流速测量方法研究现状与分析

马进国，郭明航，展小云

(1.宁夏固原市水土保持工作站，宁夏 固原 756000；2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

在土壤侵蚀的发生发展过程中，径流为土壤侵蚀和泥沙运移提供了动力。径流流速是土壤侵蚀的重要水文参数，可用来确定生态系统水文过程和侵蚀-泥沙关系，对其准确估算有利于计算径流动能，预测输沙能力和产沙量[1-2]。但是，基于监测对象的特殊性，如径流发生的随机性、历时长短的不确定性、泥沙含量跨度大等，目前尚没有广泛应用的径流流速测量方法，如何准确测量径流流速一直是国内外学者开展土壤侵蚀试验研究的难点。

在过去的几十年里，国内外学者基于不同的技术和方法研发了多种流速测量仪器，主要包括转子式流速仪、多普勒流速仪、电磁流速仪、粒子流速仪等。但是目前这些仪器多应用于河道水流监测，而小流域径流流速测量则主要是借鉴农田水利明渠流量法等。本研究对目前存在的各种流速测量方法的工作原理、应用局限等进行比较分析，以便清楚认知各种方法的优缺点。此外，针对径流发生发展过程的特殊性，提出了运用现代化技术探索径流流速测量方法的新方向，期望为开展径流泥沙科学研究，如径流挟沙能力、泥沙的沉积特性、泥沙的输移等提供技术支撑，同时提升径流过程监测的自动化和信息化水平，推动水土保持科研和生产实践的发展。

1 流速测量方法

1.1 流速仪法

1.1.1 转子式流速仪

转子式流速仪主要是通过测定水流经过时产生的水流运动能量驱动的转子转矩估算流速[3]。转子式流速仪特定的机械结构，使得其在实际使用中存在一定局限性。例如，传统的转子式流速仪每次只能进行单点测量，无法实现在流态波动较大的情况下对同一个断面多点同时进行测量。此外，转子机械部件容易因漂浮物或水草缠绕而被破坏，从而引发仪器故障；同时转子式流速仪响应速度慢、时效性差，不能自动测量，自动化和信息化程度低。为了克服上述缺点，实现测量的自动化，李德贵等[4]研制了一种新型的LSX-1智能流速测算仪，该仪器抗干扰能力强，并且具有计时、计数、计算、处理、显示等功能。此外，王丽雅等[5]研制了一种手持电阻式旋桨流速仪MLC-1，该仪器工作电流低至500 μA，一节电池可以连续工作300 h，在一定程度上实现了流速测量的自动化，减少了人力投入。

1.1.2 多普勒流速仪

1.1.2.1 声学多普勒仪

声学多普勒仪包括声学多普勒电流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)和超声多普勒仪(Acoustic Doppler Velocimetry, ADV)。声学多普勒仪被广泛应用于一切涉及水流特性的科学研究领域，例如海洋、水上交通、水力、水电、石油、水文、气象等。20世纪90年代末，ADCP被引入并用于流速测量。该类仪器主要是通过水体运动粒子的反射波引起的多普勒频移测量水体的流速，可以测量水流的三维流速[6]。KIM et al.[7]在实验室验证了ADCP的准确性，结果表明用ADCP测得的速度值与常规方法测得的速度值吻合较好，平均测量误差为10.5%，并将ADCP应用于韩国Maekok水文站进行流速测量。但是，ADCP在实际应用中仍存在很大的局限性：其测量距离不能太近，否则无法测得信号，也不能太远，否则信号衰减后无法进行测量，通常要求测量深度大于1.5 cm，宽度大于8 cm[8]。此外，如果ADCP探头与垂直方向夹角为25°，那么将会产生大约为总水深10%的近底盲区。为有效减少ADCP的近底盲区，王元叶等[9]采用数学极值定理，将ADCP处理软件“丢弃”的部分近底流速数据或由于底跟踪丢失而损失的流速数据确定出来，并且用电磁海流计的数据进行验证，发现提取的近底数据准确可靠。再则，该方法对于低流速测量比较准确，但是对于高流速条件下测量结果偏差较大，特别是在发生洪水的情况下，水流含沙量高，这时ADCP的功能就会失效。

ADV主要用于记录单点相对高频率的瞬时速度分量[10-11]，该类仪器在标准配置中采样容器是一个直径6 mm、高度9 mm的圆柱形。范寒柏等[12]设计了一种单探头声学多普勒流速仪，可以测量1.5～2.5 m/s的瞬时流速，并利用卡尔曼滤波技术和自相关算法对数据进行实时的滤波处理，提高了测量结果的稳定性。史雪薇等[13]提出了一种基于超声/电学双模态传感器的流速测量方法，研究结果表明总表观流速的相对误差小于6.32%，分相表观流速的均方根误差小于5.64%。IHARA et al.[14]采用相位差法研制了一种超低速流超声流速仪，结果表明当相位差大于10-3rad时，仪器的总体测量误差在10%以内。DONG et al.[15]提出了一种基于连续波超声多普勒和流场模型的流速测量方法，该方法主要是通过引入速度剖面相关关系，建立水油两相流总体表观速度与感应体中测量的平均速度之间的理论模型。利用该系统在内径为50 mm的水平管道中进行了动态实验，发现总体流速的平均相对误差为3.63%，最大相对误差为12.22%，但是超声束的均匀度、流速剖面对多普勒能量谱的影响较大，进而影响了该类仪器的测量精度。此外，原始的ADV速度数据存在较大的问题，这主要是因为在湍流中ADV获取的速度波动表现为多普勒噪声、信号混叠、速度波动、装置振动和其他扰动的综合作用，并且在采样容器及其边界邻近处的速度剪切可能会进一步对信号产生不利影响[16]。

1.1.2.2 激光多普勒仪

激光多普勒仪(Laser Doppler Velocimetry，LDV)主要是通过建立入射光与散射光的频率差与示踪粒子运动速度的关系实现流速的测定[17]。从测量方式来说，可分为单光束、交叉光束和多光束测量。GARCIA-VIZCAINO et al.[18]设计了一种用于表面位移测量的双组分单光束多普勒测速仪，该仪器可用来测量高达3 m/s的速度，测量误差远远低于1%。这种结构的优点是可以使用单波长激光源和单探测器系统，同时允许对表面位移中速度的两个矢量分量进行符号检测。以双光束型为主的激光多普勒仪存在因探测体积小而导致的物体偏离探测区域无法测速的问题。为了解决该问题，李秀明等[19]提出了一种基于扩展光束的激光多普勒测速系统，该系统对出射的激光束进行两次扩展，在此基础上获得不同散射面积下的多普勒信号，在速度为10～25 m/s时，测量的平均误差为1%～2%。但是，由于流体的散射光较弱，而获取流体速度信息需要足够的光强，需在流体中散播适当尺寸和浓度的微粒子作为示踪粒子，因此LDV测量直接得到的并非流体速度，而是颗粒的运动速度。

1.1.3 电磁流速仪

电磁流速仪的基本工作原理是法拉第电磁感应定律，结合了流体力学和电磁学，根据导电流体运动所产生的感应电势来估算流速。20世纪90年代卢允信等[20]引进中船总七院电磁流速仪，将其改装成适用于野外测流的带有测杆式传感器的YR电磁流速仪，其测速范围为0～10 m/s，分辨率为1 cm/s。宁丽娟等[21]设计的便携式电磁流速仪实现了测速稳定、功能优化、测量精度高，并且体积小，轻便灵活，不怕碰撞及水草缠绕。与转子流速仪相比，电磁流速仪在大江大河上的应用数量明显较少；与ADCP相比，电磁流速仪能采用较小的传感器尺寸和较密集的测点布置，直接测量断面上各点的瞬时流速。此外，应用该类仪器时必须考虑外界磁场、流体介质特性、供电电源等因素，以最大程度地消除各种干扰信号和有效放大流速信号，提高测量的精度和准确度。例如，WANG et al.[22]利用电磁流量计测量了两种轴向速度分布和两种流体电导率分布在流管内不同位置的感应电势和电位差，发现可以利用一组边界电极测量感应电位差推断流体的轴向速度分布，但当轴向速度存在空间变化时，电导率分布对流速的影响较大。

1.1.4 粒子流速仪

粒子流速仪包括粒子图像流速仪(Particle Image Velocimetry, PIV)和粒子追踪流速仪(Particle tracking Velocimetry, PTV)。其中，PIV是20世纪90年代后期发展并逐渐成熟起来的一种流场测量技术，可以深入刻画流体的瞬态过程及其流动细节，具有空间分辨率高和连续测量等优势，目前已应用于田间试验测量人工渠道流速、风沙/水沙两相流流速[23]。与PIV相比，PTV的空间分辨率较小，不能很好地反映流场流速的细节，不适用微尺度的流场。PIV和PTV均突破了空间单点测量的局限性，目前得到了广泛应用。张振等[24]建立了一套完整的河流水面成像测速工作模式(RSIV)，该方法流速测量精度可以达到0.5 mm/s，与雷达法相比，该方法测得的断面平均流速相对误差为1.16%。江杰等[25]利用PTV技术对河流流速进行测量，并与传统浮标法测量结果进行对比分析，结果表明基于PTV技术所测定的河流平均流速为59.2 cm/s，测量误差为8.9%，可见两种方法所测量的流速具有较好的一致性，并且该方法具有解决传统浮标法固有缺陷的能力。但是目前的粒子流速仪仍存在一定的局限性，即图像采集和处理速度仍然受到限制，并且其主要是通过拍摄并测量流场中跟随流体运动颗粒的运动速度来反映流场速度，存在一定的“跟随”问题。此外，粒子的不可回收性对流场产生较大的限制，而且在自然水体中加入示踪粒子有很大的污染性。为了弥补以上缺陷，ELHIMER et al.[26]利用PIV和PTV相结合的方法研究了湍流中粒子的运动特性，发现融合后的技术可以更好地测量粒子和底层流体之间的瞬时和局部速度差异，并且颗粒的局部速度往往与相邻流体的速度不同。

1.1.5 雷达、涡街等流速仪

此外，目前常用的流速仪还有激光雷达流速仪、电容式流速仪、涡街流速仪等。秦福清[27]研制的雷达定位流速仪主要以非接触方式计算水面流速和断面流量，测得的点流速随机不确定度为14.0%，系统误差为1.0%，流量随机不确定度为10.6%，系统误差为-0.5%。该仪器主要用于较大洪水流量的测验，也适合高流速及多漂浮物的情况。王文华[28]研制的S3-SVRⅡ型无线遥控雷达波数字化测流系统误差可以控制在±1%以内，但是随机不确定度超出了规范要求，其测流精度仅能满足中小河流水文监测要求。周颖等[29]提出了一种基于电容耦合式非接触电导测量技术的小通道气液两相流流速测量新方法，该方法利用新型传感器获得两组流体电导信号，再对获得的信号进行互相关运算，最终得到流体的速度值，测得的流速与参考速度相比，速度测量的最大相对误差均小于10%。舒安平等[30]利用毕托管原理成功研制出一种能适用于高浓度水流的新型感压式流速仪，该仪器流速测量范围为0.1～5.0 m/s，而且还能承受含沙量高达765.61 kg/m3的高浓度水流的考验。综上可见，测量流速有多种选择，在实际应用中应该根据预算、人力、期望的数据质量等做选择。多数情况下，同时部署不同类型的仪器可能是最佳选择。

1.2 明渠水流流量法

对于非常规则的明渠，流速测量采用流量法，即根据测得的流量计算流速。常用的设备有薄壁三角量水堰和巴歇尔槽，但是这些方法仅适用于稳定流态或低含沙量状态的流量测定[31-32]。目前不少学者将该类方法用于径流流速的测量，但是根据对薄壁三角量水堰和巴歇尔槽长期的应用实践发现，径流中泥沙的沉积性和径流量变幅大两个主要因素制约了这两种方法在径流流速测量中的应用。

1.2.1 薄壁三角量水堰

在用薄壁三角量水堰观测时，通过量水堰形状的设计，试图将上方来流中不同的流速归一化成一个稳定流速，而在形成稳定水流的过程中，现有的形状设计会使径流泥沙沉积在量水堰的稳流池内，使得稳流池的基础抬升，从而造成水位测量值变小，流经堰口的径流流速变大。如此一来，薄壁三角量水堰标定计算公式与实测的条件就出现了差异。这是薄壁三角量水堰测量径流量误差偏大或者不甚适用的最主要原因。

1.2.2 巴歇尔槽

在用巴歇尔槽观测时，巴歇尔槽的型号和尺寸与径流量有严格的对应关系，也就是说特定型号的巴歇尔槽仅适合相应的径流量观测。由于降雨量、降雨强度大小的随机性使得径流量大小变幅大，径流发生时间难以预知，因此某一特定型号的巴歇尔槽并不能兼顾变幅较大的径流量监测。此外，泥沙沉积在一定程度上影响了水位高度的测量，这样会给流速计算带来较大的影响。

1.3 示踪法

示踪法多用于坡面薄层水流流速测量，其中染料示踪法是目前研究者最常用的坡面流速测定方法。该方法操作简单，但存在人为目视产生的误差，使得测量的误差较大[33]。为了克服这一问题，研究者提出了盐液示踪法，其基本原理是利用含盐水流与非含盐水流电导率的不同来确定含盐水流到达被测断面所需要的时间[34]。相对于流速而言，泥沙含量的变化对该方法中的经验系数K值影响更大，而坡面侵蚀过程中泥沙含量是不断变化的，从而导致该方法中的经验系数K值无法确定[35]。此外，史晓楠等[36]提出了一种基于电解质的坡面薄层水流流速测量新方法，并且提出了电解质示踪法测量流速的正态模型，结果表明该模型在距盐溶液注入点1 m以外的流速测量相对误差小于5%，而在距注入点0.5 m处，模型测量的相对误差高达13.9%，预测准确度有待提高。

1.4 其 他

在20世纪60年代中期，以两相流为基础的测量系统逐步发展起来。MESCH et al.[37]把相关流速测量技术应用到流体流动特性的研究中，对稳定流体和非稳定流体的传播方式进行实验验证。周洁等[38]提出了一种基于光信号互相关法测量气固两相流中固体颗粒平均运动速度的方法，该方法具有较高的测量精度，测量结果的相对误差小于10%。向廷元等[39]研制的纸浆光学相关流量计，可测流速范围为0.4～6 m/s，达到1.5级仪表精度。王为等[40]基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的电导式径流流速测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速，发现该测量系统可测量的泥沙含量范围为0～250 kg/m3，测量相对误差为4.5%，测量准确度较高。

综上所述，尽管众多学者提出了多种水流流速测量方法，但多用于河道水流或清水水流。受径流中泥沙颗粒大小组成和泥沙含量的不确定性、泥沙的黏附性、沉积性等径流特性的影响，目前多数流速测量方法并不能适用于沟道径流测定，并且小流域中普遍使用的薄壁三角量水堰和巴歇尔槽的准确度不够，以致其适用性也成为问题。

2 展 望

由于径流监测对象的特殊性和监测技术方法的不足，径流流速测量结果的准确度和可靠性与径流过程监测的实际需要相去甚远，因而目前仍然没有完全满足监测需要的技术方法。为了满足当前水土保持学科发展和水土流失防治的迫切需求，建议以下面两点为重点研究目标：

(1)融合土壤侵蚀实验监测技术、自动化控制技术、精密传感技术等现代科学技术，创建能够对小流域径流流速实现实时、快速、准确测量的系统，为小流域径流流速的多点位动态测量提供新的监测方法，揭示过流断面径流流速和径流量的时空异质性，促进水土保持学科实验技术的发展，以深化和支撑土壤侵蚀过程、机理、预报、防治等水土保持科学研究和生产实践。

(2)以获取径流流速和径流量变化过程数据为核心，研制适用于小流域断面径流流速的实时、自动监测仪，实现断面径流量的精准计算，并开发“互联网+”框架下的径流流速监测仪-监测数据管理的信息化应用平台，实现数据的远程传输、异地访问、多点数据分析、可视化呈现，以及仪器设备的远程状态监控，为径流监测、水文管理提供信息化的管理平台，以填补国内外径流流速测量仪器设备的空白，提高水土保持监测设备研发水平，引领和培育水土流失监测仪器设备行业和企业的发展。