灌區(qū)量測水方法與技術(shù)研究進(jìn)展

邵帥超，章少輝，張 凱，劉建麗

（流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

0 引 言

量測水是灌區(qū)水資源優(yōu)化配置和現(xiàn)代化管理的基本手段，是提高灌溉水有效系數(shù)的重要途徑[1-5]。針對使用情景及現(xiàn)狀條件，選擇適合的量測水方法與技術(shù)可以大大提高計量精度、降低輸配水系統(tǒng)風(fēng)險事故發(fā)生的概率，對實現(xiàn)灌區(qū)用水的可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義和影響[6]。

盡管諸多學(xué)者針對農(nóng)業(yè)節(jié)水已經(jīng)開展了大量研究，我國灌溉水利用率與發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距。不當(dāng)?shù)挠嬃考夹g(shù)選擇與設(shè)備選用造成水量計量誤差大，進(jìn)而降低了灌溉水利用率。我國灌區(qū)量測水主要分為3 個階段：20 世紀(jì)中期，國內(nèi)開始重視量測水技術(shù)的研究應(yīng)用，水工建筑物量水為主要形式，相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為緩慢[7,8]。20 世紀(jì)80 年代，量測水技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，大量量測水技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用于灌區(qū)[9]。諸多學(xué)者先后提出了圓柱形量水槽[10]、機(jī)翼形量水槽[11-13]等多種量測設(shè)施，快速推動了建筑物量測水發(fā)展。隨著超聲波、電磁波[14]等術(shù)的更新?lián)Q代，國內(nèi)外發(fā)明了大量的新型量測水設(shè)備，并進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值模擬工作，量測設(shè)備的準(zhǔn)確性、抗干擾性都有很大進(jìn)步。楊紅玲等[15]發(fā)現(xiàn)，相較流速儀，超聲波流量計測量明渠流量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、不影響流態(tài)，可與微機(jī)配合使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和傳輸。2020 年，量測技術(shù)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展期。精準(zhǔn)量測是智慧灌區(qū)發(fā)展的基石與瓶頸，在硬件技術(shù)上，雷達(dá)、紅外等非接觸式技術(shù)在量測水方面具有便捷、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點，且可進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時傳輸。目前對于有高精度量測水要求的渠道或河道，無接觸式量測水技術(shù)仍然受到現(xiàn)有技術(shù)局限性的約束，無法達(dá)到量測要求，可考慮通過接觸式和非接觸式量測水技術(shù)相結(jié)合的方式來進(jìn)行量測。在模型算法上，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，利用模型算法在新型量測設(shè)備研發(fā)和數(shù)據(jù)處理上也展開了一系列的研究[16,17]。

綜上所述，亟需開展針對灌區(qū)不同條件下量測水方法和技術(shù)在實際應(yīng)用以及研究發(fā)展方面的相關(guān)研究，為灌區(qū)信息化發(fā)展提供支撐。為此，本文系統(tǒng)歸納了灌區(qū)量測水方法與技術(shù)適用性與優(yōu)缺點，詳盡闡述了量測水方法與技術(shù)存在問題及改進(jìn)方法，為推動灌區(qū)量測水技術(shù)發(fā)展提供支持。

1 研究進(jìn)展

1.1 水工建筑物量水研究進(jìn)展

水工建筑物量水是一種基于能量守恒原理，利用閘門、跌水等渠道固有建筑物進(jìn)行量測的手段，是最先被使用在大型渠道上的量測水方法之一[7]。由于利用水工建筑物量水可以減少量測水設(shè)備建設(shè)和運行的投資，且水頭損失小，目前仍是灌區(qū)干、支渠等大渠道在量測水時的第一選擇。

閘門量水是常見的水工建筑物量水方法之一。管光華等[18]針對閘門自由出流和淹沒出流對應(yīng)公式算出的理論值和實測值誤差較大的問題，提出了基于實測數(shù)據(jù)的流量計算方法，模擬結(jié)果精度很高，可對不同流態(tài)的過閘水流進(jìn)行模擬。針對U 形渠道縱坡較大時缺少合適的量測水設(shè)備這一問題，SEAK S 等[19]通過建立不同條件下跌水口水深和臨界水深之間的關(guān)系，進(jìn)而得到斷面流量，即僅需在跌水口處設(shè)置水深監(jiān)測裝置就可對流量進(jìn)行量測。這種方法可將誤差控制在10%以內(nèi)，對斗渠及以下U 形渠道的流量量測提供了一種經(jīng)濟(jì)便捷的方式。見表1。

1.2 特設(shè)量水設(shè)備量水研究進(jìn)展

特設(shè)量水設(shè)備量水指為實現(xiàn)渠道流量測定而專門修建的建筑物進(jìn)行測流的方法，包括量水槽和量水堰，量水槽和量水堰都是對斷面進(jìn)行科學(xué)收縮以產(chǎn)生臨界流來進(jìn)行測流的。其中，量水槽量水是當(dāng)前灌區(qū)明渠最易推廣的一種量測水技術(shù)，對其進(jìn)行升級改造，可以大大促進(jìn)灌區(qū)量測水技術(shù)發(fā)展，提高數(shù)據(jù)測量精度。

在形狀上對量水槽進(jìn)行升級改造，可提高其量測精度并擴(kuò)大其適用范圍。呂宏興等[11]提出了機(jī)翼形量水槽，并在U形渠道上開展研究，發(fā)現(xiàn)相比于拋物線量水槽、直臂式量水槽和長喉道量水槽，其具有水頭損失小、精度高、便于操作等優(yōu)點。劉鴻濤等[20,21]和潘志寶等[22]分別在矩形渠道和梯形渠道擴(kuò)展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)翼形量水槽在這3種斷面渠道上均可適用。默月[23]在機(jī)翼形量水槽上配備了自主研發(fā)的水位傳感器，能夠達(dá)到測量準(zhǔn)確、顯示穩(wěn)定可靠等效果，以此實現(xiàn)了渠道的自動化量測水。為進(jìn)一步擴(kuò)大量水槽的量測范圍，劉鴻濤等[24]參照賽鴿翼的形狀，發(fā)明了仿賽鴿翼截面曲線形量水槽，相較于機(jī)翼形量水槽，其精度更高、壅水高度更低并且適用范圍更廣。見表1。

針對梯形量水堰測流范圍小和易淤積的問題，高飛飛等[25]提出了一種堰孔組合的新型量水堰。新型量水堰在底部增設(shè)了一個孔口，由于其結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，過流規(guī)律也隨之發(fā)生變化，傳統(tǒng)堰的量測公式不再適用。基于量綱一化分析原理，利用實驗室實測數(shù)據(jù)和FLUENT模擬數(shù)據(jù)，擬合出了一個新的綜合流量系數(shù)表達(dá)式，其測流的平均相對誤差為2.63%。

1.3 流速—面積法量水研究進(jìn)展

流速—面積法量水作為國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛且最基本的量測水方法，量測精度較高，常作為其他量測水技術(shù)測流的率定手段。但由于其測流過程較為復(fù)雜繁瑣、測流耗時長，一般不建議采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式流速儀和旋杯式流速儀在大型渠道上進(jìn)行流量測定。隨著技術(shù)不斷更新?lián)Q代，超聲波等技術(shù)日趨成熟。盡管超聲波流量計等新型儀器價格較高，但其測量準(zhǔn)確，可適用于復(fù)雜流態(tài)，且可對較寬的大型渠道進(jìn)行流量量測，是順應(yīng)流速—面積法量水的未來發(fā)展方向的。

流速—面積法量水的原理基于斷面流速分布規(guī)律，為探究渠道斷面流速垂向流速分布規(guī)律，諸多專家針對不同斷面渠道的流場分布規(guī)律進(jìn)行了探索。在KEDEGAN[26]提出明渠斷面流速呈對流速分布規(guī)律之后，COLES[27]結(jié)合尾流函數(shù)對其進(jìn)行了修正。諸多學(xué)者[28-32]針對不同形式過流斷面的流速分布規(guī)律開展研究，分別利用指數(shù)率、對數(shù)率、拋物線和雙冪律擬合等方法針對垂向流速分布進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)引入尾流函數(shù)修正后的對數(shù)率分布雖具有較高的精度，但尾流函數(shù)的計算受水深影響，在實際使用中會存在不便。常用的擬合方法中，雙冪律和拋物線分布擬合效果最好，指數(shù)率和對數(shù)率擬合效果稍差。為快速得到斷面流量，王寶賀等[33]提出基于水面一點法的非接觸式流量計算方法，解決了傳統(tǒng)流速儀測流難度大的問題。根據(jù)HAUET 等[34]研究得知，中垂線平均流速和斷面的平均流速近似相等，且中垂線平均流速與中垂線水面流速具有恒定比例關(guān)系，其關(guān)系不隨水深、流量等參數(shù)變化，僅與渠道本身相關(guān)。王寶賀等利用拋物線函數(shù)對其垂向流速進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)比例關(guān)系確實存在，且與HAUET 等研究結(jié)果一致，從而建立了中垂線水面流速與斷面平均流速的關(guān)系，實現(xiàn)了通過中垂線水面流速來獲取斷面平均流速，其方法可為其他灌區(qū)的測流工作提供思路。

利用數(shù)值模擬對實際渠道流場進(jìn)行模擬是一種研究流速分布規(guī)律的有效方式[35-37]。程科等[38]基于計算流體力學(xué)（Computational Fluid dynamics,CFD）對順直梯形明渠的流速分布規(guī)律進(jìn)行研究，對比了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）分別在寬淺渠和窄深渠上進(jìn)行的模擬結(jié)果，在利用剛蓋假定法和VOF（Volume of Fraction）法處理渠道自由水面后，結(jié)合PISO算法對壓力—流速場進(jìn)行了解耦。模擬結(jié)果顯示：剛蓋假定法在模擬寬淺渠時效果更好，利用VOF 法處理窄深渠更合適。RNGk-ε模型的模擬結(jié)果最穩(wěn)定，在模擬順直渠道模擬中表現(xiàn)較好。范恬等[39]基于圓柱繞流模型和流速—面積法，提出了利用橫向擺桿式測流裝置進(jìn)行測流的新方法，通過建立擺桿的水平轉(zhuǎn)動角度θ和斷面流速v之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來獲取流量，對物理實驗和數(shù)值計算結(jié)果獲得的θ和v進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.99 以上。利用該裝置測得的流量精度與電磁流量計相近，平均測量誤差僅為2.31%，為提高灌區(qū)測流準(zhǔn)確度提供了一種新方法。

對于不規(guī)則斷面的大型渠道或河道，用傳統(tǒng)的流速—面積法測流工作量極大。利用多普勒原理來進(jìn)行測流，可以快速、精準(zhǔn)地對不規(guī)則斷面的渠道或河道進(jìn)行流量和流速分布的測定。聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)作為一種集多學(xué)科技術(shù)為一體的量測設(shè)備，是通過多普勒原理來取得流速大小，進(jìn)而求得斷面流量。它具有精度高、能耗小的優(yōu)點，可在工況復(fù)雜情況下進(jìn)行工作。利用不同類型ADCP 進(jìn)行渠道流量量測及流速研究的案例很多[40-43]，給斷面流量的量測和流速分布規(guī)律的研究提供了便利（見圖1）。袁德忠等[44]針對常用量測水技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)格單元與斷面平均流速關(guān)系無法準(zhǔn)確推求流量這一問題，提出基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型，利用H-ADCP 對測得的各單元流速，建立與傳統(tǒng)量測水技術(shù)測得的斷面流速之間的關(guān)系，共構(gòu)建了支持向量機(jī)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、極限學(xué)習(xí)機(jī)3 種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對8 種網(wǎng)格單元分配方案進(jìn)行了模擬。其中，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型效果最好，為機(jī)器學(xué)習(xí)融入量測水技術(shù)提供了新思路。

圖1 走航式ADCP流速測量剖面圖Fig.1 Navigation ADCP flow velocity measurement profile

在技術(shù)更新上，超聲波流量計等新型量測設(shè)備和傳統(tǒng)流速儀量水具有相同級別的準(zhǔn)確度，且前者在便捷程度、適用性等方面均有很大優(yōu)勢。李效賢[45]于廣東省東深供水工程渠首太園泵站，首次針對大型渠道，進(jìn)行了超聲波流量計測流與流速儀測流對比試驗，結(jié)果表明超聲波流量計與流速儀測流具有相同等級測量精度。楊紅玲等[15]經(jīng)過對比分析，超聲波流量計適用性強(qiáng)，可實現(xiàn)水情數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和傳輸。ZHENG D等[46]為進(jìn)一步提高超聲波流量計的量測準(zhǔn)確性，通過CFD 建模驗證的方法模擬傳感器突出和凹陷的情景，對比實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示突出的傳感器是一種更好的布置類型，其精度更高。

1.4 水位—流量法量水研究進(jìn)展

水位—流量法量水指利用渠道中穩(wěn)定的水位—流量關(guān)系，通過觀測渠道水位來得到流量，具有經(jīng)濟(jì)、方便的優(yōu)點。但渠道運行過程中，水位—流量關(guān)系不是恒定不變的，需定期對其進(jìn)行校核，是目前無法大面積推廣的主要原因。

針對利用水位—流量單一對應(yīng)關(guān)系量水不準(zhǔn)確的問題，程銀才等[47]采用基于時間序列和動態(tài)數(shù)據(jù)處理的門限方法進(jìn)行改進(jìn)，利用黃山市呈村水文站1998 年實測水位流量資料，進(jìn)行2種方法的對比，結(jié)果顯示新方法的準(zhǔn)確度更高。由于資料有限，影響因子僅限于水位變量，其水位—流量關(guān)系在多變量影響下的使用有待進(jìn)一步探究。2017年，YIHONG M 等[48]針對明渠流量測定方法不足的問題，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合分段流量的計算，設(shè)計了一種多截面的分段流量計算方法，并利用流速—面積法率定，結(jié)果表明多截面流量計算方法具有更高的準(zhǔn)確性。

利用水位—流量關(guān)系可對雷達(dá)探頭等新型儀器測流時存在的測流盲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充。宋秋英等[49]針對多普勒雷達(dá)探頭在流速較小時誤差較大這一問題，依據(jù)上下游水位差來反求水位差與流量之間的關(guān)系，對雷達(dá)探頭的測流盲區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，利用SonTek S5 聲學(xué)多普勒流速儀和浮標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測，對水位差和流量之間曲線進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果顯示兩者形成的函數(shù)曲線擬合關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99 以上。利用該方法可以很好地彌補(bǔ)雷達(dá)測流盲區(qū)的數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)多普勒雷達(dá)測流的缺陷。

利用網(wǎng)絡(luò)模型模擬的方法對流量進(jìn)行預(yù)測在經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性上具有很大優(yōu)勢。針對灌區(qū)量水中傳統(tǒng)的曲線擬合方法存在精度不足、流態(tài)不易確定的問題，YASEEN Z M 等[50]為推求馬來西亞的Johor 河流的日徑流量，通過RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測，結(jié)果顯示RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的精度和可靠性。張娜[51]針對該問題，分別利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對干渠流量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度最高?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再利用遺傳算法建立GA—BP模型和利用改進(jìn)的粒子群算法建立IIWPSO—BP 模型，通過對比得知IIWPSO—BP 模型的穩(wěn)定性和精度均更具優(yōu)勢。趙力學(xué)等[52]利用變分模態(tài)分解（VMD）能夠處理非平穩(wěn)序列的優(yōu)勢，結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能較好處理非線性擬合的優(yōu)點，提出了一種基于VMD—BP 的流量預(yù)測方法，通過該方法處理長江宜昌水文站1998、1999 年水位—流量數(shù)據(jù)的誤差為1.61%，目前已被當(dāng)?shù)夭捎?。表明該方法在流量預(yù)測方面具有較高的推薦價值。

采用非線性最小二乘法（NLS）擬合水位—流量關(guān)系曲線在對數(shù)變換時存在方差不穩(wěn)定的問題，李應(yīng)求等[53]利用基于Box—Cox 變換的極大似然估計（MLE）進(jìn)行改進(jìn)，將其應(yīng)用于湘江流域衡陽、株洲等6 個測站，結(jié)果表明基于Box—Cox的MLE 方法可以更好地擬合水位和流量之間的關(guān)系，應(yīng)用范圍也更廣。同時發(fā)現(xiàn)對數(shù)變換屬于Box—Cox 變換中的一種，在建立水位—流量關(guān)系時，具有一定的借鑒意義。

2 討 論

作為灌區(qū)節(jié)水的重要手段，量測水在灌區(qū)日常調(diào)度運行中同樣起著重要作用。近年來，盡管相關(guān)學(xué)者為經(jīng)濟(jì)、快速和準(zhǔn)確地測得渠道流量已經(jīng)展開展了大量研究，量測設(shè)備的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性均有明顯改進(jìn)；利用模型模擬對設(shè)備進(jìn)行研發(fā)改造也有不少案例。但筆者認(rèn)為量測水在以下3方面尚需進(jìn)一步研究。

（1）在流速分布的機(jī)理研究方面。機(jī)理研究作為人們認(rèn)識自然規(guī)律的重要方法，主要分為2種方法：一種為通過試驗實測數(shù)據(jù)直接分析總結(jié)規(guī)律，得到的結(jié)論容易被接受；另一種為通過實測數(shù)據(jù)率定模型，再通過模型構(gòu)建來分析結(jié)果和總結(jié)規(guī)律。針對流速分布規(guī)律的機(jī)理研究同樣主要分為以下2方面：一方面是試驗研究，另一方面是模型模擬研究。關(guān)于試驗研究，針對不同類型斷面渠道，利用框架式流速儀、ADCP、移動測流車等方法，對不同渠道類型、渠道尺寸、水深、糙率等參數(shù)條件下的流速分布規(guī)律進(jìn)行分析，探究各參數(shù)條件對流速分布的影響[39]。關(guān)于模型模擬研究，利用FLUENT、FLOW-3D 等水動力學(xué)軟件對各種渠道流速分布規(guī)律進(jìn)行模擬研究，來獲取更全面的流速分布規(guī)律。在明確流速分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，探究關(guān)鍵點流速與斷面平均流速間的函數(shù)關(guān)系，為灌區(qū)快速測流提供便利[38,54]。

（2）在數(shù)據(jù)驅(qū)動模型方面。實時感知數(shù)據(jù)的采集和傳輸是數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，量測水作為獲取實時感知數(shù)據(jù)的重要手段，在數(shù)字孿生灌區(qū)建設(shè)中有至關(guān)重要的作用[55]。隨著人工智能的不斷進(jìn)步，在流量預(yù)測方面，可利用深度學(xué)習(xí)在考慮邊坡系數(shù)、縱坡、底寬、水深、糙率等參數(shù)共同作用下，建立觀測參數(shù)與流量之間穩(wěn)定復(fù)雜的繩套關(guān)系，以達(dá)到快速準(zhǔn)確預(yù)測流量的效果[56]。然而深度學(xué)習(xí)技術(shù)基于龐大的數(shù)據(jù)量才能發(fā)揮其優(yōu)勢，當(dāng)數(shù)據(jù)量不足時難以對目標(biāo)變量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。為此可考慮結(jié)合機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，利用機(jī)理模型對自然規(guī)律的認(rèn)知和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型對數(shù)據(jù)規(guī)律的分析方面的優(yōu)勢，形成機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的耦合模型[16]。針對不同應(yīng)用場景，合理選擇耦合模式，構(gòu)建滿足計算精度和效率的模型。

（3）在儀器設(shè)備研發(fā)方面。非接觸式技術(shù)作為新時代背景下的新興技術(shù)手段，包括超聲波、激光、雷達(dá)和視頻圖像等技術(shù)。非接觸式量測水技術(shù)作為目前灌區(qū)測流的未來發(fā)展方向，具有不受水體干擾、裝卸方便等優(yōu)點。非接觸式量測水技術(shù)已在灌區(qū)有應(yīng)用實例[57-59]，但在精度、可靠性等方面仍無法與接觸式量測水技術(shù)相比。應(yīng)在技術(shù)成本和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性均衡條件下，加大對非接觸式量測水技術(shù)的研發(fā)力度，提升其精度、可靠性等，力爭使之成為灌區(qū)量測水的主流技術(shù)，為智慧灌區(qū)感知數(shù)據(jù)的獲取提供可靠依據(jù)，為建立全面的感知體系提供數(shù)據(jù)支撐[60]。