淺論水資源水量監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

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“十一五”期間國家重點建設(shè)的防洪安全、城市供水保障等大型監(jiān)測體系都需要有水資源水量監(jiān)測子系統(tǒng)。“十一五”水文發(fā)展主要任務(wù)之一，是強力提升水文水資源監(jiān)測能力，提高水文測報能力和測報自動化水平 [1]。本文對比分析了流量測驗方法的適用性，結(jié)合案例介紹了監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用?？焖?、準(zhǔn)確地開展流量測驗，已經(jīng)成為水資源保護、開發(fā)和利用以及防汛抗旱的基本要求[2]。
1 監(jiān)測技術(shù)簡述
流量測驗是水文工作的主要任務(wù)之一。中國的流量測驗，以流速儀法、浮標(biāo)法為主[3]。隨著過河設(shè)備的改進，流速儀測流能力和浮標(biāo)法的適應(yīng)能力都有很大的提高。研制和改進了流速儀、回聲測深儀、超聲波測速儀等儀器，對流量測驗誤差、浮標(biāo)系數(shù)、用鉛魚測深的懸索偏角改正、堰閘測流、動船測流、潮水河測驗方面作了許多實驗研究工作，制訂了有中國特點的規(guī)范。在世界上，盡管流量測驗方法很多，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)的流量測驗手段（如旋漿式流速儀法）由于其歷時長、自動化程度低等固有的缺點，越來越不能滿足經(jīng)濟社會和水文事業(yè)發(fā)展的需要；不穩(wěn)定流、受潮汐影響以及受人類活動影響的流量測驗，使用傳統(tǒng)的測驗手段更是難以實現(xiàn)[2]。先進的量測技術(shù)、量測儀器和試驗設(shè)備，是取得高精度測驗成果、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常用測驗方法
（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。分別測量各個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)許多測深垂線，在垂線上測量水深，并測定垂線與岸上斷面起點樁間的距離，即起點距。施測水深可以用測深桿、測深錘、鉛魚或回聲測深儀。兩相鄰垂線起點距之差即部分寬，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)斷面測量的資料，可以繪出以起點距為橫坐標(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。常規(guī)的作法是在部分或全部測深垂線上用流速儀測定流速，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。基本原理是：通過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，但造價較高，一般用于中小河流。河流、渠道上的涵閘、水庫的泄水建筑物、抽水站水電站的過水設(shè)備等，在條件適合時，也可用來測量流量，但其流量系數(shù)要在現(xiàn)場用其他方法實測流量來進行率定。包括：①量水槽。最適合含沙量大的河渠使用，施測范圍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，實測范圍0.001-1.0m3/s。
（3）浮標(biāo)法。要設(shè)置上、中、下三個斷面。從上游投放浮標(biāo)，測定其流經(jīng)上下斷面的歷時和經(jīng)過中斷面的位置。以上下斷面間距除以歷時求得浮標(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。通過在河的兩岸用換能器同時朝著兩個方向發(fā)射穿透水體的脈沖信號來測量聲波在水中的傳播速度?；蚴菍蓚€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)出的脈沖在一個方向是逆水傳播，在另一個方向上是順?biāo)畟鞑?。這兩個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)。該速度又可同整個斷面的平均流速建立關(guān)系，同時具備斷面面積和水位間的關(guān)系后，可以通過實測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)水流穿過一個垂直磁場，電磁感應(yīng)在河流兩岸之間形成小電勢。用一個線圈橫埋在河床或橋底部，構(gòu)成一個過水的磁場。所產(chǎn)生的電勢與河寬、磁場和斷面平均流速成正比。斷面平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e的乘積即為斷面流量[4]。
1.2流量自動測量
聲學(xué)法流量測量儀器又被稱為超聲波流量儀器，這是因為早期使用的聲波頻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)法流量測量儀器。在明渠中應(yīng)用聲學(xué)流量儀器測流，測得流量的原理屬流速面積法。它是先直接測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?zāi)Ｐ屯扑愠鰯嗝嫫骄魉佟Ｓ袝r需要加入水位因素進行斷面平均流速計算。過水?dāng)嗝婷娣e由已知斷面形狀參數(shù)和自動測得的當(dāng)時水位推算。斷面平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e之積即為斷面流量[3]。
從測速原理上分類，可分為多普勒法和時差法二類聲學(xué)流量儀器。
1.2.1多普勒法聲學(xué)流量測量儀器
儀器工作原理及組成：聲波在水中傳播時，遇到水中泥沙、氣泡等物體會反射回來。如果這類物體隨水流等速運動，反射回來的聲波會發(fā)生與此物體運動速度成正比的頻率變化（多普勒頻移）。測得回波的多普勒頻移，就可計算出水流速度?；谶@一原理的測速儀器稱為多普勒法聲學(xué)流量測量儀器。這類儀器工作時要固定安裝在水下。按所需測量水流剖面的不同，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，測得探頭上方這一垂線上的流速分布，同時測得水位。座底式安裝測速時不受水位變化影響，可測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，測量水位也很方便。但是缺點也很明顯。河流中部水底安裝比較困難，沖淤變化較大時，影響會比較嚴(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、不通航的人工運河、小型河流。
（2）水平式：將探頭安裝在測流斷面水下的一側(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個或更多。同時測得水位。水平式安裝在河岸上，比較方便，電纜安裝也簡單些，受沖淤影響不大，也比較好保護。測得水層流速也有較好的代表性。是比較普遍采用的方式。缺點是選擇水層深度需做較多工作，水位變化較大時，很難有較好的代表性。另外水深較小時，儀器的水平測速距離會受水深影響。如果測量距離只是河寬的一部分，會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時差法聲學(xué)流量測量系統(tǒng)
儀器工作原理及安裝：聲波在靜水中傳播時，在水的溫度、密度、鹽度一定時，聲速是恒定的。如果水是流動的，那么聲波順?biāo)畟鞑サ乃俣葹槁曀偌由纤?，逆水時為聲速減去水速。利用這個原理，在測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，測出順流、逆流時二探頭間聲波傳播的時間差，再根據(jù)二探頭間距離和當(dāng)時水中聲速就可計算出斷面上這一水層的平均流速。這一方法稱為時差法測流。
時差法流量測量系統(tǒng)，同樣需要測量水位。一般可配置各種類型自動水位計。
儀器種類和適用范圍：系統(tǒng)應(yīng)用時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，稱為無線式。時差法聲學(xué)流量計可以測量寬達1000m或數(shù)km的斷面，對斷面的寬深比沒有什么要求，可以用于寬淺河流。對泥沙含量、流速的適應(yīng)性也優(yōu)于多普勒法。它測到的是整個水層流速，具有更好的代表性，測速準(zhǔn)確度也較高。但價格較貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜影響了這類儀器的推廣。
（注：“時差法聲學(xué)流量計可以測量寬達1000m或數(shù)km的斷面，……”出處，《水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》，中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）
 
2 監(jiān)測技術(shù)的典型應(yīng)用
以某泉群水量監(jiān)測工程為例。
2.1 水量監(jiān)測工程建設(shè)原則
監(jiān)測工程建設(shè)遵循“先進、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內(nèi)先進水平。
（2）性能可靠，監(jiān)測工程采用可靠的傳感器和相關(guān)配件，以增強監(jiān)測工程的可靠性，穩(wěn)定性，并盡可能降低監(jiān)測工程維護費用。
（3）監(jiān)測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)計風(fēng)格與景區(qū)和諧。
（4）監(jiān)測工程應(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)測斷面選擇
（1）選擇水流條件較好的斷面，監(jiān)測斷面要求水流平順，無激流、側(cè)流、回流。
（2）選擇泉群匯流處的斷面，有多個匯流出口的泉群每個出口均設(shè)置監(jiān)測斷面。
（3）監(jiān)測斷面兩岸要求平坦、無障礙物，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，無漏測、重測。
（5）有利于水量與水質(zhì)結(jié)合分析。
2.3 水量監(jiān)測方案
水量的監(jiān)測是通過對流量監(jiān)測實現(xiàn)的，流量的監(jiān)測是通過對流速和水位的監(jiān)測實現(xiàn)的。泉群各監(jiān)測斷面，與普通的河流和渠道相比，流量相對較小，在一定時段內(nèi)水位變幅不大，對流速和水位傳感器的分辨率要求較高。對于本工程中實施監(jiān)測的斷面，中豐水期以流量計監(jiān)測?？菟诹魉傩?，在流量計可能出現(xiàn)較大誤差時，改用水工建筑物——量水堰推流。每個斷面需安裝高性能的水位計。
2.3.1水位計選擇
由于監(jiān)測斷面水位變幅小，精度要求高（小于±2mm）,需選擇合適的水位計。
（1）浮子水位計。國際國內(nèi)常用的浮子水位計，精度多為厘米級精度，雖然也有高精度的儀器，但現(xiàn)場安裝較為復(fù)雜——需設(shè)靜水筒，易造成損壞，不予選擇。
（2）電子水尺。國內(nèi)幾家公司生產(chǎn)的電子水尺，精度多為厘米級。雖然個別公司聲稱，其最新產(chǎn)品能實現(xiàn)±3mm的精度，但目前還沒有很好的成功案例，不宜選用。
（3）雷達水位計和超聲波水位計。雷達水位計和超聲波水位計都是非接觸式水位計，性能可靠，使用廣泛，適合大量程水位監(jiān)測使用，且精度均為厘米級，不再贅述。
（4）氣泡水位計。氣泡水位計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，氣泡水位計技術(shù)進步較快，以其產(chǎn)品種類多、型號齊全、安裝簡單、性能可靠、精度高（可達到±1mm）等優(yōu)點，已在諸多重要的江河湖泊中廣泛應(yīng)用?？勺鳛楸卷椖康暮蜻x儀器。
（5）壓力水位計。壓力水位計是將壓力傳感器直接置于液體中，用壓力、水深換算水位。壓力水位計以其儀器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、低量程精度高（1米變幅內(nèi)可實現(xiàn)1mm的水位監(jiān)測精度）、價格較低等優(yōu)點，也被廣泛應(yīng)用。亦可作為本項目的候選儀器。
上述可知氣泡式水位計和壓力式水位計，主要技術(shù)指標(biāo)能滿足本工程水位監(jiān)測的需要。
2.3.2流量計選擇
如前文所述，目前技術(shù)條件下流量在線監(jiān)測方法，有以下幾種可選：
（1）多普勒流量計。目前在高精度明渠流量測驗方面廣泛應(yīng)用，效果良好。安裝方便，設(shè)備長期穩(wěn)定性好，可同時監(jiān)測流速、流向、水位、水溫、儀器姿態(tài)、斷面流速分布等參數(shù)；
（2）時差法流量計。是流量在線監(jiān)測的傳統(tǒng)儀器，技術(shù)手段成熟，測量精度高（多通道時），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。電磁流量計也是成熟的在線流量測驗方法，性能穩(wěn)定，價格低廉，被廣泛用于小流量管道流量在線測量。工業(yè)應(yīng)用較多，水利行業(yè)應(yīng)用較少。
（4）量水堰。應(yīng)用量水堰測流，是一項傳統(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)場地形條件和簡單的人工整治，得到一定精度的流量?？煽啃愿?，投資較少，可用在流量監(jiān)測精度不太高的河道或渠道上?？勺鳛楸竟こ塘髁勘O(jiān)測的備用和補充手段。
本工程流量計的均采用H-ADCP。
2.3.3方案選擇
泉群匯流出口共有2處，布設(shè)2個測流斷面。
 

圖1 1號斷面監(jiān)測儀器布設(shè)位置實景示意圖
 
（1）1號斷面寬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，進入一段兩岸不規(guī)則且水面較寬的渠段。
 

測驗方法：在阻水鋼板處設(shè)立量水堰，高精度水位計（1mm分辨率）常年進行流量推算。
 

圖2   2號斷面監(jiān)測儀器布設(shè)位置實景示意圖
 
（2）2號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。
 

測驗方法：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，一期工程完成對對部分泉群水量的在線監(jiān)測。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將采集的水情數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿橹行模M行存儲、分析、計算、輸出等處理，滿足查詢、統(tǒng)計要求。同時，為整個系統(tǒng)工程積累了建設(shè)經(jīng)驗，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)的問題，為保證全部監(jiān)測站的建設(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
（1）先進的量測技術(shù)和儀器設(shè)備，是獲得高水平測驗成果，保證安全生產(chǎn)的重要手段。進行水資源水量監(jiān)測應(yīng)采用經(jīng)過鑒定的新技術(shù)、新方法、新儀器和檢驗合格的常規(guī)儀器設(shè)備[4]。
（2）流速儀法廣泛用于人工船測、橋測、纜道、涉水測驗等，它費工、費時，效率不高。ADCP被認(rèn)為是河流測驗領(lǐng)域的一次革命[2]。它標(biāo)志著河流流量測驗的現(xiàn)代化。但是，ADCP受到磁場影響，高含沙量的影響，河底推移質(zhì)運動等限制。
（4）目前我們正面臨新的挑戰(zhàn)和機遇。工程建設(shè)和管理方面出現(xiàn)的大量問題，對量測技術(shù)提出了新的要求[5]。進行水資源水量監(jiān)測方法選擇時應(yīng)注重經(jīng)濟合理、切合實際的原則，避免浪費，有適當(dāng)?shù)某靶?，并?yīng)以符合現(xiàn)行水文規(guī)范規(guī)定的測驗精度要求為前提條件。
 
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