河南信阳洪涝灾情流量测验技术方案比选

　　摘要：流量信息采集是湖涝洼地水文监测项目中重要的内容，在多种流量测验技术方案中，优选出最佳方案是值得研究的重要课题。

　　关键词：沿淮洼地；洪涝灾情；信息采集；方案比选

　　一、引言

　　信阳市地处淮河中上游，淮河干流横穿7 个县（区），长度为363.5km，占淮河干流总长度的1/3。全市河流众多，其中流域面积＞2000km2 的较大支流有6 条；流域面积在100km2 以上的支流49 条，山丘区小型河道约500 条。

　　淮河干流沿线洼地信阳市段地域面积广大，地势低洼，人口密集，洪水期间受淮河和主要支流河道高水位顶托，洪涝灾害发生频繁。目前，这些地区现状排水能力差，排水标准明显偏低，大部分地区达不到3 年一遇。因此，因洪致涝已严重影响了这些地区社会经济的发展。

　　为了提高淮河流域平原洼地的抗灾能力，1991 年国务院在《关于进一步治理淮河和太湖的决定》中明确要求“进行湖洼易涝地区配套工程建设，提高防洪除涝标准”，并作为治淮19 项骨干工程之一。2004 年3 月，淮委会同流域各省水利厅，确定了淮河流域重点洼地治理工程的范围、内容和标准，水文信息测报做为该工程的重要组成部分，河南省水文水资源局已完成可行性研究报告、初步设计的编制，2009 年9 月，项目专家评审会在淮委召开。

　　二、沿淮洼地基本情况及成涝原因

　　信阳市洼地主要分布在淮河干流息县以下，闾河副坝以下，潢河潢川以下，白露河官渡以下，史河卧龙与灌河阳关以下，总面积1902.8km2，其中息县479.11km2，潢川县262.2km2，淮滨县525.54km2，固始县635.96km2。域内有3 个县城和60 个乡（镇）；京九铁路东北向西南穿越淮滨、潢川县境内；312 国道东西向穿越潢川、固始县境内，106 国道南北穿越潢川、息县境，共有人口134 万人，耕地11.8 万hm2。这片地区，洪涝灾害频繁，较大水灾平均3 年一遇，一般年份受灾耕地为2.67 万hm2。

　　洼地洪涝灾害频繁的主要原因：一是处于气候、纬度、深山向平原和淮干比降由陡变缓这四种过渡带的重叠地区；二是海拔高度较低，地势低洼；三是上游山区为暴雨中心，雨强大雨势猛，来水面积大，下游排泄出路小；四是防洪保安工程标准低；五是河道平槽泄量小，受淮河和主要支流河道高水位顶托，涝水排不出；六是洼地除涝提排能力低。

　　三、洪涝灾情采集现状

　　洼地洪涝灾害信息主要包括水位、流量、水量、洪水调查、农业、工业、人口、地形等水文、社会及经济资料。这些资料的采集涉及水文、地方政府等有关部门。而信阳水文站网提供的水文信息主要服务于大型水库、骨干河道、重要滞洪区，此次涉及的来龙圩区、上油岗圩区、芦集圩区、城郊圩区、王岗圩区、谷堆圩区在洼地洪涝灾害信息采集方面尚无任何设施。

　　四、洪涝灾情巡测建设目标

　　根据淮河流域重点平原洼地的内涝和洪涝灾情情况，建成一个以洪涝灾情信息采集系统为基础，通信系统为保障，决策支持系统为核心的信息系统。要求该系统先进实用、高效可靠地进行重点平原洼地各观测断面的信息采集和传输，系统建成后信息采集方面应达到下列目标水位全部采用瞬时监控、数据自动采集、固态存储、数字化自动传输技术，以提高观测精度和时效。洪量监测采用先进的测流技术，不仅能提高测洪能力和精度，而且能适合河堤决口时较为复杂断面的流量测验，在最短的时间内计算出各洼地的内涝和决口引起的洪涝水量。

　　五、流量测验技术方案

　　（一）浮标法

　　水面浮标测流，是一种传统的测流方法，适合于洪水暴涨初期水面漂浮物较多的环境下使用。其测流原理是利用浮标观测水面流速，然后根据已经建立的水面流速与垂向平均流速的关系计算各垂线的平均流速，进而计算流量。浮标材料一般用稻草，多为六角形，亦有椭圆形。夜间测流用夜明浮标。由于水面浮标法具有能测高流速和测流历时短的特点，至今仍是高水测流的主要方法。但这种方法不能做到自动测流，效率较低，一般适应于水面漂浮物很多的时段。

　　（二）流速仪法

　　流速仪法是一种传统的测流方法，在我国被广泛地采用，其技术设备较为成熟。其观测原理是利用流速仪测量断面各垂线代表点的流速，利用这些点的流速计算面平均流速，进而计算流量。目前全自动缆道流速仪测流系统已经被广泛地使用，并成为流量测验的主要手段之一。缆道流速仪法误差可以控制在2%～5%的范围内，且无需借用其他设备率定。所谓全自动缆道流速仪测流系统，就是人工一次启动测流装置后，缆道系统自动连续地将吊挂流速仪放置到设定的各起点距垂线位置，自动测量该处水深和几个不同水深的流速，然后利用配套的微机测流系统自动计算出断面面积和流量。这种方法测验一次需要较长的时间，不能实现实时自动监测。但这种方法可以和水位观测相结合，率定水位流量关系，再通过对水位的自动实时监测，实现对流量的实时监测。这种测验方法也可以作为其他测流方法（超声波测流法、水工建筑物测流法等）率定的主要手段。

　　由于缆道流速仪测流法具有精度高、不需率定等特点，在宽度合适（＞500m）的不规则断面可优先选用。在一些河道宽阔，架设过河缆道困难的测验断面，船载流速仪法仍被采用。但这种测验必须由人工操作，在洪水期间容易发生危险，而且测验速度慢。

　　（三）超声波时差法

　　超声波时差法经过近30 年的发展，目前已经广泛地应用到管道和渠道的流量测验中。其工作原理是利用超声波在水流中的传播特性，用一组或多组超声换能器来测量同水层平均流速，利用超声波在不同传播介质中的传播特性测量水深。如果是规则的断面，则可以通过水深计算断面面积，通过逐层流速积分（差分）和人工率定的流量修正系数，则可以计算出流量。

　　若为不规则断面，则需要建立断面水深～面积数学模型，然后根据观测的各层流速和水深计算流量，或根据人工率定的流量系数计算流量。

　　其水深观测原理与超声波水位计一样，这里不再赘述。

　　流速观测，单层或多层超声波换能器被斜交叉地布置在河道两岸，超声波换能器由仪表控制，从河道一岸顺流发射超声波，另一岸接收，然后再反向工作。根据观测的顺、逆方向传输时间之差计算出相应水层的平均流速。

　　该仪器可以做到实时在线连续观测，但在河道较宽（＞500m）和含沙量较大的断面无法使用。另外，控制仪表对岸的换能器的信号要求通过有线来传输，架空或河底电缆给施工和管理维护带来较大的困难。同时，这种测流方法容易受到行船的影响。

　　这种测流方法适应于有一定水深且较为稳定的断面。必须具备面积参数，并经过流速仪法率定后才能投入使用。由于仪器昂贵，维护工作重要，只能在有人驻守的断面采用，不适用于巡测系统。

　　（四）ADCP 法

　　目前推广使用比较广泛的ADCP 主要有船载走航式和漂浮式2 种。船载走航式ADCP 安装在船上，利用测船载测验断面上横穿河道，测出断面形状和流量。漂浮式ADCP 可以自由地漂浮在水面上，用过测船或其他牵引设施牵引眼测验断面横穿河道，完成流量测验任务。

　　超声波多普勒水流剖面仪（ADCP）测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随水流一起运动的固体颗粒起到了与声源有相对运动的“观察者”的作用。它可以把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收器。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差与水流速度成正比，所以测量频差可以求得流速。

　　因为超声波多普勒水流剖面仪（ADCP）一次能同时测出河床的断面形状，水深、流速和流量，适应面宽，测验精度较高。该流量计的主机和换能器装在一防水容器内，工作时全部浸入水中，通过防水电缆与微机相连，通过微机操作控制流量计。流量计全套系统通过蓄电池供电，也可用交流电供电。流量计的换能器一般有3 个或4 个发射头组成，这些发射头可以向水下发射超声波，这些超声波在由水面传向河底的过程中，不断地经水中的固体颗粒、气泡和河底反射回来。根据这些返回信号的频率，可以测出流量计和各水层以及河底的相对位移速度。流量计与河底的相对位移速度即是船速。流量计与各水层的相对速度扣除船速，就是各水层相对于河底的流速。根据河底返回信号的时间，可以测出水深。流量计横穿河道一次，可以测量出经过各点的水深、流速和水流方向。将流速矢量对河床水流断面进行积分，便得到断面流量。因为采用的是矢量积分，所以所测流量值与ADCP 过河路径无关。

　　走航式ADCP 精度高，使用方便，适应于宽度较大（＞500m）高水时使用，也可作为其他测流断面水位～流量关系的率定工具。

　　（五）超声波多普勒侧视法

　　超声波多普勒侧视测流仪（H- ADCP）是美国仪器公司1998 年开发的产品。由于该产品安装容易、操作方便、价格相对较低而得到推广。其工作原理与走航式ADCP 一样以声学多普勒效应为基础。该测流仪采用一体化的结构，将换能器和电子部件集中在一个密封容器内，工作时全部浸入水下，通过防水电缆传输信息。

　　该测流仪主要由3 个超声波探头组成。2 束超声波沿水平方向呈一定角度向对岸发射，利用多普勒原理计算本层水流某一段上各点的二位流速。另一束超声波向上发射，通过观测发射波和水面反射波的时间差测量水深。再根据预先率定好的数学模型，求得断面的平均流速和流量。测流的精度取决于数学模型的精度。

　　这种测流仪安装方便，价格较低，可靠性高，能实现在线监测。但其仅用某一层流速来估算断面平均流速，造成较大误差，也给数学模型构建和率定带来困难。因此只能在断面规则稳定、水位变幅较小、宽度较小的断面上使用。

　　（六）水工建筑物测流法

　　水工建筑物测流是一种常用的测流方法，主要用于闸门、涵洞泄流量的测量。其原理是利用观测的水工建筑物上、下游水位、闸门开启度等变量，根据水工建筑物的泄流公式，计算泄流量。如自由出流闸门的泄流公式为：

　　Q=CBH03/2

　　上式中Q、C、B、H0 分别为流量、流量系数、过水宽度、上游水头。

　　流量系数必须经过率定才能使用。测验精度受到进行率定工作所使用的测流方法和水工建筑物本身上下游水位、闸门开启度等测验方法的双重影响，因此精度不高。

　　水工建筑物测流方法简单，水位、闸位观测设备安装容易，且容易实现在线自动观测。因此可以在新规划的分水口门断面，考虑使用这种测流方法。但在使用过程中，要对水位、闸位、流量关系曲线（或流量系数）做定期率定，以保证流量的精度。

　　（七）水位比降法

　　这种方法通过测量河流某一顺直河段比降，根据曼宁公式计算流量。这一方法受河槽糙率系数的影响很大，且该系数很难估计准确。因此估算的流量精度较差。在受水工建筑物影响和比降较小的河段，其计算精度更差，因此在本系统中不予采用。

　　（八）水位流量相关法

　　对于水位流量关系较好的河道站，可以通过对水位的实时观测实现对流量的实时观测。由于受洪水波的影响，洪水期间测流断面水位流量关系比较混乱，但在其他时段，水位流量关系较好，因此这种方法可以适应于非洪水期间的断面测流。

　　六、方案比选

　　综上所述8 种测流方法，浮标法、水位比降法由于精度所限，在本系统中不予采用。流速仪法精度最高，缆道流速仪法在目前水文测验中应用最为广泛，但该方法不具备巡测功能。由于车载流速仪法测验速度慢，在大洪水期间，测验垂线和测验点代表性差，还必须在有桥梁等过河建筑物的断面才能使用，因此，车载流速仪法在本系统中只作为次要测验手段。

　　超声波时差法、超声波多普勒侧视法、水工建筑物测流法、水位流量关系法等都只能在固定的某断面适用，不具备巡测功能。因此，在中心设备配置中，不考虑这些测验方法。

　　走航式ADCP 法，技术先进，精度较高，能自动观测断面面积和流速分布，进而直接计算流量，不需要率定即可投入使用。这种测验方法机动性强，为水文巡测的首选方法。考虑到漂浮式ADCP 具有更强的实用性，在有桥梁等过河建筑物的地方，人工牵引就能以很快的测验速度完成流量测验任务，并能获得较高的精度。因此，本系统推荐在各中心主要配备漂浮式ADCP以实现巡测功能。

　　根据所选择6 个圩区的测流断面情况，宽浅断面较多，不宜架设测流缆道和吊船过河索，大部分断面形状不规则，且均为粘土河床，受冲淤影响变化不大，非常适合漂浮式ADCP 法测流（该法适应宽度较大的断面，不受测流断面形状限制，精度高、使用方便），但该方法受水深限制（水深太浅时，盲区较多，影响精度）。因此，根据圩区近几年洪水期情况调查，来龙、芦集、城郊圩区的测流断面采用ADCP 法测流，其余断面采用ADCP 兼船载流速仪法测流，个别较宽浅的断面考虑人工涉水流速仪法测（水深＜1.50m）。

　　参考文献：

　　[1]严义顺.水文测验学[M].南京：河海大学出版社，2002.

　　[2]田淳，刘少华.声学多普勒测流原理及其应用[C].郑州：黄河水利出版社，2003.