河道流量測驗(yàn)技術(shù)展望

摘要：傳統(tǒng)的河道流量測驗(yàn)技術(shù)手段信息化技術(shù)程度不高，不能夠滿足新時(shí)期水利事業(yè)對河道流量測驗(yàn)的要求。文章對傳統(tǒng)的河道流量測驗(yàn)技術(shù)做出了陳述，并分析了現(xiàn)代適用性比較高的幾種河道流量測驗(yàn)技術(shù)，進(jìn)而針對未來河道流量測驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展做出了展望，旨在促進(jìn)我國河道流量測驗(yàn)技術(shù)及水利事業(yè)的健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：河道流量測驗(yàn)技術(shù)；信息化技術(shù)；水利事業(yè)；水文測報(bào)；水資源評價(jià) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV123 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

河道流量測驗(yàn)技術(shù)在幾代水文人的不斷努力下已經(jīng)取得了跨越式的進(jìn)展，就目前情況而言，我國的河道流量測驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)有了很大的改善，例如各種先進(jìn)的科學(xué)儀器在河道流量測驗(yàn)中的使用、水位、降水量能夠自動測報(bào)、測報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了信息化傳輸?shù)取５俏覀儾荒芎雎缘氖?，任何新技術(shù)的發(fā)展和使用都是在經(jīng)典技術(shù)理論的基礎(chǔ)上建立起來了，因此，我們不僅不能忽略河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論，相反，應(yīng)當(dāng)加大對河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論的研究力度并結(jié)合當(dāng)前最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)我國河道流量測驗(yàn)技術(shù)以及我國水利事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論

眾所周知，河流斷面上的各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的流速是不相同的，具體的流速分布情況被水利專家們稱為流速場。河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)也被稱為流速-面積法，就是測驗(yàn)出各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的流速分布情況，進(jìn)而將流速等直線圖繪制出來，然后通過計(jì)算兩相鄰等速線的均值乘以它們之間所夾的面積，并進(jìn)行累加，從而得到具體的河道流量。例如，一個(gè)地區(qū)如果海拔高度在2000米左右，該地區(qū)上有平原、盆地、高山、峽谷等地形，那么我們在進(jìn)行該地區(qū)的河道流量測驗(yàn)時(shí)就要充分考慮到地形因素，從而使得測驗(yàn)出來的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，一般都是通過河流的等高線來進(jìn)行測驗(yàn)，即首先測驗(yàn)出相同等高線之間的面積，然后沿著高程的增高而進(jìn)行累加，進(jìn)而除以整個(gè)地區(qū)的河流面積就可以得到準(zhǔn)確的河道流量。其用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的話就是Q=V·A，即流量等于斷面平均流速乘以過水面積。當(dāng)然，在實(shí)際的河道流量測驗(yàn)中往往會受到很多因素的影響，對一個(gè)地區(qū)進(jìn)行全面的測驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，因此在實(shí)際工作中，測驗(yàn)技術(shù)人員往往是在斷面的同一起點(diǎn)距上沿著水深垂直方向測驗(yàn)n個(gè)點(diǎn)的流速，然后算出平均值，這就是在河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論基礎(chǔ)上延伸出來的垂線平均流速測驗(yàn)法，這種測驗(yàn)技術(shù)不僅克服了經(jīng)典技術(shù)理論過于理想化的缺點(diǎn)，更是有效地把一條垂線上本不相等的各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)流速變成了一條等速垂線，如此河道流量的測驗(yàn)效率就得到很大的提高。但是，無論是多么先進(jìn)的測驗(yàn)儀器，其測驗(yàn)出來的河道流量都只是“真值”或者說是相對真值，而不是完全精確的河道流量，其中是存在一定的誤

差的。

2 現(xiàn)代化河道流量測驗(yàn)技術(shù)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種聲學(xué)儀器和電子儀器的不斷出現(xiàn)可以說使得河道流量測驗(yàn)出現(xiàn)了革命性的變革，也進(jìn)一步推動了水利事業(yè)的跨越性發(fā)展。和傳統(tǒng)的流速儀法、浮標(biāo)法、超聲波法相比，現(xiàn)代的河道流量測驗(yàn)技術(shù)速度更快、效率更高、更精準(zhǔn)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支撐下，測驗(yàn)儀器不僅隨時(shí)地可以收集大量的數(shù)據(jù)，更可以克服水流脈動等因素的影響，使人耳目一新。目前我國常使用的河道流量測驗(yàn)技術(shù)有兩種，分別是利用時(shí)差法超聲波流速儀來測驗(yàn)、利用聲學(xué)多普勒剖面流速儀來測驗(yàn)。

2.1 時(shí)差法超聲波流速儀測驗(yàn)技術(shù)

利用時(shí)差法超聲波流速儀來對河道流量進(jìn)行測驗(yàn)的工作原理就是通過河道一岸的儀器發(fā)射超聲波到對岸的固定裝置上，這樣一來，對岸的固定裝置在接受的聲波流速中就已經(jīng)包含了水流的速度，然后利用數(shù)學(xué)公式就可以得到具體的水流速度，最后使用已經(jīng)得到的水流速度乘以過水面積就可以得到具體的河道流量。值得注意的是，這種測驗(yàn)技術(shù)的最大優(yōu)勢就是可以最大限度地節(jié)省人力、物力資源，但其劣勢也是比較明顯的，即河道流速是受多種因素的影響的，雖然超聲波流速儀采用直線的方式盡可能地降低河道內(nèi)部環(huán)境對測驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，但是如果碰到情況復(fù)雜的河道，其測驗(yàn)數(shù)據(jù)就會有一定的誤差，因此工作人員為了提高測驗(yàn)的精準(zhǔn)度，最好在水面以下的不同水深安裝多組測驗(yàn)儀器，從而測取多條水平線的平均流速，保證測驗(yàn)的數(shù)據(jù)盡可能的精準(zhǔn)，一般來說，安裝的測驗(yàn)儀器越多，其精準(zhǔn)度也就

越高。

2.2 聲學(xué)多普勒剖面流速儀測驗(yàn)技術(shù)

聲學(xué)多普勒剖面流速儀通常被稱作ADCP，其測驗(yàn)河道流量的工作原理是如果振源發(fā)射的超聲波遇到物體（在河道中通常遇到水中的氣泡或者懸浮物等）時(shí)會發(fā)射反射，當(dāng)振源和物體之間進(jìn)行相對運(yùn)動時(shí)，振源接受到的發(fā)射波頻率也會有著一定的變化，這種變化被專家成為頻移，也被稱作多普勒效應(yīng)。ADCP測驗(yàn)技術(shù)是目前應(yīng)用必將廣的一種河道流量測驗(yàn)技術(shù)，主要原因在于ADCP測驗(yàn)技術(shù)相比于其他技術(shù)而言主要有以下四個(gè)

優(yōu)勢：

一是ADCP測驗(yàn)技術(shù)采用了寬帶信號處理技術(shù)，這種技術(shù)可以在保證測驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的情況下最大限度地提高河道流量測驗(yàn)的空間分辨率和時(shí)間分辨率。

二是該技術(shù)的測量范圍比較大，如果我們使用的是600kzHzADCP，那么我們在實(shí)際工作中的測量剖面深度則在0.7～75米之間，這個(gè)測驗(yàn)范圍基本上可以滿足大多數(shù)河道的測驗(yàn)需要了。

三是能夠降低河道含沙量對測驗(yàn)結(jié)果的影響，在我國北方河道的含沙量是比較高的，這給測驗(yàn)工作帶來了很大的影響，而ADCP測驗(yàn)技術(shù)的頻率比較低，從而可以更好地到達(dá)較大的剖面深度；四是操作簡單，能夠節(jié)省大量的人力物力，一臺ADCP儀器只需要兩個(gè)人就可以完成對河道流量的測驗(yàn)，一個(gè)人操作計(jì)算機(jī)，另一個(gè)人操作儀器過河，一般來說，100米寬的河道大概只需要20分鐘左右的時(shí)間就可以完成測驗(yàn)。

3 河道流量測驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

河道流量測驗(yàn)具有極其重要的作用，其不僅關(guān)系到水文水利資源計(jì)算和水資源評價(jià)，更關(guān)系到防洪安全，我國每年都耗費(fèi)大量的人力物力來對河道流量進(jìn)行測驗(yàn)，為了降低河道流量的測驗(yàn)成本，提高測驗(yàn)效率，水文工作者一直在尋找減少流量測驗(yàn)次數(shù)、縮短流量測驗(yàn)時(shí)間的技術(shù)方法。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于聲學(xué)原理的河道流量自動測驗(yàn)技術(shù)得到了水文工作者的廣泛關(guān)注并逐漸的應(yīng)用于各大水文站。

對此，筆者認(rèn)為，隨著《聲學(xué)多普勒測流規(guī)范》的頒布，基于聲學(xué)原理的自動測驗(yàn)技術(shù)將會得到進(jìn)一步的發(fā)展，其中時(shí)差法超聲波流速儀測驗(yàn)技術(shù)和聲學(xué)多普勒剖面流速儀測驗(yàn)技術(shù)將會是未來河道流量測驗(yàn)技術(shù)的主要發(fā)展方向，其主要原因就在于這兩種技術(shù)不僅使用方便，而且不容易受到?jīng)_淤的影響。當(dāng)然，其在選擇水層深度時(shí)需要做較多工作以及在水位變化較大情況下容易出現(xiàn)誤差等缺點(diǎn)也是未來我們亟需解決的問題。

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作者簡介：和永場（1965-），男，河南西華人，河南省周口水文水資源勘測局高級工程師，研究方向：水文測報(bào)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）