河流流速仪应用现状及其适应性分析

(1.长江水利委员会水文局 长江下游水文水资源勘测局, 江苏 南京 210011；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210024)

流速测量是水情监测及预报、水动力研究、防洪工程设计论证、生态环境评估等工作中必不可少的基础环节。目前河流流速测量常用的流速仪有转子式流速仪、声学多普勒流速仪(ADCP)、电磁流速仪和电波流速仪等。然而我国河流的地域分布广阔，河道的规模、形态、水深、河床地貌和水流的流场与流速等存在不同特征，因此测流仪的选用和组合需满足具体情形下水文监测和测验的需要。水文科技管理学者在研究水文监测创新体系时认为，为满足我国水文测验规范的精度要求，开展仪器的适应性研究十分必要[1]。全面理解和掌握常用流速仪的技术特点及其适用性可有效地发挥并利用仪器的技术优势，提高流速流量监测和测验效率，同时也有利于推动水文监测技术的创新和发展。

1 转子式流速仪

1.1 技术发展和应用现状

转子式流速仪是我国使用最早的河流流速仪，是通过机械转子结构随水流的运动旋转转速来获得流速的仪器[2]。按仪器结构，通常分为旋浆流速仪和旋杯流速仪[3]。其测量的流速V的计算如下式(1)所示

V=a+bn

(1)

式中,a表示仪器常数；b表示水力螺距；n是转子转速。公式中的a和b可以通过在多组检定点(已知的流速V和转速n)情况下用最小二乘法计算得到[4]。

我国在新中国成立初期就已研制和批量生产转子式流速仪并投入应用，1957年水利部聘请国外专家对当时的国产流速仪进行了改进；“八五”期间，水利部曾组织人员开展技术攻关，对流速仪的测流精度、测流量程和防泥沙性能提升起到促进作用[5]。近年来，国内对转子式流速仪的技术应用和改进研究主要放在对其系统集成和自动化上，例如将转子式流速仪集成到自动流速流量测量缆道系统，实现了对流速流量的自动化和智能化现场快速监测。

目前，多数水文站都使用转子式流速仪，还有一些水文站在采用ADCP作为主要测流仪时也仍保留了转子式流速仪进行比测，以保证流量监测数据的客观性和全面性。表1为大通水文站某时段流速特征值比测结果。

表1 大通站某时段流速比测特征值统计 m/s

注：旋浆流速仪为LS25-3A型，ADCP型号为WHR600K。

表1中,尽管两种流速仪的测点空间位置在表达上相同，但二者所测量的对象存在差别，旋浆流速仪所测的对象是旋浆所处深度点上的流速，而ADCP所测流速是其所测水层单元的代表流速(包含测点在内)；同时，两种流速仪的采样率以及有无机械惯性等原因也导致了数据差异。运用两种流速仪施测，既可在平均流速上进行相互验证，也可客观、全面地反映流速特征。

目前国内采用的转子式流速仪主要以国产的旋浆流速仪为主，现行的相关标准对该类流速仪的组成结构、技术要求、检定、试验方法和检验规则等进行了规定和规范[3]。

1.2 技术指标和适用性

基于对同类常见流速仪的调研对比，目前转子式流速仪的主要技术指标如表2所示。调研对比了LS20B流速仪、LS25系列流速仪、Valeport-106流速仪等，选取LS25-3D为典型技术指标代表。

表2 转子式流速仪主要技术指标

注：*是指同类流速仪在某一项指标上达到的极限值。

从技术指标上看，转子式流速仪能适应大多数河流的流速流量测验任务，但由于其测流部件为机械结构，在实际使用中还存在一定局限性：①漂浮物较多或水草较多情况下，容易破坏转子机械部件；②测速不能小于启动流速，无法测出极低流速；③超高流速(超出量程)及高流速情况下，传统设计的流速仪线性关系已不复存在；④在含沙量高的深水水域，高水压下会导致泥沙进入轴承腔，从而引发仪器故障；⑤时间或空间上变化快的流速，机械惯性滞后，采样速率较低；⑥接触式测量对于流速变化过快的断面，同步捕捉能力较差；⑦大范围快速流速测验效率较低，需要多船多人协同。

1.3 技术改进和解决方案建议

转子式流速仪的适用局限性分为两类：①与仪器本身的设计和工作原理有关，无法通过技术改进来改变，例如1.2节所列的③，⑤，⑥，⑦项。②可以通过改进设计、材料或工艺来减小局限性这些的影响，例如可通过新材料和工艺，减小摩擦和能量损耗以降低启动速度，可以利用磁悬浮技术来替代传统的轴承，从而提高灵敏度和防泥沙能力[6]；通过信号感测机构机件位置等方法可以减小信号检测对转子的阻力，从而提高灵敏度[7]。结合新材料、新工艺和应用新技术理念，可提高转子式流速仪的灵敏度、测量精度以及测量量程等技术指标，使其更好地发挥效用。

2 ADCP

2.1 技术发展和应用现状

ADCP是利用声学多普勒效应测量水流速度的仪器。ADCP计算原理是：仪器向水中发射声波，通过测量随水流运动的悬浮粒子反射声波的多普勒频移来得到水流的速度[2]。水层单元相对于换能器波束方向的流速V的测算如下式(2)所示

(2)

式中，Fd是多普勒频移；Fs为发射声音频率；C为声速；θ为相对流速矢量和ADCP与反射体直线之间的夹角；V为相对流速，由波束坐标系通过罗经指向关系换算到地球坐标系下的流速和流向。

根据所测量的流速单元和量程，习惯上分为ADCP和点式多普勒流速仪。根据ADCP剖面的方向，可分为两种：有常规近似垂直安装的ADCP， 用于船载走航或座底流速观测；水平方向安装的ADCP，称之为H-ADCP，常用于固定安装在河道一侧的平台上实时监测流速流量。由于点式多普勒流速仪在现场流速测量时效率相对较低，在实际水文监测和观测中应用很少。

20世纪80年代，ADCP首先在美国投入实际流速测量中[8]。1990年长江水利委员会水文局引进了第一台ADCP，并在长江口感潮河段的水文观测中取得良好应用效果。之后水文工作者对引进的ADCP开展了多期次的水文测验实验工作，并针对长江测流中遇到的动底、铁船干扰等实际应用技术问题提出了解决方案[9]。

目前，河流流速测量用的ADCP以进口仪器为主，我国各流域机构和各省及直辖市所属的水文局均采用ADCP。在使用方式上，除了用船载ADCP进行走航流速测验外，长江的三堆子水文站、黄陵庙水文站、南京水文实验站和黄河的小川水文站、珠江的天河水文站等均设有以H-ADCP为主要测流仪器的实时流速流量监测系统。

我国国家海洋局海洋技术研究所等单位开展了ADCP研究工作，并在1997年开发出ADCP样机[10]，但当时并未将其研发成果推广到河流测流领域。直到2013年，经过黄河水利委员会水文局、长江水利委员会水文局等多家单位的比测，由我国某科研院所研发的600K ADCP开始在河流流速中推广应用。目前，我国对ADCP的研制和技术应用制定了较完善的规范标准：《GB/T 24558-2009 声学多普勒流速剖面仪》规定了ADCP产品的类型和组成、要求、试验方法、检验规则[11]；《SL 337-2006声学多普勒流量测验规范》对声学多普勒流量测验要求、安装方法、走航和定点流速流量测验方法、流速流量测验误差分析及精度控制等作出了规定[12]。

2.2 技术指标和适用性

ADCP的量程、测流精度和分辨率等技术指标主要与换能器的声学频率有关，目前河流中采用的ADCP的声学频率主要在150～2 400 kHz之间，少数情况下会用到低频的海洋型ADCP。基于对同类流速仪的调研对比，ADCP的主要技术指标如表3所示。在该表中，调研对比了TRDI的Workhorse系列、RiverRay系列及OS系列、SONTEK产品系列 、NORTEK产品系列、 国产iflow产品系列等，选取目前河流测流应用最多的TRDI瑞江600K作为典型技术指标代表。

表3 ADCP主要技术指标

从技术指标上看，ADCP 能满足河流的流速流量测量任务。相对于转子式流速仪来说，ADCP具有流速分辨率高、测流响应速度快、剖面式测量效率高等优点；同时ADCP工作方式上为声学遥测，对遥测的流场没有干扰，也不存在泥沙堵塞和水草缠绕问题，可维护性较好。

ADCP在我国应用实践中已积累了许多宝贵经验，攻克了常见的应用技术难题，但在实际使用中仍存在一定局限性：①在洪水等急流环境下，载体或安装平台难以下水；②表层盲区绝大多数ADCP的声学换能器在发射脉冲后余震不能立即消除；③底层盲区存在ADCP波束的旁瓣影响；④高泥沙浓度水体对声波的反射和散射能量过大；⑤岸坡或水底起伏坡度较大的水域，会遮挡或影响2个或2个以上的波束的数据，造成流速无法解算。

2.3 技术改进前景展望和解决方案

针对ADCP在应用上存在的局限性，可以通过技术改进来提高其适应性。针对2.2节中局限①，研发适合急流环境的集成载体，例如配重缆道或支架等解决ADCP在急流中难以下水等问题。针对局限③和⑤，可设计制造更小的声学波束角，以减小底层盲区的影响以及解决4个波束同一水层波束脚印覆盖区过大的问题，从而更加适应坡度较大的岸坡附近水域。针对局限②和④，建议在现有技术基础上，采用高低频组合，即在利用高频声学脉冲满足较近水层流速剖面精确及较小的表层盲区的同时，利用低频宽带声学脉冲加强对泥沙的穿透。

3 电磁流速仪

3.1 技术发展和应用现状

电磁流速仪是利用电磁感应原理,根据流体切割磁场所产生的感应电势与流体速度成正比的关系来测定流速的仪器[2]。流速计算原理是：将水流视为带电粒子流, 切割磁场即产生感应电动势， 根据法拉第电磁感应定律，流速(V)的计算见公式(3)：

(3)

式中，E为感应电动势，K为与传感器相关的系数，B为磁场强度，L是电极之间的间距。

早在20世纪70年代，我国就研制了电磁流速计，并将其应用于海洋调查中[13]。1984年，天津水科所研制了EMV系列电磁流速仪，但其应用仅限于水利工程模型实验中。1990年，黄河水利委员会水利科学研究所引进中国船舶重工集团公司第七研究院的技术，并成功将其改进为能用于在野外现场测流的电磁流速仪[14]。以上提到的几种早期电磁流速仪国产型号均未得到大范围推广应用。目前国内多个厂家生产的电磁流速仪主要应用在小河流或人工渠道的流速流量测量上，尚无专门针对电磁流速仪的规范或标准。

目前，电磁流速仪应用在含沙量较高的水体、水草和漂浮物水域以及冰凌区域具有优势，例如由于含沙和冰凌等因素影响，在黄河的一些水文站推广应用电磁流速仪进行测流[15]。我国很多水文局和水文站采用电磁流速仪，但在大江大河上的应用数量明显少于转子式流速仪和ADCP，人工明渠测流和小型河流流速测量中用到电磁流速仪的较多，且以国产电磁流速仪为主。

3.2 技术指标和适用性

目前，电磁流速仪的主要技术指标范围如表4所示。 该表调研对比了OTT系列、VALEPAORT系列和国产MGG/KL-DCB等型号，选取VALEPAORT的 MIDAS ECM作为典型技术指标代表。

表4 电磁流速仪主要技术指标

从技术指标上看，电磁流速仪能满足河流流速测验的大多数应用情况。该类仪器不受泥沙含量及浓度的限制，即使在有漂浮物和水草环境的河流中也可使用。仪器设计紧凑，无外露的机械部件，维护成本较低，能测量极浅水域的流速。

电磁流速仪的应用局限性表现为只能测量单点流速。相较于同样也只能测单点流速的转子流速仪来说，由于相关电子元件造价较高，导致其应用普及率相对较低。

3.3 技术改进前景展望和解决方案

电磁流速仪能有效地补充一些特殊场景的流速测量，而随着电子元器件技术的发展和工艺的进步，电磁流速仪可以设计得更为小巧。电磁流速仪的发展方向包括：①借鉴国外电磁流速仪的功能和机构设计，在工艺上实现耐压，能将其从模型试验小型河流的浅水应用中推广到能适应大多数河流流速测量。②结合电磁流速仪与现有自动测流缆道系统，补充某些场合下其他流速测量仪器系统的不足。

4 电波流速仪

4.1 技术发展和应用现状

电波流速仪泛指向水面发射与接收无线电波，利用其频率变化与流体速度成正比的关系而制成的仪器。其原理为多普勒效应，速度计算可依据公式(4)

(4)

式中，V为水面流速；C为电波在空气中的传播速度；Fd为电波的多普勒频移；Fs为发射的雷达波频率；θ为发射波与水流方向的夹角。

按照测量方式与范围的不同，目前在河流测流领域用到的电波流速仪主要有两类：点式电波流速仪和扫描式电波流速仪。点式电波流速仪是发射单个雷达波束(常见为Ka波段，也有X～Ku波段)照射水面并将照射区作为一个点来测算流速；而扫描式电波流速仪是利用天线阵发射UHF波段的雷达波，利用水流表面波对雷达产生的布拉格散射效应获取测量区域(一般为90°扇形区)的径向发射信号，从而由多普勒效应计算出信号反射区流速大小，并采用多重信号分类测向的统计算法确定测点(信号反射区)的距离和回波的方向。

我国在20世纪90年代成功研制了国产点式电波流速仪，典型代表为LD15-1型电波流速仪，经比测和鉴定后批量生产并推广到多家单位使用[16]。经调研，点式电波流速仪已经用于很多中小河流的流速监测和防洪救灾中，其中的手持式点式电波流速仪(俗称“雷达枪”或“电波枪”)主要以进口为主，而固定安装的点式电波流速仪目前以国产仪器为主。我国在近些年曾引进过河流高频测流系统，并投入科研和生产测流试验[17-18]，但并未进行大规模的推广和应用。目前有国产扫描电波流速仪投入长江和黄河流域水文站的试验和应用中[19-20]。

4.2 技术指标和适用性

基于对国内外同类常见流速仪的对比，目前电波流速仪的技术指标如表5和表6所示。 表5中调研对比了Stalker SVR流速仪系列、OTT系列、RG30型雷达测流仪等，选取国产HR 20A型作为典型技术指标代表。表6中调研对比了CODAR的River Sonde系列、国内研发的相关仪器等，选取了国产Ridar-200作为典型技术指标代表。

表5 点式电波流速仪主要技术指标

表6 扫描式电波流速仪主要技术指标

相对传统的流速仪而言，电波流速仪具有量程大、响应快速且不受漂浮物影响等特点。其中手持点式电波流速仪便携、操作便捷，经常用于防洪和抗洪救灾的水文测验中，如堰塞湖流速监测、高洪期间流速监测等情形。扫描电波流速仪适用于测验大范围的表层流场，用于重点监测广阔水域的大面积流场。

其局限性在于：①测流主要针对于河流表面，不能反映河流深部的流场；②对于扫描电波流速仪而言，因为发射和接收角度的关系，靠近收发天线的近距离内存在一定盲区(见指标中扫测河宽的下限最小值)。

电波流速仪只能测量表面流速的局限性与电波流速仪自身的原理相关，无法从根本性上得到解决，但在仪器自身元器件的灵敏度上和建站(针对扫描式电波流速仪来说)与测量技术的应用仍具有一定发展前景。

5 结 语

从流速仪的保有量上看，目前的河流流速水文测验以传统的转子式流速仪和ADCP为主；就大江大河的测验而言，ADCP的测验效率更高；而在冰凌、高泥沙、洪水期、浅水小河流等场景下，电磁流速仪或电波流速仪能补充甚至取代转子式流速仪和ADCP进行流速测量，尤其是在洪水期的水情监测等情景下，手持点式电波流速仪、便携电磁流速仪等更易于快速部署和施测。从技术指标和监测与测验效率上看，ADCP和电波流速仪响应快、效率高，且在实时监测技术应用上已经成熟。

本文仅阐述了常见流速仪的技术应用现状和适用性，随着水文监测创新工作的推进和仪器技术的发展，流速仪的技术应用将得到进一步改进，流速仪的适应性将得到进一步提高。针对流速仪的适用局限性，目前常用的各类流速仪还存在一定的技术改进前景，包括仪器本身的设计、制作工艺上的改进以及仪器应用技术的改进。目前我国尚没有针对电磁流速仪和电波流速仪制定的相关国家标准或行业标准，建议结合水文测验和监测工作实际，尽早组织出台相关的仪器标准及测验标准。