1. 引言
黄河作为我国的第二长河流，发源于青藏高原巴颜喀拉山脉北麓，流经九个省区，全长约为5464 km，流域面积79.5万km2。它不仅是我国农产品生产的重要支柱，还是关键的能源、化工、原材料和基础工业基地，长期以来对中国社会和经济发展起到了至关重要的支撑作用。截至2019年底，黄河流域省份人口约占全国的31.58%，地区生产总值约占全国的25% [1]。然而黄河特殊的水情沙情河情，决定了流域的防灾形势严峻复杂。首先，流域上游高原、中下游平原的地势，汛期洪峰流量会急剧增大，易引发洪涝灾害；其次，流域含沙量高，不仅影响水文测验设备的精度，还影响了河段洪水容量及输送能力；此外，其特有河道地貌特征在冬季气候干燥寒冷时，频繁出现结冰封河现象，凌灾发生机率高，是我国凌汛防控的重点区域。
为确保黄河流域干支流得到有效治理和监测，通过点上的实质性的突破带动面上的整体性推进，促进经济社会发展全面绿色转型，推动生态文明建设实现新进步[1]，水位、流速、流量等水文要素的采集频率与质量的重要性愈发凸显。目前黄河流域主要水文控制站配备了转子流速仪、ADCP (声学多普勒流速剖面仪)、雷达水位计和航测系统等监测设备。其中，转子流速仪在黄河流域的应用常采用多船联测，单次测验需要1个小时左右，测验方法较为复杂，成本与强度均较高；且在高流速、高含沙量的江河中测流时，设备轴承油室进水，仪器内摩阻力增大，较大程度上会影响测流精度[2]。而ADCP常与吊箱缆道联合作业，受风浪影响，吊箱往往摇摆不定，测验人员的安全难以得到保障；更为重要的是，作为声学测验设备，较多的泥沙颗粒将会削弱仪器声波的发射和接收，随着含沙量的增高，ADCP声波能量在河流中会发生严重的衰减，河流近底层含沙量增高导致的“动底”现象使ADCP在底跟踪模式下施测的流量偏小[3]，因此国外有关专家建议ADCP使用的条件为含沙量不大于10 kg/m3，这就限定了黄河流域只能用在含沙量较小的情况下使用ADCP测流，即非汛期的黄河以及低沙支流[4]。
综上，黄河流域水文监测主要存在以下难点与痛点。一是作业安全难以保障，流域内主干河道较宽，接触式测流设备在水流湍急的情况下存在极大的安全隐患；二是工作效率低，作为主要监测设备的转子流速仪与ADCP的监测耗时均受河宽、作业人员数量、辅助设备等多种因素的制约，难以提高效率；三是测量精度难以保障，其含沙量高、凌汛期频发特性降低了传统测验设备的精度。随着黄河治理与监测工作逐步被重视，加上水文现代化建设的需求，探索新的测量方法，降低作业风险，提高测量精度，实现高频次测量，已成为目前亟待解决的问题[5]。
基于上述难点与痛点，视觉测流技术凭借其安全高效、非接触性、自动化程度高等优势，为黄河水文监测提供了新思路。通过布设武大AiFlow视觉测流产品，利用时空图像测量原理远程采集河流表面流速，避免人工作业安全隐患，解决了转子流速仪和ADCP在高流速、有水浪无法入水，有漂浮物和水草缠绕仪器不能测验、不安全等问题，以及浮标法测验投浮标、守断面发信号、瞄浮标画图、卡秒表、资料整理计算、用人多、测验历时长、不安全等问题；同时，武大AiFlow视觉测流产品还能快速获取全断面的流量数据，提高测量效率；更重要的是该产品安装施工简便，经安装标定测试率定后即可投入使用，且在最短的时间内能够测得准、报得出，能提供可靠决策依据[6]。本文选取了黄河流域内石嘴山水文站、吴堡水文站、门堂水文站以及张家山水文站作为示范应用站，来开展武大AiFlow视觉测流产品对解决上述难点与痛点问题的可行性分析。
2. 应用站点概况
选择石嘴山、吴堡、门堂、张家山4个水文站作为武大AiFlow视觉测流产品在黄河流域的示范应用站。各个水文站的基本信息如表1所示。
表1. 四个水文站点的基本信息
站点名称 |
地理位置 |
站点类型 |
水位–流量关系 |
站点测流设备 |
石嘴山水文站 |
宁夏回族自治区
石嘴山市惠农区 |
一类精度站 |
呈顺时针、逆时针绳套
和临时曲线等多种线型 |
转子流速仪、走航式ADCP等 |
吴堡水文站 |
陕西省吴堡县宋
家川镇柏树坪村 |
一类精度站 |
中高水水位流量关系
一般为绳套曲线 |
转子流速仪、雷达流速仪、
走航式ADCP等 |
门堂水文站 |
青海省久治县门堂乡 |
三类精度站 |
单一线 |
转子流速仪、走航式ADCP、
水平式ADCP、浮标等 |
张家山水文站 |
陕西省泾阳县王桥
镇岳家坡村赵家沟 |
一类精度站 |
单一线 |
转子流速仪、走航式ADCP等 |
3. 率定检验与成果分析
3.1. 率定检验方法
本文研究方法如下：
1) 数据收集：选取与常规测验设备测流同时段或临近时刻、临近水位的视觉测流数据组成分析样本，利用程序代码将样本数据随机分配为率定样本与检验样本；
2) 断面综合流量系数率定：通过率定样本对断面综合流量系数进行率定，并参考《水文资料整编规范》(SL/T 247-2020)的精度要求[7]，对率定结果进行误差分析与三项检验；
3) 成果检验：参考《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)的精度要求[8]，分析检验样本系统误差和随机不确定度的合理性。
3.2. 率定资料收集
武大AiFlow视觉测流与常规测验设备如转子流速仪、ADCP等在水文站流速仪测流断面(兼浮标测流中断面)不同水流条件下进行了流量测验。其中，由于石嘴山站和吴堡站断面冲淤变化较大，视觉测流均借用对应测次下的断面数据进行计算；鉴于门堂站实测流量数据较少，且测验河段中低水基本无冲淤变化，高水时虽有冲淤但变化较小，水位–流量关系呈单一曲线且较为稳定，故其率定分析与检验的断面流量采用水位–流量关系综合线查线流量；由于张家山站视觉测流借用测流断面为2021年测流断面，率定资料收集时间为2022年，故该站率定选用两者断面面积差异在±5%以内的数据。
收集到视觉测流建站期间四个站点常规设备所测数据统计如表2所示：
表2. 四个站点常规设备所测数据统计
站点名称 |
样本数 |
率定样本数 |
检验样本数 |
水位变幅(m) |
流量变幅(m3/s) |
断面流量来源 |
石嘴山 |
68 |
34 |
30 |
1084.93~1087.58 |
414~1130 |
走航式ADCP |
吴堡 |
37 |
30 |
7 |
635.34~637.00 |
208~1300 |
转子流速仪、ADCP等 |
门堂 |
40 |
30 |
10 |
3631.43~3632.47 |
139~574 |
查线流量 |
张家山 |
31 |
31 |
0 |
419.68~427.42 |
5.26~2300 |
转子流速仪 |
注：① 石嘴山站4个样本的视觉测流画面受冬季风雾等环境因素影响，不纳入断面综合流量系数的率定与检验；② 根据《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)要求，比测有效次数不少于30次[8]，故张家山站的样本均用于率定。
图1. 四个站点视觉测流虚流量与常规测流设备流量相关关系
3.3. 率定分析
基于上述率定方法与样本，分别建立武大AiFlow视觉测流虚流量与常规设备测流流量相关关系如图1所示，可决系数R2均大于0.98，说明四个站点关系线拟合效果良好，断面综合流量系数分别为0.86、0.87、0.82、0.74。
3.4. 检验分析
基于以上率定的断面综合流量系数，将视觉测流虚流量转换为断面流量，对率定结果进行检验，具体结果数据如下表3所示，四个站点率定样本检验结果均满足《水文资料整编规范》(SL/T 247-2020)规范要求。
表3. 四个站点率定检验分析结果表
检查项 |
规范参数 |
石嘴山 |
吴堡 |
门堂 |
张家山 |
检验结果 |
系统误差(%) |
±1 |
0.79 |
−0.31 |
0.75 |
−0.04 |
合格 |
随机不确定度(%) |
8 |
6.20 |
6.40 |
5.94 |
6.50 |
合格 |
符号检验 |
<1.15 (显著性水平α = 0.25) |
0.17 |
0.18 |
0.55 |
0 |
合格 |
适线检验 |
<1.28 (显著性水平α = 0.10) |
1.04 |
0.74 |
0.37 |
0.55 |
合格 |
偏离数值检验 |
|t| < 1.70 (显著性水平α = 0.10) |
1.56 |
0.55 |
1.47 |
0.07 |
合格 |
同时，利用预留的检验样本对率定关系进行成果检验，根据断面综合流量系数将视觉测流虚流量转换为换算流量，分析其与实测断面流量的系统误差和随机不确定度，计算结果见表4，均符合《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)规定。
表4. 三个站点检验样本分析结果表
检查项 |
规范要求 |
石嘴山 |
吴堡 |
门堂 |
检验结果 |
系统误差(%) |
±1 |
0.81 |
0.17 |
0.05 |
合格 |
随机不确定度(%) |
6 |
5.81 |
5.06 |
4.38 |
合格 |
3.5. 视觉测流成果分析
3.5.1. 流速分布合理性分析
为进一步验证武大AiFlow视觉测流产品的可靠性，以吴堡站为例，于2023年11月06日至2023年11月07日在其测流断面使用转子流速仪采集表面流速数据，与同时段视觉测流表面流速进行对比，以其中一个测次为例，如下图2所示，可以观察到相同时段内视觉测流采集到更多频次的数据，且其表面流速与转子流速仪数据具有较高的一致性。
3.5.2. 洪水过程监测成果分析
自安装武大AiFlow视觉测流产品后，4个站点均经历了多次洪水，以石嘴山水文站和张家山水文站为例，观察视觉测流在洪水期的应用效果。如图3、图4所示，分别为石嘴山水文站与张家山水文站某次洪水期间视觉测流采集到的流量时间过程线，可以观察到视觉测流在两个站点均采集到完整的洪水过程，且与张家山站ADCP在同时段内采集到的7组流量数据基本一致；另外视觉测流在施测期间保留了全时段监测画面，如图5所示，可以不断地回溯分析，甚至可以根据需要任意进行补测与加测。
3.5.3. 流凌期监测成果分析
为检验武大AiFlow视觉测流产品在流凌期的适用性与准确性，分别对石嘴山水文站、吴堡水文站、门堂水文站流凌期的视觉测流换算流量与比测流量进行误差分析，计算结果如下表5所示。
从表中可以观察到，视觉测流换算流量与比测流量的相对误差在±5%以内的占比超80%，且所有相对误差均小于8%，其中个别测次通过视觉测流可回溯功能确认为环境干扰问题已剔除。
图2. 吴堡站视觉测流与转子流速仪流速分布对比图
图3. 石嘴山站2023年9月洪峰水位流量过程曲线图
图4. 张家山站2022年7月16日洪峰水位流量过程曲线图
图5. 石嘴山站和张家山站洪水期间视觉测流视频画面图
表5. 三个站点流凌期误差分析结果表
站点名称 |
流凌期样本量 |
相对误差±5%以内占比 |
相对误差±7%以内占比 |
相对误差±8%以内占比 |
门堂 |
5 |
100% |
100% |
100% |
吴堡 |
13 |
84.62% |
100% |
100% |
石嘴山 |
17 |
76.47% |
94.12% |
100% |
合计 |
35 |
82.86% |
97.14% |
100% |
4. 结论
本文通过对武大AiFlow视觉测流产品在石嘴山水文站、吴堡水文站、门堂水文站、张家山水文站的应用分析，得到以下结论：
1) 武大AiFlow视觉测流产品在各个站点的率定与检验均符合《水文资料整编规范》(SL/T 247-2020)、《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)和《图像识别法河流流量测验规范》(T/CHES 99-2023) [9]的要求；
2) 在表面流速精度、洪水期监测效果、流凌期测流精度等多维度对比下，武大AiFlow视觉测流产品均体现出其可靠性与稳定性；
3) 作为非接触式测流产品，武大AiFlow视觉测流产品在流量测验中无需人员涉水作业，单次测验耗时短，具有可回溯性，能够有效提升流量测验的效率，且为资料整编分析提供质量保障。
综上，武大AiFlow视觉测流产品在测流精度、效率、安全等方面均具有明显的优势，有效地解决了黄河流域多沙河流流量监测的难点与痛点，不仅为黄河流域的防洪安全、水资源安全和水生态安全提供新技术支撑，也将积极推动黄河流域高质量发展。
基金项目
感谢水利部重大科技项目SKS-2022020对本研究的支持。
NOTES
作者简介：王海红(1986-06)，河南省睢县人，本科，高级工程师，从事规划计划、基本建设及水文水资源、水生态水环境等管理工作，Email: nmjwhh@qq.com