù)論文選集（第四集）.鄭州：黃河水利出版社，2005.