水文测量:为什么要测河流流量,怎么测?

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  预测和管理河流流量无论是在防洪、供水、农业,还是在能源生产中都十分必要,而河流流量的度量是其先决条件。由此诞生了水文测量学——一门与水文学(研究自然环境中的水的科学)和水力学(研究水流的物理学)相辅相成的独特科学。在全球范围内,陆地上的降雨约有三分之一返回海洋(另外三分之二直接蒸发或被植物吸收),每年有近36万亿立方米的水流经河流。但这些水量在空间(不同大陆之间)和时间(不同年间)上的分配都可能非常不均匀,因此只能通过不断测量这些河流的流量来逼近准确数值。然而,河道流量的连续数据并非简单易得,而是需要综合多种实地测量方法的观测结果。

1. 测量河流流量——一个古老而困难的问题

环境百科全书-水文测量-韦松拉罗迈讷的L'Ouvèze河
图1. 位于韦松拉罗迈讷的L’Ouvèze河
这条地处普罗旺斯的河流的流量波动范围能够从1990年夏天的0.1 m3/s(左图)跨越至1992年9月22日的近1200 m3/s(右图),年平均流量接近6m3/s。[来源:EDF DTG]

  水文测量学主要研究如何测量河流流量。它是一门独特的科学,与水文学(研究自然环境中的水的科学)和水力学相辅相成。流量是指单位时间内水穿过河流某一横截面的体积,其单位为立方米/秒(m3/s)。

  每条水道都有自己独特的运动规律,由降水节奏和其水文条件决定。比如世界上流量最大的河流——亚马逊河,两个极端月份之间的流量变化只有单一河流流量的一到两倍。其河口的年平均流量在206000 m3/s左右,仅有10%到15%的变化。可见,亚马逊河是一条非常有规律的河流。

  与亚马逊河相反,像查里河这样的非洲河流在乍得湖出口的平均流量为1197 m3/s。同一年内,两个极端月份之间的流量变化能达到20倍(由150 m3/s变化到3000 m3/s)。两个不同年份间的年平均流量能有两倍的变化,如1942年的年平均流量为739 m3/s,1956年则变为1720 m3/s。因此,查里河的水文特征变化更加显著。

  这些流量是如何测量的呢?这个问题至迟在人类认识到其与农业的关系时,就备受关注。但这个问题的实际困难程度却超乎想象,以至于让詹姆斯·琼斯(英国物理学家,1877-1946)写下这样一句话:“将太阳以时间单位发出的总辐射转化为质量,大约是伦敦桥下泰晤士河中流动的水量的10000倍; 不过,即便这个数字并不准确,也不能怪罪于我们无从知晓太阳辐射的确切质量,而只能怪我们无法测量泰晤士河的平均流量。”

2. 如今为什么要测量河流流量

  河流流量的测量有以下用途:

  1. 指导水利构筑物的运行管理(水力发电设施、灌溉系统、防洪池或低水位支撑系统等);
  2. 指导水利构筑物的尺寸设计(基于对水流特征的了解);
  3. 指导河流流量的管控(确保流量释放量满足下游鱼类存活的最低要求并保障水利设施的其他功能正常,但不至于大到加重洪水);
  4. 帮助保护财产及人员安全(通过判定旱涝灾害情况、发布洪水预警等);
  5. 帮助掌握河流变化规律(通过一系列的长期观察积累的历史数据,了解河流的演变规律,提高对自然风险的认识,获知旱涝极端事件发生的概率等)。
环境百科全书-水文测量-伊泽尔河畔的流量测量站
图2. 坐落于格勒诺布尔吉尔斯·圣马丁·德赫雷斯大学校园的伊泽尔河畔的流量测量站。[来源:© LTHE(格勒诺布尔水文与环境转移研究实验室,现为环境地球科学研究所)]

  当今人类面临着诸多挑战,如遏制全球变暖、实现水资源在不同用途(娱乐、能源、灌溉、饮用水)之间的合理分配、恢复自然环境及生物多样性、满足社会发展对知识的新需求、缓解社会脆弱性风险等。河流与这些问题息息相关。在此背景下,河流流量的测量变得越发重要。

  目前,法国大城市约有3500个水文测量站,主要由环境部门和水力发电或灌溉工程的经营者进行管理。其中80%以上的水文测量站使用远程实时传输数据。这样的站点密度(每100平方公里0.63个)达到了西欧的平均水平,与英国相近,高于西班牙,但低于瑞士和德国。

3. 如何测量河流流量?

环境百科全书-水文测量-河流中的水力控制
图3. 河流中的水力控制
左图为原理图,右图为安装在河中的实例。注意:一旦越过阈值,就会形成一股急流,引发水跃现象,进而产生涡流,造成巨大的能量损失。[来源:© EDF DTG]

  直接测量流量的操作非常复杂,只能偶尔进行。在大多数情况下,流量的直接连续监测非常困难。取而代之的是利用校准曲线建立水位与流量的关系,然后通过连续测量水位推算流量。因此水文测量分为四个步骤:

  1. 测量选址:选取水力控制设施的上游(见图3)或其他适合连续测量水位高度-流量关系的位置;
  2. 水位测量:搭建仪器,实现水位的周期性连续测量;
  3. 流量换算:绘制水位-流量的校准曲线并掌握其变化规律,实现水位与流量的换算;
  4. 分析归档:对流量的时空波动性进行分析,最后归档。

3.1 水位高度的连续测量

  在之前很长一段时间里,水位测量就是每天(或更频繁)利用刻度尺目视读数(图4)。后来人们在刻度尺的基础上安装了传感器,用于监测一个时间步长内的高度变化,其中时间步长是根据流量的波动性确定的(在小型急流盆地中波动较大,在广阔的平原流域波动较小)。目前有几代传感器在监测网络中共存,包括浮标、气动、压阻、水下超声、微分电导率测量等。

环境百科全书-水文测量-尼日尔河上的标尺
图4. 位于莫普提的尼日尔河上的标尺。[© LTHE,现名IGE]

  上述设备都需设置在水中或与水相接触。于2000年代问世的雷达技术(图5)则可在离水环境中工作(这样设备不会受到水、沉积物和水中漂浮物的影响,更加耐用),而且对温度不敏感(克服了水下超声的劣势)。然而,由于需要将雷达移离岸边(边缘效应)且波的接收受到波导制约,与标准方法相比,雷达测量方法的代表性受到一定程度的质疑。

环境百科全书-水文测量-雷达测量水位
图5. 用雷达进行水位测量。[© EDF DTG]

3.2 测量校准曲线的仪器

  主要通过速度场探测或稀释示踪剂的方法,对河流能够达到的所有流量范围(干旱、中等水流以及洪水)进行定期测量。

  长期以来,流速场探测(图6和图7)的测量范围一直局限于水体表面(一般通过能够指示水流的棍状装置——“浮子流量计”来测量)。目前,更完整的速度场可以通过速度传感器(机械转子)(图6)获取,其原理是在水流驱动下,螺旋桨的转速与流速成正比,并产生感应电压(法拉第原则),由此间接反映流速。

环境百科全书-水文测量-水文转子
图6. 在格勒诺布尔校园伊泽尔河安装投入的水文转子。[© LTHE,现名IGE]
环境百科全书-水文测量-速度场测量流速的原理图
图7. 通过速度场进行流速测量的原理图
速度分布图是通过对不同深度上的流速进行持续30到40秒的测量而得

  自20世纪90年代初以来,声学多普勒流速剖面仪(一种基于多普勒效应的海洋学设备)的诞生,标志着水文测量真正的技术性飞跃(图8)。这项技术大大减少了现场测量所需的时间,尤其适用于较大的河流上,现在也能够用于深度超过50厘米的小型河流。

环境百科全书-水文测量-基于脉冲多普勒原理测速
图8. 声学多普勒流速剖面仪基于脉冲多普勒原理测速
通过将超声脉冲发射到水中,分析悬浮粒子背向散射回波的频率偏移。该设备通常有3到4个传感器在垂直方向发射发散声束,使其可以测量三维空间中的速度分布。[©EDF DTG]
环境百科全书-水文测量-稀释法测流
图9. 左:罗丹明注射装置。右:罗丹明进入溪流
示踪剂(对动物和植物无害)不会使水变色。投入水中之后会采用荧光计分析其稀释程度(通过测量荧光衰减),不过目前这项工作需要在实验室进行,之后会发展到直接在采样点进行测试稀释程度[©EDF DTG]

  稀释法测流(图9)通过将示踪剂注入到水流中,并监测其浓度随时间的变化。在能确保示踪剂混合良好且稀释池中没有水流失的条件下,根据质量守恒定律,稀释系数与河流的流量成正比。历史上曾使用过几代示踪剂,目前倾向于使用荧光示踪剂(如罗丹明和荧光素钠)或食盐。

3.3 水位和流量关系的校准曲线

  水位高度与流量之间关系的校准曲线(图10),是流量测量过程中最为精细的环节。长期以来这条曲线纯粹由专业人员手工绘制,而如今这条曲线的确定可以依靠决策支持工具,它综合了统计学方法,考虑了测量和水力模型中的计量不确定性。

环境百科全书-水文测量-格勒诺布尔校园站的校准曲线
图10. 格勒诺布尔校园站的校准曲线
在大多数河流测量站点校准曲线都会因多种原因发生变化,而且它在原则上也永远不会趋于稳定。在格勒诺布尔校园站的例子中,图示的校准曲线在1992到2012年间是有效的。但是随后,由于2012年9月伊泽尔河堤坝工程启动,这一曲线在2013年4月份之前剧烈变化,并在之后再一次趋于平稳。[©LTHE,现为IGE]

  水位与流量之间的关系并不会像人们预期的那样稳定,特别是当水力控制系统不是由人工构筑物主导的时候。植被、人类活动、洪水,通过固体运输、侵蚀或沉积等相关机制,都会或多或少地对河流流量分布产生影响。因此标定曲线的监测需要讲究策略,需要同时考虑测量时间(测量频率)以及水文条件(低水位、平均水位、洪水等)。监测和绘制校准曲线是水文测量的核心业务。

  目前,科学家们发明出一种能够进行流速连续测量的固定式设备,可以在水面上工作(测速雷达)或在水流中工作(通过时差超声或多普勒效应)。但是水文测量的基本原理从未改变,就是找到水位高度和速度之间的校正关系并在监测系统工作过程中不断对流速值进行修正。这些测量硬件在高度和流量关系确定之前(在河流中受航行或潮汐影响)就已经问世,不过得益于当前的科技进步,它们的安装成本大为降低。

环境百科全书-水文测量-LSPIV原理图示
图11. LSPIV原理图示
a)漂浮物播种,b)图像记录,c)正射校正,d)流计算LSPIV表面速度测量(来自Muste)

  新的流场成像技术在流量测定方面极具应用前景:利用视频图像处理技术,通过水表所有固体的位移(树枝,气泡,树叶……)以及河流的湍动来确定河流表面的速度场(图11)。该项技术起源于实验室使用的粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV),但主要用于大型河流的研究,故称大尺度PIV(LSPIV),其功能包括:(1)记录水流图像的时间序列;(2)对图像进行几何校正以避免形变干扰;(3)使用与模式相关的统计分析方法计算水流示踪物的位移;(4)在已知断面几何形状的情况下,根据垂直流速分布模型,通过LSPIV流速场估计总流量

  视频图像处理技术也为未来辅助防洪措施开辟了道路。洪水一般具有突发性,导致道路堵塞(道路被洪水淹没)和安全风险(如汹涌的水流),阻碍抢险队伍的及时干预,而视频图像处理在面对这些因素时可以很好地发挥作用。但是,这项技术也存在限制条件,在能见度低(夜晚、雾天等)的情况下不能使用。

3.4 数据一致性的检查

  将水位转换为流量后,对结果进行评价并将其归档到数据库,是水文测量工作的最终环节。具体包括:对站内的记录进行一致性测试(识别位移和传感器漂移、平滑原始信号、填补记录失效导致的数据缺失等);借助复杂程度不等的水文模型,使本站点与上下游其他测量站点的数据规律一致;参考测量地点已有的历史数据,通过与往年比较,结合降雨量及取水等影响因素对测量值进行解释。

  整个测量是迭代进行的,因此从新近的测量值中,可能会发现校准曲线甚至校准策略的问题,从而能够对其进行进一步的完善。在水文事件发生后,后续的长期观测获得的信息(水利模拟、洪水测量等)可能会修正校准曲线,使当时测站发表的结果发生极大变化。通常会设置18个月到两年的时间用于巩固确认信息。

  近年来,水文测量不确定性的量化取得了很大进展,但仍需进一步研究。对于最优的监测站(即校准曲线的完善频率小于每年4到5次),在80%的时间内,河流流量的不确定性应被控制在5%以内。

4. 水文测量学目前面临的挑战是什么?

  需要知道,水文测量是一个密集作业的过程,它要求作业人员进驻现场,对作业人员在计量、水力学、水文学等方面的专业知识也有很高的要求,是一项带有匠人精益求精性质的工作。一个观测站一年的运行成本通常和其初始建设成本的处于同一量级。因此,水文测量作为一项长期任务,削减其预算对数据的质量有着重大影响。

  水文测量也是一个复杂的过程,因为它会影响自然环境,牵涉到所有环境相关的危害,数据确认所需的时间可能很长。因此,在信息发布数年之后,测量现场给出的信息(甚至用于决策的信息)和经过考证或发现了新要素之后的综合确认数据之间,可能会有显著的差异(在洪水或干旱等极端情形下,局域极值间差异可能达到两倍之多)。

  最后,水文测量也在不断的发展过程中。新的成像技术(LSPIV)和通信手段的产生(电话、互联网)将大大增加数据量。很多与超量数据相关的问题也会随之产生(比如要如何处理考证同化以及保存这些数据),对人员技术能力要求也会相应提高。所有这一切,都是在当前应对气候变化和保护生物多样性的背景下,对更好地了解环境减少灾害的真实社会需求的回应。

 


译者:郎立晨          编审:肖康副教授          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: LALLEMENT Christian (2021), 水文测量:为什么要测河流流量,怎么测?, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/eau-zh/hydrometry-measuring-flow-river-why-how/.

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