预测和管理河流流量是防洪，供水，农业和能源生产的必要条件。但是，了解如何衡量这些流量是前提条件。

这构成了水文测量学，这是与水文学（自然环境中的水科学）和水力学（流动物理学）截然不同的补充。大陆上大约三分之一的雨水返回大海和海洋（另外三分之二直接蒸发或被植物消耗）。

在全球范围内，近36,000 km 3每年都有大量水流过河流。但是，从一个大陆到另一个大陆，以及（对于同一条河流）从一年到另一年或同一年内，这些数量的分布可能非常不均匀。只有通过永久测量这些河流的流量来解决这种不规则性。但是，无法直接获得对河道流量的连续测量，而这是结合多个现场观察的实验过程的结果。

1.测量河流流量，这是一个长期困扰业界的问题，应该选择什么样的流量计呢？

水文学是一门与水文学（自然环境中的水科学）和水力学（水流物理学）截然不同且互为补充的科学，是一门旨在测量河流流量的学科。流量-穿过一条河流一段时间的水量-以立方米每秒（m 3 / s）表示。

图1. Vaison la Romaine的L'Ouvèze；普罗旺斯河的流量已经从0.1 m 3 / s（1990年夏季，左图）增加到近1200 m 3 / s（右图，1992年9月22日），这使得年平均流量接近6 m 3 /秒。[©EDF DTG

每个水道都遵循特定的制度，该制度取决于降水的节奏及其水文“风土”。对于世界上人口Z多的河流亚马逊河，同一个月的两个极端月份之间的流量变化只有一到两个。从一年到下一年，其平均年流量在其206,000 m 3 / s值附近仅变化10％至15％。在亚马逊是一个极其普通的河流。另一方面，像Chari这样的非洲河流在乍得湖的出口处平均流量为1197 m 3 / s。在同一年内，两个极端月份之间的流量变化是20的因子（150至3000 m 3 / s）。而从一年到下，年平均流量可以通过两个因素而变化：739米3在1942年/ S，1720米3 / s的在1956年的沙里因此具有更加反衬制度。

但是如何测量这些流量？自远古以来，人类至少在对农业的依赖时对它产生了兴趣。但这是一个比熟悉程度要难得多的问题。詹姆斯·让·斯（James Jeans，英国物理学家，1877-1946年）写道：“太阳在时间单位内发射的总辐射转化为质量，约为伦敦桥下泰晤士河中流动水的10,000倍；顺便说一句，如果因子10,000是总值，那不是因为我们不知道太阳辐射的确切质量，而是因为我们无法测量泰晤士河的平均流量。»

2.为什么现在要测量河流流量？河流流量测量的目的是什么？

河流流量的测量有几个目的：

水力结构：（水力发电设施，灌溉系统，防洪坦克或低水位支撑系统等）的运营管理；通过了解这些水道的特征确定这些结构的尺寸；

监管控制：用于核实建筑物下游的泄流义务（确保鱼类生存的Z小水流，维持其他用途；不加剧洪灾），灾难状态声明（干旱…）；

防洪防汛：通过洪水预警

保护财产和人员：通过一系列的宪法长期观察，必须知道河势演变，到自然风险提高认识，分配一个概率极端事件（洪水，低水位）。

目前，全球变暖的挑战，在不同用途（娱乐，能源，灌溉，饮用水）之间共享水的新需求，自然环境及其生物多样性的恢复或保存，对自然环境的社会需求，使这些措施的利益得到了加强。知识，增加了社会的脆弱性。

图2.格勒诺布尔圣格丁大学校园内格勒诺布尔伊泽尔的流量测量站。[©LTHE（练习曲和水文环境实验室，现为格勒诺布尔IGE环境科学研究院，IGE）]

应该指出的是，法国大都市目前大约有3500个水文站，主要由环境部以及水力发电或灌溉工程的经营者管理。超过80％的信号是实时传输的。该密度（0.63 / 100km²）在西欧平均水平，与英国大致相同，高于西班牙，但低于瑞士或德国。

3.如何测量河流流量？

直接流量测量是一个复杂的操作，只能偶尔执行。除非常特殊的情况外，无法直接连续监控流量。在事先通过校准曲线将水位连接到流量之后，才是连续测量的水位。这就是为什么水份测定是一个四步过程：

图3.河流中的水力控制；左侧是原理图；右边是河中的一个例子。请注意，一旦超过阈值，就会形成洪流状态，随后是水力跃升，会产生涡流和大量能量损失。

在液压控制装置上游（见图3）或在可以建立独特的高度-流量关系的另一个位置连续测量高度，实现这种关系（校准曲线）的定期量规的实现，从而可以将高度转换为流量，该校准曲线的布局及其演变的检测，然后，在将高度转换为流量之后，对时空波动进行严格分析，然后对其进行存档。

3.1  连续测量高度

长期以来，高度测量包括每天（或以较短频率）以刻度尺（图4）获取的视觉读数。随着时间的流逝，通过安装这些参考刻度之外的传感器，该过程已经实现了自动化，该传感器可以按时间步长监视高度变化，以适应流量波动（在小型洪流盆地中，这种反应非常灵敏；在大型洪泛盆地中，则更加平滑）平原流域）。现在，网络上共存有几代传感器：浮子，气动，压阻，超淹没声，差分电导率测量等。

所有这些设备都放置在水中或与水接触; 该雷达（图5） -这出现在2000年代初-提供的是水出来（的保证优势更好的耐用性，因为它是不受的侵略水，沉淀物和漂浮在河体）并且对温度不敏感（新兴的超声波所缺乏的特性）。但是，将雷达从海岸线移开（边缘效应）的需求以及由波导调节的波接收任务可能会不利于测量相对于参考比例的代表性。

图5.出现的雷达物位测量。

3.2  校准曲线：仪表

定期对河流可到达的整个流量范围（在干旱，中水和洪水中）进行定期测量，主要是通过探索速度场或稀释示踪剂来进行的。

在通过探索的速度场计量的流动（图6和7）一直被限制在表面速度（借助于“浮动”，棒加权根据电流）。现在，可以使用速度传感器获得更完整的速度场图：机械 线轴（图6）–与电流局部速度成比例旋转的螺旋桨–电磁–水的位移产生感应电压，该感应电压与电流局部速度成比例当前（法拉第原理）。

图6.在Ilère格勒诺布尔校区实施的水文卷线筒。

图7.通过探索速度场进行测量的原理。通过在几个深度和几个垂直方向上停留30至40秒绘制速度图。

自1990年代初以来，ADCP剖面仪（声学多普勒电流剖面仪：一种基于多普勒效应的海洋学设备）已成为水文测量技术的真正飞跃（图8）。它们显着减少了现场测量时间，尤其是在大河上，并且现在适用于小河（但要求Z小深度为50厘米）。

图8. ADCP速度测量基于脉冲多普勒原理：将超声波脉冲发射到水中并分析悬浮粒子的反向散射回波的频率偏移。该设备通常具有3或4个换能器，它们围绕垂直方向发射发散的声束，从而可以在三个维度上测量垂直方向的速度分布

稀释计量（图9）包括将示踪剂注入河道中并随时间监控其浓度。根据质量守恒定律，在保证示踪剂良好混合的条件下（如果稀释池中没有水流失），稀释系数与河流流量成正比。

历史上已经使用了几代示踪剂，当前的现有技术是偏爱荧光示踪剂（若丹明，尿嘧啶）或食用盐。

图9.左：若丹明注射装置。右：若丹明进入水流。示踪剂（对动植物无害）不会使水变色。然后用荧光计分析其稀释度（以测量其荧光衰减），目前仍在实验室中。明天可以直接在现场

3.3  链接高度和流量：校准曲线

Z微妙的环节是设定曲线，即高度与流量之间的关系（图10）。长期以来，仅根据操作员的专业知识手工绘制，此曲线的定义现在就需要决策支持工具，即结合统计方法的工具，同时考虑到计量的计量不确定性和水力模型。

如果认为高度-流量关系在给定的时间段内是稳定的，则高度-流量关系不一定随时间推移是稳定的，尤其是当液压控制装置不是由人造结构构成时。植被，人为干预，洪水–通过相关的固体运输，侵蚀或沉积机制–或多或少地改变了河流的流量分布。因此，监控设置曲线可调节实际的测量策略，以便在时间（测量频率）和根据水况（低水，平均水，洪水）进行调整。监测和绘制校准曲线是水文测量的核心业务。

现有技术的状态Z近与留置允许设备演进连续速度测量，无论是在表面上（速度雷达）或在流动留置（渡越时间超声或多普勒效应）。水位计的原理没有根本改变：高度，速度，流速的校准关系在整个测量站点的操作过程中仍需校准。当未验证高度和流量之间的独特关系（河流受导航和/或受潮影响）时，已经实施了这些系统，但是当前的技术发展使分布这种类型的设备的成match本降低了。新的成像技术带来了有希望的创新：视频图像处理可确定河流的表面速度场（图11）。在这里，我们使用在表面上运输的所有固体（树枝，气泡，树叶等）的位移以及流动的湍流。该技术源自实验室中使用的粒子图像测速技术（PIV），但用于研究大型河流型物体，因此其名称为“大型PIV （LSPIV）”。这包括：

图11. LSPIV原理：a）浮体的播种，b）图像记录，c）正像校正，d）通过LSPIV表面速度测量（来自Muste）进行流量计算

记录流中带有时间戳的图像序列，

图像的几何校正以避免透视失真，

一个的位移的计算使用与所述图案相关性的统计分析的流动的示踪剂。

知道河段的几何形状并采用垂直速度分布模型，可以从LSPIV速度场估算总流量。

未来的这项技术为致密化洪水措施开辟了道路：事件的短暂性，交通困难（道路充斥），安全条件（暴力流量）不允许团队进行必要的干预。但是，如果能见度不佳（夜，雾），则无法实施。

3.4 检查数据的一致性

高程到流量的转换，结果的批判，数据库中的归档是水文测量业务的Z后一部分。

在车站的记录上进行一致性测试（识别偏移和传感器漂移，平滑原始信号，在记录失败期间填补空白）并通过或多或少的复杂水文模型进行测试：

在与其它相干的上游和下游测量站点，

通过参考测量现场已经收集的历史数据，将其与前几年进行比较，以基于降雨测量，已知影响（取水量等）的方式寻找解释

整个过程是迭代的，因此可能导致质疑当前的校准曲线，从而重新定义其布局甚至校准策略。水文事件发生后很长时间获得的信息（水力学模型，洪水测量……）可能会导致站点发布的结果发生重大变化。通常需要十八个月到两年的时间来合并信息。近年来，水文计量学中不确定性的量化已经取得了长足的进步，但仍然是该行业研究的领域。可以认为，在Z佳站点（即那些可以以每年少于4或5个仪表的速度跟踪校准曲线的站点）上，遇到80％的时间的电流被合并到5％以内。

4.当前的水文测量挑战是什么？

让我们记住，水文测量是一个劳动密集的过程，需要在野外旅行，并且是结合了计量学，水力学和水文学的真正工匠的任务。结果，一个站的年度运营成本通常约为创建测量点的初始投资成本的数量级。因此，水文测量法是一项长期任务，削减预算对所产生数据的质量有重大影响。水压法也是一个复杂的过程，因为它会影响自然环境及其所有相关危害，并且数据的成熟时间可能很长。因此，在批评或发现新要素后，当场提供的信息（甚至用于做出决定）与合并数据之间，可能会在几年后出现显着差异（对于极端政权值，在洪水或干旱中是两倍）他们的发生。