水文工作中测流技术革新探析

施 艺

（四川省成都水文水资源勘测局，四川 成都 611130）

传统水文工作中，老式的流速仪、浮标等测流方式，得到广泛的应用与发展。通过流速仪法测出垂线平均流速，再用流速——面积法算出全断面流量，是传统水文的“看家本领”之一，也是不同类型的测流仪器、技术方法进行率定和校核的标准。随着社会经济的高速增长，水资源的开发利用不断地加快，传统的仪器和方法已无法完全满足新形势下工作的需要，提出了水文现代化建设的新要求。

随着科技水平的提高，特别是电子产品与声学技术的快速发展，大量的新仪器和设备运用到了水文测验工作中，目前国内引进的先进测流仪器设备中，最常见的有声学多普勒剖面流速仪与电波流速仪两种。

1 声学多普勒剖面流速仪

1.1 测流原理

声学多谱勒剖面流速仪，简称为ADCP。测流原理是，当辐射源（仪器）的辐射波（超声波）跟物体（如水体中的悬移质或小气泡）接触时产生反射；当辐射源与物体之间产生相对运动时，接收到的反射波频率会与发射出的辐射波频率之间发生频移现象，这种由于辐射源和反射物之间相对运动而产生的频移现象，被称为多谱勒效应；ADCP通过多普勒效应测量出频移差，进而算出水流运动的速度。

声学多普勒效应中，发辐射波与反射波之间的频率差，计算公式如下：

式中：Fd——频率差；

F——发射的频率；

V——反射物的移动速度（即水流相对速度）；

C——超声波水下传播速度。

一般用走航式ADCP进行测流，将ADCP安装于载体（船或橡皮艇等）上。当载体沿横断面穿过河流时，通过ADCP发射出固定频率的超声波，然后接收不同水深中众多反射物（悬移质或小气泡）散射回来的超声波，测量出频率差（频移），通过计算得到反射物的运动速度。载体在移动过程中测得的反射物的运动速度，是水流相对于运动载体的相对速度，需要扣除载体的移动速度，求得水流运动的速度。

1.2 计算方法

得到整个断面的流速分布场之后，可以通过以下3种方法计算实测流量。

1.2.1 等流速曲线

通过各反射物的流速值，绘制出断面流速分布图，即等流速曲线，对相邻两条曲线的值取平均，再乘以它们之间的面积，得到该部分面积的流量即部分流量，部分流量经过累加后得到断面流量。

1.2.2 垂线平均流速

根据断面宽度，沿断面划出多条垂线，根据各反射物的流速值，分别计算出各垂线的平均流速，对相邻两条垂线取平均流速，再乘以它们之间的面积，得到该部分面积的流量，即部分流量，部分流量累加即可得到断面流量。

1.2.3 水平线平均流速

根据水深，沿水深划出多条从一岸到另一岸的水平线，再根据各反射物的流速值，分别计算出各水平线的平均流速，对相邻两条水平线取它们的平均流速，再乘上它们之间的面积，则可得到该部分面积的流量，即部分流量，部分流量经过累加后即可得到断面流量。

1.3 特性分析

走航式ADCP测流具有明显的先进性，一般由仪器配套的软件自动计算流量，配套软件一般采用第一种方法进行计算。

在实际工作中，通过与流速仪流量测验进行对比测量，建立相关性，走航式ADCP测流的允许误差能够满足《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）规定，符合测验精度的要求，目前已大量运用在水文测验工作中。该方法不用架设缆道、对水体基本不造成干扰、受天气的影响也较小。其不足在于，当流速偏大（大于3.0 m/s）时，测量难度大，仪器容易受水流与漂浮物影响，而流速很小（小于0.1 m/s）时，经常出现测不出数据（数据丢失）的情况，根据有关资料与平时测量结果，一般情况下，使用走航式ADCP测流需要往返4次以上（单边算1次），否则流量成果的误差会超过允许误差，所以走航式ADCP测流不具备连续测流的功能。

2 电波流速仪

2.1 电波流速仪底堡站测流

电波流速仪，又称雷达波流速仪，同样是一种利用多普勒效应来测量水流速度的仪器，仪器通过用连续波雷达来实现回波的相位信息，即利用发射信号的水面回波与基准信号的多普勒频率差来提取速度信息。

使用电波流速仪测流的目的是为了解决河流汇流速度快、洪水陡涨陡落等常规流量测验困难的情况。现在电波流速仪在测站的使用一般是用来进行高洪测流，解决高洪情况下洪水流速大、陡涨陡落，使用流速仪测验时设备易产生安全隐患、测量时间紧、易受水面漂浮物和水草干扰，以及浮标测验时人员安全得不到保障、测量精度不高、受人为及天气等因素影响大的问题。

目前在很多测站工作中，电波流速仪的使用还未正式开展，使用记录及应用经验较少，各个测站还需要研究出电波流速仪测流的适用范围与相应的可行性方案，率定出电波流速仪的系数，为电波流速仪在汛期涨大水时的使用提供依据。

根据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）、《水文缆道测验规范》（SL 443-2009）、《水文资料整编规范》（SL 247－2012）对电波流速仪的系数进行分析。步骤如下：

采用底堡站2017年资料，共17次电波流速仪测量资料进行分析；将各个电波流速仪测次的相应水位在已定好的流速仪水位～流量关系线上进行查读，得到其线上流量；根据各个电波流速仪测次所测得的断面虚流量与线上流量作比较，计算相对偏差和比值；计算所有电波流速仪测次所测得的断面虚流量与线上流量相对偏差的系统差，其系统误差应小于3%；点绘电波流速虚流量与线上流量的相关关系图，求解回归方程，得到相关系数与相关关系；将电波流速仪乘以系数后的流量在已定好的流速仪水位～流量关系线上进行检验。

电波流速仪系数分析及检验成果见表1。

电波流速仪虚流量与流速仪流量的相关性见图2。

通过分析可以看出，底堡水文站电波流速仪所测流量较为稳定，分析后得到电波流速仪的系数为0.79，比测成果符合《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）要求，能够用于断面流量测验。

表1 系数分析成果表

2.2 特性分析

通过分析，电波流速仪测流的精度高于浮标法测流，符合《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）测流精度的要求。不仅解决了浮标测验用

图2 系数分析相关图

［收稿日期］2018-05-20；［修回日期］2018-06-28 1.227万hm2，有效灌溉面积1.072万hm2，其中纯河灌区0.039万hm2。由于纯河灌区还延续大水漫灌，灌水次数不足、灌水定额偏大，加之渠系工程不配套、防渗率较低等因素，输水损失较大。据测算，纯河灌区灌溉水利用系数约为0.35。而井灌区由于灌溉成本高，灌溉类型也多为防渗渠道，灌溉水利用系数可达到0.60。因此对昌源河灌区进行节水配套改造、发展高效节水灌溉意义重大。

3.3 管理水平

灌区灌溉用水主要由水工队负责，包括灌溉用水的配水、计量、水费收缴等内容。由于灌区末级渠系配套差，计量设施不健全，根本无法达到计量到田、收费到户的要求。用水调配存在很大的随意性，用水量没有限制，使供水管理失去了科学性，增加了盲目性，造成了水资源的浪费。收费制度不合理，在供水管理中，灌区对用水组织实施斗口以方计征制，用水组织对农户实施以亩计征制，造成了灌区水效低下，水源浪费。同时，农民的用水户协会的运作还存在不规范、不合理的一面，如规章制度不健全，组织不严密，经费没保障等，这些都是制约灌区管理发展的不利因素。

4 对策及建议

4.1 加大田间配套工程建设

干、支渠道及建筑物进行节水改造建设后，灌区骨干工程面貌有所改善，但节水效益是通过斗、农、毛三级渠道的配套改造和综合治理才体现出来的。田间水利工程配套改造，如果单纯依靠村级水利管理组织和用水户协会，其力量十分有限，应积极争取地方各级财政资金和水利专项资金的投入。将地方农田水利基本建设项目、其它小型农田水利项目，优先和重点安排在灌区受益区。渠系建设突出各级渠系与骨干渠道整体发展的连带关系，集中体现上级投资的导向与拉动作用，有效提高灌区的用水效率和效益，更好地为祁县的农业发展提供服务。

4.2 提升管理水平

建立工程运行管理新机制，提高灌溉工程的自动化监测控制水平，推动灌区自动化、数字化建设的进程，加大灌区信息化工程建设投入。同时，组织受益村村委会参与灌溉运作，使农村用水组织向正规化、科学化管理迈进。进一步提高灌区末级渠系管理水平，真正做到量水到户，促进节水、提高水效，使灌区管理逐步纳入良性运行的轨道。

4.3 推进水价改革

建立合理的水价体系，用经济手段来促进节水。结合目前正在推进的农业水价综合改革内容，进一步完善农田水利工程体系，通过建设灌区范围内渠道工程的配套计量设施，建立和完善水量动态监测，从而科学合理分配水权，对农业用水实行总量控制和定额管理，建立起农业用水精准补贴和节水奖励机制，健全农业水价形成机制，提高农业用水效率，促进农业节水和农业可持续发展。