流速监测方法对比 - 声学多普勒流速仪走航式测流时水流速度过小

+ ~& ^- K5 y, e( y: Y7 U @

  常用的流速监测方法有三大类：传统方法、声学法和图像法。传统方法主要是流速仪法及浮标法，声学法包括多普勒剖面流速仪法(ADCP)、声学时差法等，图像法包括极坐标摄影浮标法、大尺度粒子图像测速法(LSPIV)和时空图像测速法(STIV)。

  流速仪法：采用流速仪测量垂线的流速分布。该方法技术成熟可靠，在垂线、测点布置合理情况下，能获得很高的测验精度，是目前应用最为广泛的测流方法。但是，在垂线、测点较多的情况下，单次测验时间较长，在水面漂浮物较多时经常发生漂浮物缠绕、损坏仪器。属于接触式测流方法，难以保证施测安全，尤其是在高洪时期。

( x: M" _: K# c" x$ P' Z- J

  浮标法：通过测量出断面上水面浮标速度分布结合相关参数得到断面流量。该方法适用各种极端水情下开展流量测验，常被选为水文站的高洪测验方案。但是在测量浮标流速、浮标系数的选取方面存在诸多不确定性，关键参数获取困难，采用经验参数难以保证精度。而且施测条件对测量精度影响大，如风速等对浮标运行有严重的影响。

~& D6 i7 k: o3 o

  走航式ADCP测量法：全称声学多普勒剖面流速仪法，通过跟踪水体中散射体的运动来得到水流速度。ADCP测流机动性非常强，不受水体影响，便于后期维护，自动化程度高，数据精确。但其在河流含沙量较高等情况下容易出现测量结果不稳定甚至严重失真的情况，河面部分区域和河底区域也无法测量，不适用于宽和浅的河道。此外，高昂的价格也限制了ADCP 在更大范围的推广使用。

6 [; `0 }1 l) ~/ O; k

  声学时差法：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。声学时差法的应用水层可宽达数千米，而且测得的是整个水层的平均流速。但设备的防护和供电较为困难。

j5 P- p, T+ t) [3 h2 U

  雷达流速仪测量法：通过发射微波来测量水体的运行速度，其主要优点包括：安全可靠，轻便、小巧，不需要现场接线就能安装；测试精度较高；整个设备的数据采集过程都是自动化完成，测验后就可直接计算流量，自动化程度很高。但雷达流速仪只能获取表面一点的流速，作为流量测量工具受到限制。

  大尺度粒子图像测速法(LSPIV)：以天然漂浮物及涟漪等表面流动特征为水流示踪物，以自然光为主要光源，以数码相机或视频摄像机为图像采集设备，基于图像识别技术，通过匹配分析区域内跟随表面水流运动的示踪物图像获得二维流速场。作为一种非接触式的测流方法，它克服了传统接触式测流方法的缺点，可以简单、快速、高效、安全地测量流速和流量信息，尤其使得高洪峰时期的测量工作成为可能。其缺点在于：1）测量依赖于水面示踪物的可见性，当采用天然示踪物时，由于示踪物密度低、时空分布不均，以及水面成像条件复杂等的影响，极易引起时均流场重建的失效或误差过大；2）受测流区域尺寸影响。若分析区域尺寸过大，则会由于空间平均效应降低测量的空间分辨率，分析区域过小又容易因缺乏目标信息而导致出现误匹配；3）所需存储空间大，计算效率较低。

$ ?5 d+ A( ^+ j+ E

  时空图像测速法(STIV)： STIV方法与LSPIV相似，同样基于图像识别技术，通过分析河流表面图像变化的测流，相比LSPIV在断面流量测量方面展现出更好的性能。STIV方法可获得平行于流动方向的一维流速分布，其空间分辨率能够达到单像素水平，并且算法效率是LSPIV的10倍以上，这已经足够满足实际流量测量工作的需求。该方法在国内外研究比测中均取得了较好效果。对于测量河宽限制、夜间流量监测等都有优化解决方法。采用该方法可获取测量时刻的视频图像，可直接回溯测流时刻的现场工况，并对测量结果进行验证。

4 |& ~5 M, L0 d; P 8 {. X, d8 v X' ^