近年来，随着我国沿岸城市人口的增长及工农业的发展，氮、磷、COD和重金属等污染物入海量一直呈高压负荷状态，近岸海洋生态系统受到严重威胁。相关研究表明海洋污染物约70%~80%来自于陆源，入海河流是最主要的载体，据估算每年由陆地进入海洋的污染物中绝大部分经河口输运入海^[1-3]。入海河流的污染物入海通量计算取决于河流水质和入海径流量，其中入海径流量是影响污染物入海通量的关键因素，而入海径流量的计算又取决于入海流量和监测断面过水面积。入海河流河口段受潮流、径流、风浪等因素的叠加影响，流速、水位瞬息万变，流向随潮汐涨落不断往复转变，构成了复杂的水文现象，其流量无法通过水位流量关系由水位观测资料间接推算流量, 所有的流量资料必须依赖实测获得^[4-5]。目前我国入海流量监测仍是以丰水期、枯水期、平水期的瞬时监测为主，仅依据有限次数的流量瞬时监测结果，并结合对应的污染物浓度数据来评估某一时刻或年度的污染物入海量^[6-8]，其时效性和时间分辨率均明显不足，存在较大的不确定性。

为贯彻《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》“推进国家海洋环境实时在线监控系统建设”和《国家海洋局关于进一步加强渤海生态环境保护工作的意见》“开展入海污染源普查，建设海洋环境实时在线监控系统”的要求，急需建设和大范围推广入海流量实时在线监测系统。流量实时在线监测系统是以自动分析设备或传感器为核心，结合自动控制技术、计算机应用技术以及专用分析软件和信息通讯网络等共同组成的一种现代化自动监测手段。与传统流量监测方式相比，具有显著的实时性、连续性等优势，是提高流量监测时效性和时间分辨率的重要技术手段。多年来，水利部、地方政府、科研院所等投入了大批资金在一些河流建立了流量在线监测系统或自动化监测系统^[9-16]，但这些系统大多仅适用于特定的河流环境特点，仅考虑局部问题和部分功能，不具普适性，不易推广。近年来，随着国家海洋生态环境保护需求的不断提高，大批入海流量在线监测系统陆续投入建设，但缺少系统化、规范化的系统建设方案，如此盲目建设不仅会浪费人力物力财力，还将导致系统之间兼容性差，数据格式不统一，数据汇总困难，不利于系统作用的充分发挥和大范围推广应用。

基于此，本文紧贴国家海洋环境保护需求，给出了一种入海流量实时在线监测系统的范化设计方案，并在辽河在线监测站予以实现且进行了长期的业务化运行，取得了良好的效果。根据该方案设计的系统自动化程度高，稳定性强，并具有较好的通用性和移植性，易于大范围推广应用，可在一定程度上避免系统的盲目建设，为全面掌握我国江河入海污染物总量提供技术支持，对海洋生态环境保护具有重要的意义。

1   系统设计

1.1   系统设计原则

本系统的设计遵循的主要原则有规范化、易推广、实时性、稳定性、安全性、可靠性、易操作、易维护。其中，规范化、易推广是本系统设计的初衷，也是本系统与其他同类系统的根本区别；实时性、稳定性是本系统设计要求的基本性能，实时、稳定的流量数据获取是系统长期业务运行的基本需求，可避免通过传统瞬时监测计算流量的不科学和不确定性，大大提高流量监测的准确性；安全性、可靠性是本系统设计的技术要求，确保系统数据采集、通信、传输线路安全通畅，保证系统能在恶劣环境条件下可靠运行；易操作、易维护是本系统设计的管理需求。

1.2   系统组成

江河入海流量实时在线监测系统应由监测站房、在线监测仪器、仪器载体、数据采集与存储模块、供电模块、远程通信模块、远程控制模块、数据处理与分析模块、控制中心等部分组成，其组成结构框图见图 1。

图  1  江河入海流量实时在线监测系统规范化结构

Fig.  1  Standardized structure diagram of real-time online monitoring system for rivers flow into the sea

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系统各组成部分的主要功能如下：

(1) 监测站房是为现场监测提供仪器设备存放，以及供电、通信、值守人员基本生活保障等条件的场所；

(2) 在线监测仪器用于实时监测断面代表流速、流向、水位等数据，主要指定点式声学多普勒流速剖面仪、自动式水位计等仪器；

(3) 仪器载体用于承载仪器，将监测仪器固定于特定位置。根据现场环境和仪器的工作方式、尺寸规格可选择浮标、海床基、桥墩、支架等适宜的仪器载体；

(4) 数据采集与存储模块用于实时采集和存储监测仪器的测量数据，并可对监测仪器的采集参数进行设置和调整；

(5) 供电模块用于保障系统中所有用电设备的不间断供电。供电模块分为两部分，即监测站房供电模块和控制中心供电模块，分别为监测站房和控制中心的仪器设备供电；

(6) 远程通信模块用于建立监测站房和控制中心的远程通信链路，并将现场采集数据实时回传至远程控制模块；

(7) 远程控制模块用于接收和存储现场远程传来的监测数据，并存储到本地服务器；

(8) 数据处理与分析模块用于监测数据的质量控制、流量实时计算、成果展示等;

(9) 远程控制中心为实现对系统各模块的实时监控、远程控制，监测数据的接收、存储、分析与处理等提供场所。

1.3   系统运行流程

本系统采用代表流速法进行入海流量实时在线监测。代表流速法也称指标流速法，指根据监测断面平均流速与断面代表流速之间对应关系(即代表流速关系)，通过监测断面代表流速来推算断面平均流速，进而根据流速面积法计算断面流量。

本系统运行流程见图 2所示。

图  2  江河入海流量实时在线监测系统运行流程

Fig.  2  Operational process of real-time online monitoring system for rivers flow into the sea

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通过自动化监测仪器实时监测断面代表流速和水位数据；数据采集与存储模块实时采集和接收现场监测数据，并保存至本地进行存储；远程通信模块通过互联网(有线或无线链路)实现与远程控制中心的通信，并将现场监测数据传输至远程控制模块；远程控制模块接收现场监测数据，并存储至数据库；数据分析与处理模块对数据库中的监测数据进行汇总、分析与处理，实现对数据的质量控制，并实现对流量、径流量、潮量等成果数据的实时计算与可视化展示。

1.4   系统数据流

采用代表流速法进行流量在线监测时，实时监测断面代表流速，并根据代表流速和断面平均流速之间的关系(即代表流速关系)推算断面平均流速；实时在线监测断面水位，根据断面水位和大断面测量数据实时计算断面面积；断面平均流速与断面过水面积乘积即为断面流量，进而可计算断面径流量、涨潮潮量、落潮潮量等；再结合断面各种污染物实时浓度数据，就可以估算断面污染物通量，为海洋环境保护提供数据支持。本系统的数据流见图 3。

图  3  江河入海流量实时在线监测系统数据流

Fig.  3  Data flow of real-time online monitoring system for rivers flow into the sea

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其中，代表流速关系的建立和率定是关键的一步，代表流速关系的可靠与否直接决定断面流量计算值的准确度。代表流速关系建立是为了确定代表流速关系，率定是为了定期检验并修正代表流速关系。本系统中代表流速关系的建立和率定采用代表流速连续监测与走航式声学多普勒流速仪流量监测相结合的模式，即：以代表流速连续在线监测为基础，以走航式声学多普勒流速仪进行大、中、小潮时期的流量同步监测作为流量在线监测的率定资料。具体步骤如下：

(1) 在监测断面的丰水期、平水期和枯水期的大、中、小不同潮汐强度下采用走航ADCP监测断面流量(一小时两个测回)，并同步监测代表流速和断面水位，每次同步连续监测时长应不少于25 h；

(2) 根据断面水位数据、大断面测量数据等，计算每个走航ADCP流量值对应的断面面积；

(3) 根据走航ADCP流量测量值和对应的断面面积计算断面平均流速，即断面平均流速=断面流量/断面面积；

(4) 根据不同时期(丰水期、平水期、枯水期)断面平均流速值和对应断面代表流速值，利用回归分析方法，建立各个时期单独的或通用的代表流速关系；

(5) 每年采用以上步骤对原断面代表流速关系进行重新率定，确定新的断面平均流速与代表流速的函数关系。

同时，还需定期(一年一次)对监测断面地形(包括水下地形和岸上地形)进行率定，确保监测断面面积计算的准确度。水下地形测量应在水位平稳时沿河宽进行水深连续高精度探测，测深垂线数应能满足掌握河道断面形状的要求；岸上部分高程测量应按照四等水准测量精度要求进行^[17]。

代表流速关系建立和率定流程见图 4所示。

图  4  代表流速关系建立和率定流程

Fig.  4  Procedure of the building and calibration of the index and cross-section average velocity relation

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2   系统实现及应用

2.1   系统应用环境特点

2017年国家海洋环境监测中心在国家海洋局的在线监测示范站—辽河在线监测站建设完成了入海流量实时在线监测系统。辽河在线监测站位于辽河盘锦段盘锦市大洼县新兴镇橡胶坝管理站附近，距离辽河入海口约30 km，受潮汐影响明显，流速、水位、盐度等日变化显著。该站通常水位下水面宽约200 m，潮差约2 m，涨潮历时3~4 h，落潮历时约8~9 h，实测盐度最大11，具有典型非恒定往复流特征。

辽宁省政府为了改变辽河水质环境、缓解用水压力、防止海水倒灌，于2012年修建一橡胶坝，该坝为辽河最后一道坝，一共分为三段，每一段高度不同，并且橡胶坝升起和下降时间不确定。流量在线监测断面位于橡胶坝上游约200 m处，橡胶坝对流速、水位监测数据造成一定影响。通过大断面调查，监测断面地形条件复杂、断面不规则、水深变化较大，平均水深较浅，多在5~8 m之间，且水平和垂向流速变化复杂，流量存在较大的不确定性。

2.2   系统实现

辽河在线监测站流量实时在线监测系统严格遵循了本文的规范化的设计与建设思路，由监测站房、海床基、固定支架、定点垂向向上声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、定点水平式声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)、稳压可调电源、不间断电源(UPS)、市电、现场采集主机、DTU模块、终端服务器、系统软件、控制中心等软硬件组成(见图 5)。

图  5  辽河在线监测站流量实时在线监测系统结构

Fig.  5  Structure diagram of real-time online monitoring system in Liao river monitoring station

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对应图 1的系统规范化结构框图，本系统的监测仪器为定点垂向ADCP(Flowquest 1000k)、定点水平ADCD(Sontek SL 500k)，其中，垂向ADCP安装在海床基上，布放于流量监测断面的中泓线处，ADCP采样间隔为10 min，层间隔为0.25 m，在线监测代表垂线流速和实时水位；H-ADCP固定在不锈钢支架上，通常水位情况下距岸约50 m，距底约3 m，位于水面下约2 m，采样间隔为10 min，在线监测代表层流速。在线监测仪器安装布放和断面地形示意见图 6。

图  6  在线监测仪器安装布放和断面地形示意图

Fig.  6  Schematic of the online monitoring equipment launching and the terrain of the profile

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数据采集与存储模块为现场采集主机，采用RS-422通信方式通过光电复合缆与定点ADCP连接，实现定点ADCP采集参数的设置和监测数据的采集、存储；远程通信模块为DTU模块，DTU模块采用标准接口与现场采集主机相连，并通过发射4G信号至指定IP地址或域名，将相关监测数据进行实时网络传输至终端服务器(即远程控制模块)；终端服务器通过设定IP或域名接收并自动存储DTU模块所发送的监测数据，实现监测数据的远程接收和存储；数据处理与分析模块(系统软件)安装于终端服务器上，实现定点ADCP流速、流向和水位监测数据的质量控制和流量的计算，并可视化展示；市电、不间断电源和稳压可调电源共同组成供电模块，不间断电源通过电缆直接同稳压可调电源、现场采集主机、DTU模块和终端服务器相连，为其提供稳定、不间断的220 V电压，稳压可调电源将220 V电压转换为24 V电压，并通过光电复合缆为定点ADCP供电。

2.3   系统应用情况

辽河在线监测站流量实时在线监测系统自建成至今已业务化运行了近1 a的时间，获取了监测断面长期、连续的流量数据(见图 7)。由图 7可明显看出，辽河在线监测站监测断面落潮时流量为正，流速慢、流量小、时间长(约8 h)；涨潮时流量为负，流速急、流量大、时间短(约4 h)。这些都很符合感潮河段流量变化的基本规律，也在一定程度上证明了本系统流量测量结果的可靠性与合理性。

图  7  辽河在线监测站流量实时在线监测数据示例

Fig.  7  Sample of real-time online monitoring data in Liao river monitoring station

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本系统还于2017年丰水期的大潮期(9月6-7日)和小潮期(9月12-13日)进行了两次同走航ADCP的25 h连续同步流量监测，根据监测数据，初步建立了辽河在线监测站监测断面的断面平均流速与代表垂线流速和代表层流速之间的关系(代表流速关系)。同时，本系统于2017年10月26-27日进行了一次流量测量误差试验，获取了82组同走航ADCP的流量同步测量数据，并参考《感潮水文测验规范(SL 732-2015)》和《河流流量测验规范(GB 50179-2015)》初步对本系统的流量测量不确定度进行了评估，评估结果满足《感潮水文测验规范(SL 732-2015)》中对代表流速法流量测量不确定度的要求。

3   结论

(1) 代表流速的代表性需要进一步论证。本系统定点垂向ADCP和水平ADCP的布放位置均是根据经验和少量的监测数据确定的，所得到代表流速的代表性并未进行充分论证，下一步需要进行相关的论证试验。

(2) 代表流速关系的建立和率定需要更多有代表性的数据支持。本系统现在仅进行了一个丰水期大潮期和小潮期同走航ADCP的流量同步监测，建立的代表流速关系尚不够准确，还需要平水期、枯水期的大小潮期的流量同步比测试验数据，综合分析来建立代表流速关系，并每年要对代表流速关系进行重新率定。

(3) 数据质量控制方法需要进一步完善。本系统实时采集的流速、流向、水位等数据现仅进行了简单的阈值判别，尚缺少物理机理分析和数理统计分析等更科学合理的数据质控方法。

(4) 流量监测误差试验和数据准确度评估方法需要进一步推进。本系统现在仅进行了一次误差试验，并据此初步估算了单次流量测量的不确定度，缺少更多、更科学的试验数据，尚需针对不确定度的各个分量制定更加合理的误差试验方案，更加准确的估算其流量测量的不确定度。