施 藝

（四川省成都水文水資源勘測局，四川 成都 611130）

傳統(tǒng)水文工作中，老式的流速儀、浮標(biāo)等測流方式，得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。通過流速儀法測出垂線平均流速，再用流速——面積法算出全斷面流量，是傳統(tǒng)水文的“看家本領(lǐng)”之一，也是不同類型的測流儀器、技術(shù)方法進(jìn)行率定和校核的標(biāo)準(zhǔn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速增長，水資源的開發(fā)利用不斷地加快，傳統(tǒng)的儀器和方法已無法完全滿足新形勢下工作的需要，提出了水文現(xiàn)代化建設(shè)的新要求。

隨著科技水平的提高，特別是電子產(chǎn)品與聲學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大量的新儀器和設(shè)備運(yùn)用到了水文測驗(yàn)工作中，目前國內(nèi)引進(jìn)的先進(jìn)測流儀器設(shè)備中，最常見的有聲學(xué)多普勒剖面流速儀與電波流速儀兩種。

1 聲學(xué)多普勒剖面流速儀

1.1 測流原理

聲學(xué)多譜勒剖面流速儀，簡稱為ADCP。測流原理是，當(dāng)輻射源（儀器）的輻射波（超聲波）跟物體（如水體中的懸移質(zhì)或小氣泡）接觸時產(chǎn)生反射；當(dāng)輻射源與物體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，接收到的反射波頻率會與發(fā)射出的輻射波頻率之間發(fā)生頻移現(xiàn)象，這種由于輻射源和反射物之間相對運(yùn)動而產(chǎn)生的頻移現(xiàn)象，被稱為多譜勒效應(yīng)；ADCP通過多普勒效應(yīng)測量出頻移差，進(jìn)而算出水流運(yùn)動的速度。

聲學(xué)多普勒效應(yīng)中，發(fā)輻射波與反射波之間的頻率差，計算公式如下：

式中：Fd——頻率差；

F——發(fā)射的頻率；

V——反射物的移動速度（即水流相對速度）；

C——超聲波水下傳播速度。

一般用走航式ADCP進(jìn)行測流，將ADCP安裝于載體（船或橡皮艇等）上。當(dāng)載體沿橫斷面穿過河流時，通過ADCP發(fā)射出固定頻率的超聲波，然后接收不同水深中眾多反射物（懸移質(zhì)或小氣泡）散射回來的超聲波，測量出頻率差（頻移），通過計算得到反射物的運(yùn)動速度。載體在移動過程中測得的反射物的運(yùn)動速度，是水流相對于運(yùn)動載體的相對速度，需要扣除載體的移動速度，求得水流運(yùn)動的速度。

1.2 計算方法

得到整個斷面的流速分布場之后，可以通過以下3種方法計算實(shí)測流量。

1.2.1 等流速曲線

通過各反射物的流速值，繪制出斷面流速分布圖，即等流速曲線，對相鄰兩條曲線的值取平均，再乘以它們之間的面積，得到該部分面積的流量即部分流量，部分流量經(jīng)過累加后得到斷面流量。

1.2.2 垂線平均流速

根據(jù)斷面寬度，沿斷面劃出多條垂線，根據(jù)各反射物的流速值，分別計算出各垂線的平均流速，對相鄰兩條垂線取平均流速，再乘以它們之間的面積，得到該部分面積的流量，即部分流量，部分流量累加即可得到斷面流量。

1.2.3 水平線平均流速

根據(jù)水深，沿水深劃出多條從一岸到另一岸的水平線，再根據(jù)各反射物的流速值，分別計算出各水平線的平均流速，對相鄰兩條水平線取它們的平均流速，再乘上它們之間的面積，則可得到該部分面積的流量，即部分流量，部分流量經(jīng)過累加后即可得到斷面流量。

1.3 特性分析

走航式ADCP測流具有明顯的先進(jìn)性，一般由儀器配套的軟件自動計算流量，配套軟件一般采用第一種方法進(jìn)行計算。

在實(shí)際工作中，通過與流速儀流量測驗(yàn)進(jìn)行對比測量，建立相關(guān)性，走航式ADCP測流的允許誤差能夠滿足《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定，符合測驗(yàn)精度的要求，目前已大量運(yùn)用在水文測驗(yàn)工作中。該方法不用架設(shè)纜道、對水體基本不造成干擾、受天氣的影響也較小。其不足在于，當(dāng)流速偏大（大于3.0 m/s）時，測量難度大，儀器容易受水流與漂浮物影響，而流速很小（小于0.1 m/s）時，經(jīng)常出現(xiàn)測不出數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)丟失）的情況，根據(jù)有關(guān)資料與平時測量結(jié)果，一般情況下，使用走航式ADCP測流需要往返4次以上（單邊算1次），否則流量成果的誤差會超過允許誤差，所以走航式ADCP測流不具備連續(xù)測流的功能。

2 電波流速儀

2.1 電波流速儀底堡站測流

電波流速儀，又稱雷達(dá)波流速儀，同樣是一種利用多普勒效應(yīng)來測量水流速度的儀器，儀器通過用連續(xù)波雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)回波的相位信息，即利用發(fā)射信號的水面回波與基準(zhǔn)信號的多普勒頻率差來提取速度信息。

使用電波流速儀測流的目的是為了解決河流匯流速度快、洪水陡漲陡落等常規(guī)流量測驗(yàn)困難的情況?，F(xiàn)在電波流速儀在測站的使用一般是用來進(jìn)行高洪測流，解決高洪情況下洪水流速大、陡漲陡落，使用流速儀測驗(yàn)時設(shè)備易產(chǎn)生安全隱患、測量時間緊、易受水面漂浮物和水草干擾，以及浮標(biāo)測驗(yàn)時人員安全得不到保障、測量精度不高、受人為及天氣等因素影響大的問題。

目前在很多測站工作中，電波流速儀的使用還未正式開展，使用記錄及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，各個測站還需要研究出電波流速儀測流的適用范圍與相應(yīng)的可行性方案，率定出電波流速儀的系數(shù)，為電波流速儀在汛期漲大水時的使用提供依據(jù)。

根據(jù)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）、《水文纜道測驗(yàn)規(guī)范》（SL 443-2009）、《水文資料整編規(guī)范》（SL 247－2012）對電波流速儀的系數(shù)進(jìn)行分析。步驟如下：

采用底堡站2017年資料，共17次電波流速儀測量資料進(jìn)行分析；將各個電波流速儀測次的相應(yīng)水位在已定好的流速儀水位～流量關(guān)系線上進(jìn)行查讀，得到其線上流量；根據(jù)各個電波流速儀測次所測得的斷面虛流量與線上流量作比較，計算相對偏差和比值；計算所有電波流速儀測次所測得的斷面虛流量與線上流量相對偏差的系統(tǒng)差，其系統(tǒng)誤差應(yīng)小于3%；點(diǎn)繪電波流速虛流量與線上流量的相關(guān)關(guān)系圖，求解回歸方程，得到相關(guān)系數(shù)與相關(guān)關(guān)系；將電波流速儀乘以系數(shù)后的流量在已定好的流速儀水位～流量關(guān)系線上進(jìn)行檢驗(yàn)。

電波流速儀系數(shù)分析及檢驗(yàn)成果見表1。

電波流速儀虛流量與流速儀流量的相關(guān)性見圖2。

通過分析可以看出，底堡水文站電波流速儀所測流量較為穩(wěn)定，分析后得到電波流速儀的系數(shù)為0.79，比測成果符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）要求，能夠用于斷面流量測驗(yàn)。

表1 系數(shù)分析成果表

2.2 特性分析

通過分析，電波流速儀測流的精度高于浮標(biāo)法測流，符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）測流精度的要求。不僅解決了浮標(biāo)測驗(yàn)用

圖2 系數(shù)分析相關(guān)圖

［收稿日期］2018-05-20；［修回日期］2018-06-28 1.227萬hm2，有效灌溉面積1.072萬hm2，其中純河灌區(qū)0.039萬hm2。由于純河灌區(qū)還延續(xù)大水漫灌，灌水次數(shù)不足、灌水定額偏大，加之渠系工程不配套、防滲率較低等因素，輸水損失較大。據(jù)測算，純河灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)約為0.35。而井灌區(qū)由于灌溉成本高，灌溉類型也多為防滲渠道，灌溉水利用系數(shù)可達(dá)到0.60。因此對昌源河灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水配套改造、發(fā)展高效節(jié)水灌溉意義重大。

3.3 管理水平

灌區(qū)灌溉用水主要由水工隊(duì)負(fù)責(zé)，包括灌溉用水的配水、計量、水費(fèi)收繳等內(nèi)容。由于灌區(qū)末級渠系配套差，計量設(shè)施不健全，根本無法達(dá)到計量到田、收費(fèi)到戶的要求。用水調(diào)配存在很大的隨意性，用水量沒有限制，使供水管理失去了科學(xué)性，增加了盲目性，造成了水資源的浪費(fèi)。收費(fèi)制度不合理，在供水管理中，灌區(qū)對用水組織實(shí)施斗口以方計征制，用水組織對農(nóng)戶實(shí)施以畝計征制，造成了灌區(qū)水效低下，水源浪費(fèi)。同時，農(nóng)民的用水戶協(xié)會的運(yùn)作還存在不規(guī)范、不合理的一面，如規(guī)章制度不健全，組織不嚴(yán)密，經(jīng)費(fèi)沒保障等，這些都是制約灌區(qū)管理發(fā)展的不利因素。

4 對策及建議

4.1 加大田間配套工程建設(shè)

干、支渠道及建筑物進(jìn)行節(jié)水改造建設(shè)后，灌區(qū)骨干工程面貌有所改善，但節(jié)水效益是通過斗、農(nóng)、毛三級渠道的配套改造和綜合治理才體現(xiàn)出來的。田間水利工程配套改造，如果單純依靠村級水利管理組織和用水戶協(xié)會，其力量十分有限，應(yīng)積極爭取地方各級財政資金和水利專項(xiàng)資金的投入。將地方農(nóng)田水利基本建設(shè)項(xiàng)目、其它小型農(nóng)田水利項(xiàng)目，優(yōu)先和重點(diǎn)安排在灌區(qū)受益區(qū)。渠系建設(shè)突出各級渠系與骨干渠道整體發(fā)展的連帶關(guān)系，集中體現(xiàn)上級投資的導(dǎo)向與拉動作用，有效提高灌區(qū)的用水效率和效益，更好地為祁縣的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供服務(wù)。

4.2 提升管理水平

建立工程運(yùn)行管理新機(jī)制，提高灌溉工程的自動化監(jiān)測控制水平，推動灌區(qū)自動化、數(shù)字化建設(shè)的進(jìn)程，加大灌區(qū)信息化工程建設(shè)投入。同時，組織受益村村委會參與灌溉運(yùn)作，使農(nóng)村用水組織向正規(guī)化、科學(xué)化管理邁進(jìn)。進(jìn)一步提高灌區(qū)末級渠系管理水平，真正做到量水到戶，促進(jìn)節(jié)水、提高水效，使灌區(qū)管理逐步納入良性運(yùn)行的軌道。

4.3 推進(jìn)水價改革

建立合理的水價體系，用經(jīng)濟(jì)手段來促進(jìn)節(jié)水。結(jié)合目前正在推進(jìn)的農(nóng)業(yè)水價綜合改革內(nèi)容，進(jìn)一步完善農(nóng)田水利工程體系，通過建設(shè)灌區(qū)范圍內(nèi)渠道工程的配套計量設(shè)施，建立和完善水量動態(tài)監(jiān)測，從而科學(xué)合理分配水權(quán)，對農(nóng)業(yè)用水實(shí)行總量控制和定額管理，建立起農(nóng)業(yè)用水精準(zhǔn)補(bǔ)貼和節(jié)水獎勵機(jī)制，健全農(nóng)業(yè)水價形成機(jī)制，提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。