浅论水资源水量监测技术及应用

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“十一五”期间国家重点建设的防洪安全、城市供水保障等大型监测体系都需要有水资源水量监测子系统。“十一五”水文发展主要任务之一，是强力提升水文水资源监测能力，提高水文测报能力和测报自动化水平 [1]。本文对比分析了流量测验方法的适用性，结合案例介绍了监测技术的应用。快速、准确地开展流量测验，已经成为水资源保护、开发和利用以及防汛抗旱的基本要求[2]。
1 监测技术简述
流量测验是水文工作的主要任务之一。中国的流量测验，以流速仪法、浮标法为主[3]。随着过河设备的改进，流速仪测流能力和浮标法的适应能力都有很大的提高。研制和改进了流速仪、回声测深仪、超声波测速仪等仪器，对流量测验误差、浮标系数、用铅鱼测深的悬索偏角改正、堰闸测流、动船测流、潮水河测验方面作了许多实验研究工作，制订了有中国特点的规范。在世界上，尽管流量测验方法很多，但仍以流速仪法、浮标法、比降法为主。中小河流量水建筑物的应用也比较广泛。
传统的流量测验手段（如旋浆式流速仪法）由于其历时长、自动化程度低等固有的缺点，越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要；不稳定流、受潮汐影响以及受人类活动影响的流量测验，使用传统的测验手段更是难以实现[2]。先进的量测技术、量测仪器和试验设备，是取得高精度测验成果、获得高水平科研成果、取得科技新突破和证安全生产的重要手段。
1.1常用测验方法
（1）流速面积法。这是使用最广泛的方法。其基本原理是：通过横断面上单元面积的流量是该面积与水流速度(流速)的乘积。分别测量各个部分的流速和面积即可求得流量。此类方法要在断面上布设许多测深垂线，在垂线上测量水深，并测定垂线与岸上断面起点桩间的距离，即起点距。施测水深可以用测深杆、测深锤、铅鱼或回声测深仪。两相邻垂线起点距之差即部分宽，乘以部分平均水深，即为部分面积，其总和即断面面积，根据断面测量的资料，可以绘出以起点距为横坐标、河床高程为纵坐标的断面图。该方法一般使用流速仪施测。常规的作法是在部分或全部测深垂线上用流速仪测定流速，用部分平均流速与部分面积之乘积作为部分流量，部分流量的总和即为断面流量。
（2）建筑物法。基本原理是：通过跨河建筑物的流量同上游水头，上下游水位差等存在的函数关系。可以在断面上设置标准形式的水量建筑物，观测水位，用水利学公式推算流量。此法精度好，工作方便，但造价较高，一般用于中小河流。河流、渠道上的涵闸、水库的泄水建筑物、抽水站水电站的过水设备等，在条件适合时，也可用来测量流量，但其流量系数要在现场用其他方法实测流量来进行率定。包括：①量水槽。最适合含沙量大的河渠使用，施测范围0.006—90m3/s。②量水堰。根据出口断面形状不同，量水堰可分为三角形、矩形、梯形、抛物线型，适用于含沙量小的河流，实测范围0.001-1.0m3/s。
（3）浮标法。要设置上、中、下三个断面。从上游投放浮标，测定其流经上下断面的历时和经过中断面的位置。以上下断面间距除以历时求得浮标流速，再乘以系数，可求得垂线平均流速。然后，用类似流速仪法的步骤，计算部分流量与断面流量。有水面浮标、浮杆、双浮标等形式。
（4）超声波法。适用于含沙量较小、漂浮物较少的河流。通过在河的两岸用换能器同时朝着两个方向发射穿透水体的脉冲信号来测量声波在水中的传播速度。或是将两个换能器安装在同一河岸，在另一岸设置反射器或转换器。换能器的安装位置应使发出的脉冲在一个方向是逆水传播，在另一个方向上是顺水传播。这两个超声波速度之间的差值与该换能器所在高程上水流的速度有关。该速度又可同整个断面的平均流速建立关系，同时具备断面面积和水位间的关系后，可以通过实测的流速和水位推求流量。
（5）电磁法。适用于水草丛生、漂浮物较多、河床冲淤严重的河道。当水流穿过一个垂直磁场，电磁感应在河流两岸之间形成小电势。用一个线圈横埋在河床或桥底部，构成一个过水的磁场。所产生的电势与河宽、磁场和断面平均流速成正比。断面平均流速与过水断面面积的乘积即为断面流量[4]。
1.2流量自动测量
声学法流量测量仪器又被称为超声波流量仪器，这是因为早期使用的声波频率基本上在超声波的频率范围内，而目前已发展到较高频率，所以统称为声学法流量测量仪器。在明渠中应用声学流量仪器测流，测得流量的原理属流速面积法。它是先直接测得某水层的平均流速或某垂线、某部分水层平均流速，并以此由经验模型推算出断面平均流速。有时需要加入水位因素进行断面平均流速计算。过水断面面积由已知断面形状参数和自动测得的当时水位推算。断面平均流速与过水断面面积之积即为断面流量[3]。
从测速原理上分类，可分为多普勒法和时差法二类声学流量仪器。
1.2.1多普勒法声学流量测量仪器
仪器工作原理及组成：声波在水中传播时，遇到水中泥沙、气泡等物体会反射回来。如果这类物体随水流等速运动，反射回来的声波会发生与此物体运动速度成正比的频率变化（多普勒频移）。测得回波的多普勒频移，就可计算出水流速度。基于这一原理的测速仪器称为多普勒法声学流量测量仪器。这类仪器工作时要固定安装在水下。按所需测量水流剖面的不同，分为座底式和水平式等类型。
（1）座底式：将探头安装在测流断面某一流速有代表性的垂线河底，换能器向上方发射声波，测得探头上方这一垂线上的流速分布，同时测得水位。座底式安装测速时不受水位变化影响，可测得一条完整的垂线流速数据，有利于建立与断面平均流速的关系，测量水位也很方便。但是缺点也很明显。河流中部水底安装比较困难，冲淤变化较大时，影响会比较严重，电缆的引接特别困难，还要预防船只破坏、影响。所以，这种安装方式只适用于渠道、不通航的人工运河、小型河流。
（2）水平式：将探头安装在测流断面水下的一侧河岸上。水平朝向对岸发送声波。测得探头所在水层一定距离内的流速分布。视所用仪器不同，可测得最小20m最大200m范围内的水层各单元流速。单元数从20～128个或更多。同时测得水位。水平式安装在河岸上，比较方便，电缆安装也简单些，受冲淤影响不大，也比较好保护。测得水层流速也有较好的代表性。是比较普遍采用的方式。缺点是选择水层深度需做较多工作，水位变化较大时，很难有较好的代表性。另外水深较小时，仪器的水平测速距离会受水深影响。如果测量距离只是河宽的一部分，会影响断面平均流速的准确性。水平式适用于各类渠道、中小河流。但断面宽深比不可太大。
1.2.2时差法声学流量测量系统
仪器工作原理及安装：声波在静水中传播时，在水的温度、密度、盐度一定时，声速是恒定的。如果水是流动的，那么声波顺水传播的速度为声速加上水速，逆水时为声速减去水速。利用这个原理，在测流断面上下游某一水层二岸各安装一声学探头，与水流夹角45°左右，测出顺流、逆流时二探头间声波传播的时间差，再根据二探头间距离和当时水中声速就可计算出断面上这一水层的平均流速。这一方法称为时差法测流。
时差法流量测量系统，同样需要测量水位。一般可配置各种类型自动水位计。
仪器种类和适用范围：系统应用时要在河流两岸安装相应的声学探头。主站控制仪要有电缆与本岸的探头相联接。而对岸的探头如果也用电缆与本岸控制仪相联接，称为有线式；否则，称为无线式。时差法声学流量计可以测量宽达1000m或数km的断面，对断面的宽深比没有什么要求，可以用于宽浅河流。对泥沙含量、流速的适应性也优于多普勒法。它测到的是整个水层流速，具有更好的代表性，测速准确度也较高。但价格较贵、结构复杂影响了这类仪器的推广。
（注：“时差法声学流量计可以测量宽达1000m或数km的断面，……”出处，《水资源水量监测技术导则》，中华人民共和国水利行业标准）
 
2 监测技术的典型应用
以某泉群水量监测工程为例。
2.1 水量监测工程建设原则
监测工程建设遵循“先进、可靠、美观、安全、开放”的原则。
（1）在技术上有前瞻性，在采集、通信和资料后处理系统中有较高的技术含量。使工程整体水平处于国内先进水平。
（2）性能可靠，监测工程采用可靠的传感器和相关配件，以增强监测工程的可靠性，稳定性，并尽可能降低监测工程维护费用。
（3）监测工程地处著名的人文和自然景区，仪器设备外形的设计风格与景区和谐。
（4）监测工程应用软件能保证数据与业主的其他系统有良好的兼容性。
2.2 监测断面选择
（1）选择水流条件较好的断面，监测断面要求水流平顺，无激流、侧流、回流。
（2）选择泉群汇流处的断面，有多个汇流出口的泉群每个出口均设置监测断面。
（3）监测断面两岸要求平坦、无障碍物，便于仪器设备安装调试。
（4）控制区段内的全部水量，无漏测、重测。
（5）有利于水量与水质结合分析。
2.3 水量监测方案
水量的监测是通过对流量监测实现的，流量的监测是通过对流速和水位的监测实现的。泉群各监测断面，与普通的河流和渠道相比，流量相对较小，在一定时段内水位变幅不大，对流速和水位传感器的分辨率要求较高。对于本工程中实施监测的断面，中丰水期以流量计监测。枯水期流速小，在流量计可能出现较大误差时，改用水工建筑物——量水堰推流。每个断面需安装高性能的水位计。
2.3.1水位计选择
由于监测断面水位变幅小，精度要求高（小于±2mm）,需选择合适的水位计。
（1）浮子水位计。国际国内常用的浮子水位计，精度多为厘米级精度，虽然也有高精度的仪器，但现场安装较为复杂——需设静水筒，易造成损坏，不予选择。
（2）电子水尺。国内几家公司生产的电子水尺，精度多为厘米级。虽然个别公司声称，其最新产品能实现±3mm的精度，但目前还没有很好的成功案例，不宜选用。
（3）雷达水位计和超声波水位计。雷达水位计和超声波水位计都是非接触式水位计，性能可靠，使用广泛，适合大量程水位监测使用，且精度均为厘米级，不再赘述。
（4）气泡水位计。气泡水位计主要由高精度的压力传感器、气管、气泵和一些控制器组成。最近几年，气泡水位计技术进步较快，以其产品种类多、型号齐全、安装简单、性能可靠、精度高（可达到±1mm）等优点，已在诸多重要的江河湖泊中广泛应用。可作为本项目的候选仪器。
（5）压力水位计。压力水位计是将压力传感器直接置于液体中，用压力、水深换算水位。压力水位计以其仪器结构简单、安装方便、低量程精度高（1米变幅内可实现1mm的水位监测精度）、价格较低等优点，也被广泛应用。亦可作为本项目的候选仪器。
上述可知气泡式水位计和压力式水位计，主要技术指标能满足本工程水位监测的需要。
2.3.2流量计选择
如前文所述，目前技术条件下流量在线监测方法，有以下几种可选：
（1）多普勒流量计。目前在高精度明渠流量测验方面广泛应用，效果良好。安装方便，设备长期稳定性好，可同时监测流速、流向、水位、水温、仪器姿态、断面流速分布等参数；
（2）时差法流量计。是流量在线监测的传统仪器，技术手段成熟，测量精度高（多通道时），被广泛应用，尤其在大直径管道里应用较好。但由于设备安装复杂，土建工作量大等因素，它在水位变化较大的明渠上应用受到一定限制。
（3）电磁流量计。电磁流量计也是成熟的在线流量测验方法，性能稳定，价格低廉，被广泛用于小流量管道流量在线测量。工业应用较多，水利行业应用较少。
（4）量水堰。应用量水堰测流，是一项传统技术，可在渠道上应用亦可在大河上应用。它可以利用现场地形条件和简单的人工整治，得到一定精度的流量。可靠性高，投资较少，可用在流量监测精度不太高的河道或渠道上。可作为本工程流量监测的备用和补充手段。
本工程流量计的均采用H-ADCP。
2.3.3方案选择
泉群汇流出口共有2处，布设2个测流断面。
 

图1 1号断面监测仪器布设位置实景示意图
 
（1）1号断面宽3.2m，现状水深1.55m，水深变化范围在0-1.6m之间，渠道深约为1.8m。流量较小。断面附近设有阻水钢板，由于钢板与边壁之间结合不好，水流自边壁缝隙中流出，进入一段两岸不规则且水面较宽的渠段。
 

测验方法：在阻水钢板处设立量水堰，高精度水位计（1mm分辨率）常年进行流量推算。
 

图2   2号断面监测仪器布设位置实景示意图
 
（2）2号断面位于汇流明渠末端，断面宽5.2m，现状水深1.1m，水深变化范围在0-1.2m之间，渠道深约为1.3m。由于流速和比降较小，且丰水和枯水水位变化较大，由于水流容易漫溢，不能在渠道上设置较高的量水堰。
 

测验方法：安装H-ADCP。
2.4 应用成果
根据泉群现状，按总体目标要求，一期工程完成对对部分泉群水量的在线监测。利用GPRS网络技术，将采集的水情数据传输到水情中心，进行存储、分析、计算、输出等处理，满足查询、统计要求。同时，为整个系统工程积累了建设经验，包括完善提高信息采集传输系统整体技术水平，发现并解决施工中出现的问题，为保证全部监测站的建设质量与技术水平提供示范标准与可靠支撑。
 
3 结 语
（1）先进的量测技术和仪器设备，是获得高水平测验成果，保证安全生产的重要手段。进行水资源水量监测应采用经过鉴定的新技术、新方法、新仪器和检验合格的常规仪器设备[4]。
（2）流速仪法广泛用于人工船测、桥测、缆道、涉水测验等，它费工、费时，效率不高。ADCP被认为是河流测验领域的一次革命[2]。它标志着河流流量测验的现代化。但是，ADCP受到磁场影响，高含沙量的影响，河底推移质运动等限制。
（4）目前我们正面临新的挑战和机遇。工程建设和管理方面出现的大量问题，对量测技术提出了新的要求[5]。进行水资源水量监测方法选择时应注重经济合理、切合实际的原则，避免浪费，有适当的超前性，并应以符合现行水文规范规定的测验精度要求为前提条件。
 
参考文献：
[1] 鄂竟平.拓宽服务领域，提高支撑能力，全面做好“十一五”水文工作[EB/OL]. 中国水利，2006-04-11.
[2] 田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[M].郑州：黄河水利出版社，2003.
[3] 王锦生.中国水利百科全书（第2卷）[M].北京：水利电力出版社，1990.
[4 ] 水利部水文局.水资源水量监测技术导则[EB/OL]. 中华人民共和国水利部，2005-08-12.
[5] 李业彬.水利量测技术近期进展综述[A]。见中国水利学会水利量测技术专业委员会.水利量测技术论文选集（第四集）.郑州：黄河水利出版社，2005.