非接触式明渠水流监测技术的发展现状

徐立中，张 振，严锡君，王慧斌，王 鑫

（河海大学计算机与信息学院，江苏 南京 211100）

0 引言

天然河道与人工渠道中的明渠水流测量系统是山洪地质灾害防治非工程措施的重要组成部分，也是河流水文学、动力学等研究的科学基础。从某种意义上说，明渠水流测量技术的发展历程也是水文测验学[1-2]和水信息技术[3]的发展历程。根据传感器与待测水流的相对位置关系，通常可以将明渠水流测量技术分为接触式和非接触式 2 大类。

在 20 世纪 80 年代以前，国内外几乎所有水文站都采用基于转子式流速仪[4]的流速-面积法观测河道断面布置点的平均流速并计算流量。由于具有准确、稳定、结构简单、易于掌握的特点，这种经典的接触式测流仪器依然是我国河流流量测验的主要工具[5]。但由于天然河流复杂的紊动特性难以利用点测量技术获取，或代价很高，且恶劣的现场环境亦大大增加了水文测验的难度，长久以来不仅导致洪水和干旱等极端条件下的河流流速、流场及总径流变化速率等水流信息难以及时获取，而且导致人们对明渠紊流的认识受限，许多水利工程中应当用紊流理论进行求解的流体力学问题都得不到很好地解决。近年来，在传感器及嵌入式系统快速发展的推动下，实时的明渠水流监测技术取得了长足进步，特别是基于声学、光学、电波及图像的非接触式测流仪器显著提高了水文测验及水利量测的效率及安全性[6]。然而对一般用户而言，新技术的全面理解和综合评价却往往是项艰巨的任务。

本文将首先介绍几种非接触式测流仪器的原理、性能及适宜性，然后分析当前水文测验及水利工程对现代明渠水流监测技术的应用需求和潜力，最后对新技术的发展前景进行展望，以供水文工作者及仪器开发人员借鉴。

1 非接触式明渠水流监测技术

1.1 声学法

1.1.1 声学多普勒法

声学多普勒流速仪通过检测超声回波的多普勒频移量来测量流速[7]。当发射频率为 fs的声波以声速 在水中传播时，被以速度ν运动的泥沙、气泡或漂浮物等粒子反射，形成接收频率为 fR的回波；如果运动粒子和接收换能器之间的距离缩短，则接收回波的频率增大，反之则减小。这种现象被称作多普勒效应，频率的改变量被称为多普勒频移 fD，满足如下关系：

式中：θ 为发射波和水流方向的夹角；系数 2 表示自发自收模式下的频移加倍。测得 fD= |fR- fs| 就可以计算出水流的运动速度，符号表示运动方向。

基于声学多普勒原理的测流仪可分为点流速仪（ADV）和剖面流速仪（ADCP）2 类。

1）ADV 主要面向高精度的三维点流速测量。其工作频率在 MHz 量级，因此多采用脉冲相干技术；采样点距探头 5～10 cm，测点可以离边界非常近；探头很小，几乎不干扰流场，适用于浅滩、沼泽等低速水流的涉水测量，在国外巡测使用较多。

2）ADCP 主要面向河流应用。测量的是 1 条水平线或 1 根垂线上的流速分布。根据工作方式的不同 ADCP 又可分为走航式、座底式和水平式 3 种：a）走航式安装在横跨河流运动的测船上。在测得多根垂线流速分布的同时，可以通过河床的反射回波实现底跟踪测量船速，并用回波测深法获得水深信息，从而得到断面的水下地形数据。但当河底有推移质运动时，会导致底跟踪失效，此时要配合船用DGPS 测量船速。流量计算采用流速-面积法。b）座底式安装在河底某一处或几处流速具有代表性的垂线上，向水面发射超声波，测得垂线的流速分布及水位。c）水平式安装在河流或渠道的岸边，测得1 个水层的流速分布。要从代表水层或垂线得到断面平均流速，需要通过标准测量方法建立率定关系模型，并结合已知的断面资料得到过水面积，才能计算实时流量。因此，后 2 种固定式 ADCP 通常用于断面资料丰富的天然河道或形状规则、易于建模的人工渠道。还有一种应用较少的固定安装方式是将ADCP 安装在较稳定的水面漂浮平台上，向下发射超声波，测量垂线的流速分布，达到自动测量的目的。

ADCP 的发展与应用使垂线三维脉动流速分布的测量成为可能，标志着天然河流剖面流速测量技术的现代化。其优点是适用范围广，自动化程度高，能够快速测量大水深的流速分布，且时空分辨率较高；走航式 ADCP 能同时勘测断面形状，而固定式 ADCP 配合数据存储和远距离传输的遥测终端机（RTU），可在无人值守的情况下在野外长期工作；所测的声波后向散射强度等数据经标定后还可用来估计水体中的悬沙浓度。因为这些特点，ADCP 成为目前最为先进的流速流量自动测量仪器。ADCP 的不足在于：测量时需要将换能器置于水体中，会干扰流态；鉴于动船法的危险性，走航式 ADCP 无法施测高洪流量；由于水体介质和悬浮物的散射作用会降低信噪比，水平式 ADCP 应用水层的宽度通常小于 200 m；而座底式 ADCP 的测量精度依赖于高水段流量率定关系的建模精度；此外，尽管宽带调制技术改善了测量范围，但盲区对测量水深的限制依然不可忽略。目前基于声学多普勒原理的测流仪器已经形成较完整的产品体系，如美国某公司已开发出用于涉水测量的 FlowTracker 手持式 ADV，用于中小型河流的 M9 型走航式 ADCP，Argonaut-SL 型水平式 ADCP 和 Argonaut-XR 型座底式 ADCP，但昂贵的设备购置及维护费用也限制了产品的大面积推广。

1.1.2 声学时差法

声学时差法流速仪通过测量顺流、逆流时声波在断面间传播的时间差计算水层的平均流速[8]。如图 1 所示，仪器将 2 个超声波换能器 A 和 B 分别部署于明渠两岸同一水层的上、下游处，两者依次对射穿透水体的脉冲信号，并测量声波在水中传播的时间 tAB和 tBA。由于水温、密度及盐度一定时，声波在静水中传播的声速是恒定的，则 A 和 B 所在水层的平均流速νι可表示为：

式中：L 为换能器 A 和 B 间的直线距离；θ 为 A 和 B连线和水流方向的夹角，一般为 45°。

图1 声学时差法流速仪原理示意图

利用水层平均流速计算断面流量的理论公式为

式中：k 为断面流量系数；A 为过水断面面积。实际应用时，单一水层的水深覆盖范围可达 ±4 m，一般部署 1～2 个水层即可满足测流需求，但流速转换关系往往要复杂得多。

声学时差法的换能器工作时接收的是另一换能器直接发射的超声波，相比水平式 ADCP 信号更强，应用水层可宽达数千米；由于测得的是整个水层的平均流速，具有较好的代表性。最大的缺点是需要在两岸安装设备，仪器的防护和供电较为困难，限制了该方法的推广使用。

由于上述仪器需要将换能器浸没入水，因此在严格意义上，声学法属于一种准非接触式方法。

1.2 光学法

频闪式光学流速仪采用同步频闪测速的原理获取水面流速[9]。仪器由低倍望远镜、转镜、变速电机和转速仪组成，如图 2 所示。当测量流速时，观测者在岸上的观测点处通过仪器的望远镜俯视水面，可以从目镜中看到连续的水面运动图像。调节转镜的角速度 ω，当转速与水面流速达到同步时，运动图像趋于静止，此时水面流速νs由转镜的角速度和仪器光轴至水面的垂直距离νs决定，可表示为

图2 频闪式光学流速仪原理示意图

频闪式光学流速仪测量的是水面单点流速，适用于水浅流急及床面不平的河道，测量流速可达 15 m/s。但由于流速脉动的存在，人工观测难以保证较高的同步精度，而实际垂直距离测量面临的困难也影响流速计算的可靠性，因此现在已很少使用。

1.3 电波法

电波法的测流原理基于微波多普勒效应。当电磁波照射水面时，部分能量被表面波或漂浮物散射形成回波，回波产生的多普勒频移 fD和水面流速ν 间同样满足式 (1) 描述的关系，其中 C 为电磁波在空气中的传播速度。

1.3.1 点测量电波流速仪

点测量电波流速仪采用 X 波段（10 GHz）的微波测量波束覆盖区域内的水面点流速，需要通过调节波束指向实现断面的扫描。根据部署方式的不同，一般分为手持式、桥测式[10]、缆道式[11]及车载式[12]4 种。仪器的流速测量范围可达 0.5～15.0 m/s。由于操作安全、测量速度快且不受水质和漂浮物的影响，特别适用于监测漂浮物较多的湍急河段和抢测洪峰流量。但由于原理上是利用表面波及漂浮物的回波信息，对于缺乏上述水面模式的平滑水面或模式杂乱的紊流区域，难以得到稳定的测量值；此外，波束角、方位角及俯仰角也是影响仪器测量精度的主要参数，由于波束倾斜照射水面，在波束角形成的椭圆投影面内，任一处强反射都可能被识别为测点流速，因此波束角越大，俯仰角越小，测点位置的不确定性也越高。目前该方法主要被用于测验断面相对稳定，且有公路桥、缆道或悬臂可借用的水文断面。

1.3.2 扫描式电波流速仪

用于测量海面涌流分布的扫描式电波流速仪近年来被发展用于河流表面流场的测量[13]。相比点测量电波流速仪，它具有 3 组独立的八木天线阵列及对应的 350 MHz 超高频（UHF）收发器，可以利用表面波对雷达信号产生的 Bragg 散射现象测量 ±45° 扇形区域内的径向水面流速分布，如图 3 所示。其中，0.5 m 的中央天线垂直于主流方向向水面发射电磁波；两侧天线距中央天线大约半个波长，以 30° 的夹角分别指向上、下游，三者共同接收回波信号。基于硬件结构上的特点，系统无需通过活动机构进行扫描，而是利用接收信号间的振幅及相位差异，采用一种多重信号分类测向（MUSIC）的方法确定测点的距离和回波的波达方向[14]，测角分辨率可达 1°。此外，仪器采用线性扫频的方式保证测速单元的距离在 5 m 以内，流速测量范围在 0.025～4.000 m/s 之间，可以满足 10～300 m 的河宽。但系统在测量前需要进行雷达方向图的标定，并设定基本安装、外部水位数据、方向测定界限、数据处理范围等参数，操作相对繁琐。单台仪器只能测量径向流速分布，由于雷达指向垂直于水流方向，往往导致流场图中部的径向流速矢量趋近于零。

图3 扫描式电波流速仪原理示意图

1.4 图像法

1.4.1 极坐标摄影浮标法

极坐标摄影浮标法可以看作是对传统浮标法的一种改进[15]。基本思想是采用摄影照片代替现场目测，通过人工标识或计算机识别的方式从水面照片中提取测流浮标的方位，进而求出运动轨迹上的水面流速。如图 4 所示，采用 1 次投放浮标、1 次计时、2 次摄影定位的方式测流，将 1 次测量时间缩短到从浮标投放到第 2 次摄影之间的几分钟。由于能同时记录断面上多个浮标的运动，测验工作仅需 2～3 名工作人员，提高了测量效率。但需要分别在上下断面布设 2 套摄影设备及定位点，现场部署工作量大。此外，由于仅采用 1 次测量，浮标上下断面间距过小会导致测量结果对流速脉动效应敏感，因此间距一般不得小于最大断面流速的 20 倍；间距过大，则上下断面相机和计时器的同步控制困难，也很难保证所有浮标都集中通过上下断面的相机拍摄范围，因此极坐标摄影浮标法的实际应用较少。

1.4.2 卫星遥感图像法

自 20 世纪 90 年代起，随着高分辨率成像及合成孔径雷达（SAR）遥感技术的发展，卫星遥感图像被研究用于获取地面河流的形态、水位及流速信息，并结合地面测量值和水文模型估计河流流量。方法大致可分为以下 3 类：

图4 极坐标摄影浮标法原理示意图

1）利用河宽估计流量。Leopold 等人提出河道宽度 W 与流量 Q 之间近似存在 W = a Qb的关系（a和 b 为系数）。以此为基础，Smith 等人[16]用 ERS-1 的 C 波段探测了 Iskut 河最复杂河段的宽度。分辨率为 12.5 cm 的 SAR 图像经辐射测量标准化处理后，将控制区内介入水体的像素点数除以河段长度得到有效河道宽度。在 28 次测量中，河宽的变化范围是 100～1 100 m，对应的流量为 240～6 350 m3/s，估计误差在 200% 以内。

2）利用水位估计流量。如果河段的水位-流量关系相对稳定，则可以根据率定曲线估算出流量。1998 年，Birkett[17]利用 TOPEX/POSEIDON 卫星上搭载的 NASA 雷达高度计（NRA）对亚马逊河流域 1 km 宽的河流和湿地进行了长达 4 a 的连续监测，水位测量的准确度在 ±10～±20 cm 之间。

3）利用多变量估计流量。针对利用单一信息估计流量误差大的问题，2003 年，Bjerklie 等人[18]提出了一种多变量组合的方法估计河流流量，包括水面宽度、高程及流速，这些观测变量完全通过遥感手段获得。该方法对流量变化范围为 1～200 000 m3/s 的 1 000 多组测量值进行多元线性回归分析，建立了多变量河流流量估计方程，流量估计的不确定度小于 20%。

目前关于卫星遥感图像法测流的研究主要面向宽浅河流的流量估计，由于对地面信息和历史数据的依赖及过大的测量误差使之尚无法实用化，但可以为洪水、湿地、泥石流、堰塞湖等难以到达地区的灾害应急监测提供及时的先验信息。

1.4.3 大尺度粒子图像测速法

20 世纪 90 年代，Fujita 等人[19]将实验室流体力学研究中的粒子图像测速（PIV）技术改进用于现场河流的水面流场观测及流量估计，称之为大尺度粒子图像测速（LSPIV）。该方法以河流水面的植物碎片、泡沫、细小波纹等天然漂浮物及水面模式作为水流示踪物，认为示踪物的运动状态即代表被测水面二维流场中局部流体的运动状态。根据描述流体运动的拉格朗日法，若以 t1时刻划分的 1 个图像分析区域内包含的局部粒子微团为研究对象，假设 2 帧图像曝光的时间间隔 Δt 足够短，则认为在 t2时刻的图像中存在 1 个没有粒子流进和流出的匹配区域对应于相同的局部粒子微团，因此只要在分析区域的空间邻域内搜索具有最大相似度的匹配区域，得到 2 区域中心的间距 S，就可以估算出该局部流体微团的运动矢量 ν= S/Δt。

测流时首先以自然光为照明光源，以数码相机或视频摄像机为图像采集设备拍摄水面图像；其次引入 1 个图像正射校正的步骤以消除倾斜视角下拍摄带来的图像透视畸变；然后通过设置分析区域的大小和重叠率划分测速网格；接下来匹配示踪粒子图像获得物理坐标系下的流速矢量场νtotal(2D)，实现河流水面流场的定量显示；最后采用流速系数 k 将水面流速νi转换为深度平均流速νis，并用流速-面积法估算断面流量，如图 5 所示。

图5 大尺度粒子图像测速法原理示意图

相比其他非接触式方法，LSPIV 具有如下优势：1）时空分辨率高。测量系统能在数分钟内完成图像采集和分析，测量结果为二维流速矢量场和断面流量。2）测量范围广。理论上只要视频图像的帧速率足够大，就没有流速测量的上限。3）原理直观，信息丰富。数字图像易于理解、分析、存储和传输，除了能获得水面的瞬时和时均流场信息，图像本身还可用于工情监测。4）成本低廉，机动性高。系统可基于现有的水利视频监控系统实现，或采用市面上成熟且通用的硬件产品搭建，具有明显的经济效益。鉴于以上特点，LSPIV 不仅可用于常规条件下明渠水流紊动特性的研究，更具有极端条件下河道水流监测的应用潜力[20]。

LSPIV 的主要缺点如下：1）测量的可靠性完全依赖于水流示踪物的存在性，因此在水面缺乏天然漂浮物或水面模式的情况下不能施测或需要布撒人工粒子；2）河流水面成像的光学环境复杂，大气散射、水面反射及水下散射等的噪声都会影响水面目标的可见性[21]；3）图像采集设备应尽可能架高才能避免小角度下拍摄造成的远场分辨率不足；4）测流前需要在现场布置人工控制点或勘测地物特征点用于流场定标。

可以看出，针对明渠水流的定量监测，国内外的企业和研究机构开展了大量研究，现代非接触式明渠水流监测仪器正朝着自动化、网络化和智能化的方向发展。各种类型的非接触式明渠水流监测技术的优缺点如表 1 所示。

表1 非接触式明渠水流监测技术的对比

2 应用需求及前景展望

2.1 应用需求

我国山区河流水情复杂，平原河道河势不稳，冲淤变化剧烈，水流含沙量较大，加之技术发展水平的限制，目前天然河流的水文测验面临着诸多挑战。此外，现代大型水利工程复杂度的提高，部分流体力学研究从实验室向现场环境的转移，也对泵站、隧洞、灌渠、龙口及闸坝等水利工程中的水流监测提出了更高的要求，具体应用需求分析如下：

1）极端水流条件。高洪期的高水位、流速、含沙量及各种混杂物极易造成入水仪器的损毁或流失，导致传统的测验方案无法开展布置或仪器不能正常施测[22]。可能引发的溃坝、泥石流等地质灾害更对现场工作人员的生命安全构成巨大威胁，因此极端水流条件要求测流仪器具有抗毁性。

2）山洪应急监测。突发性山洪灾害常发生在常规水文观测站网之外的区域，由于交通中断、工作条件差等原因，往往无法有效开展水文监测和分析[23]。因此要求测流仪器具有一体化、小型化、轻量化的特点，便于步行搬运和现场快速部署。

3）河口流量测验。平原河口属于感潮河段，潮汐水位波动，盐度入侵及上游淡水汇入的相互作用，水流瞬息万变，水文现象非常复杂。而且，河口区河面宽阔，航运繁忙，不利于架设水文缆道，目前只能采用动船法进行水文测验，存在测验风险大、测验工作艰巨繁重、人力物力投入大、测验和整编精度不高等许多困难和不利因素[24]。因此河口流量测验要求测流方法具有快速全场测量的能力，并能适应复杂的测流环境。

4）水文测验模式。鉴于江河众多、流域面积广阔，以及水文测站密度小、数量多的国情，投入大量资金建造高标准、高成本而低利用率的缆道或测船是不现实的。鉴于此，我国现有的水文测验模式正沿着站队结合和巡测的方向发展[25]。在保证国家测验质量规定指标的前提下，降低测站固定式常规测验设备的成本，并充分发挥机动性测验设备的作用。因此要求测流仪器能够广泛应用于各种河流和水情，并且投入少，有利于推广和普及。

5）大型输水工程。大型泵站由于进出口流道不规则，往往导致流态复杂，流量测量困难。例如南水北调东线工程中典型的泗阳泵站，其进出水流道采用肘形进水、虹吸式出水方式，流道断面变化，结构复杂；而隧洞通常具有浅水、宽断面的特点，流速低但流量大[26]。因此大型输水工程要求测流方法能够实现过水断面流量的精细化监测。

6）灌渠引水工程。灌渠流量自动测量是提高灌区水资源利用率和农作物产量的重要措施之一。然而传统的流速仪法费时费力，难以在线测出全部变化过程，而堰槽法、电磁法则需停水改渠和定期维护，影响水权计费的准确性[27]；目前国内灌区的水情信息仍以人工定时测报为主，间隔时间达 2～4 h。因此灌渠引水工程要求测流仪器具有自动化、免维护的特点。

7）大江截流工程。以三峡工程中的大江截流为例，截流期间龙口流速变幅大、变化快，对工程施工影响大，还伴随着水深大、流量大、工期紧及不能断航的因素。龙口最大流速的测验工作具有高度的时间性与危险性，是大江截流水文观测中最艰巨、最复杂的工作[28]。因此大江截流工程要求测流方法满足实时性和安全性的要求。

8）闸坝泄洪工程。闸坝泄洪时，过闸流速高、流量大、出流流态复杂，既存在渐变流段，也存在水跃等急变流段。水流流态观测不仅能为较为复杂的过闸流量精确测量提供重要依据[29]，还能较直观地反映出大坝泄洪消能等水力特性[30]。因此闸坝泄洪工程要求测流方法能够观测水流的流态特征。

2.2 前景展望

尽管非接触式明渠水流监测技术能够提高水文测验及水利量测的效率及安全性，但这些方法在原理上通常是基于示踪物能够紧密跟随局部水流运动的假设，并通过流速系数将水面流速转换为深度平均流速用于流量估计，加之仪器本身和测量环境的影响，敏感因素众多，需要以标准方法为参考对其进行评估，以便在使用中优化配置。

此外，仅仅利用单一的测验手段难以获取全面、可靠的水流信息，而至今尚未有全面满足当代水文测验及水利工程应用需求的技术方法及相应的产品化仪器设备。为充分发掘并利用方法间的互补性，应用多源传感器信息融合技术将有望突破单一监测手段的不足，提高非接触式方法的测量精度。例如，Costa 等人[10]将探地雷达（100 MHz）和脉冲多普勒雷达（10 GHz）悬挂于水面上方的缆道，同时扫描并测量断面的水下地形和水面平均流速，形成多波段雷达流量自动测量系统，提高了测量效率和遥测水平。奥地利某公司的 RG-24 型雷达流量自动化遥测系统集成了多普勒雷达流速仪和脉冲雷达水位计，配套的流量计算软件可根据现场水体边界情况和水力学模型快速给出综合相关系数，具有低功耗、免维护等优点。张振等人[31]利用明渠流速-水位-流量的内在关系，以流速仪法获取的精测值建立基于径向基神经网络的软测量模型，将 LSPIV 获取的局部水面流速和单点水位作为输入的二次变量估计断面流量，避免了流速系数取值不当引起的倍乘误差，但只适用于断面相对稳定并且具有精测历史数据的测站。考虑到 LSPIV 和 ADCP 在测量水面和水下流速方面的互补性，若能采用座底式 ADCP 同步获取水深及代表垂线上的流速分布，进而实时修正测站特有的流速系数，将有助于提高 LSPIV 估计断面流量的精度。此外，同样作为水面流场测量技术，LSPIV 和扫描式电波流速仪的集成融合也将提供更丰富的定向、制图和校验信息，减少现场标定的工作量并提高测验成果的可信度。

3 结语

声、光、电学及摄影测量技术的发展推动了现代非接触式明渠水流监测技术的进步。新一代具有水位、流速、流场、流量等综合水信息测量能力的快速水文测验仪器，将为水文观测和测站管理运行模式带来新的革命。我国的水利部南京水利水文自动化研究所、长江水利委员会[32]及黄河水利委员会[33]等单位长期以来一直从事水文测验仪器的研究开发，比测试验及成果分析等相关工作，取得了一定的应用成果。但非接触式测流仪器的研发依然落后于国外，高端仪器产品基本为空白，设备主要依赖于进口[34]。因此，开展新一代明渠水流监测方法的基础理论及应用研究，研发具有我国自主知识产权的核心技术和仪器设备是当前经济社会发展和河流相关科学研究的迫切需求！

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