流域省界水資源水量自動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)初步研究——以沙潁河豫皖省界界首站為例

應(yīng) 玉

（1安徽淮河水資源科技有限公司 蚌埠 233001 2阜陽水文水資源局界首水文站 界首 236500）

1 問題提出

省界水量監(jiān)測是水資源管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，是流域各省級行政區(qū)水量分配、取水總量控制管理的重要依據(jù)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，以行政區(qū)域管理為目的的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水資源管理的需求越來越高，特別是跨省級行政區(qū)界的水資源管理任務(wù)越來越突出，而現(xiàn)有的水文監(jiān)測遠(yuǎn)不能滿足流域機(jī)構(gòu)對省界監(jiān)測管理的要求。省界水量監(jiān)測存在的問題主要有以下幾點(diǎn)：（1）水文站設(shè)備、設(shè)施陳舊，監(jiān)測手段、方法落后；（2）監(jiān)測管理現(xiàn)代化、信息化水平低；（3）信息處理的及時(shí)性、針對性與管理工作的需求不相適應(yīng)。

針對水資源管理的迫切需求，必須加強(qiáng)水量監(jiān)測分析工作。采用流量自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水量監(jiān)測現(xiàn)代化、自動(dòng)化，可為水資源管理現(xiàn)代化提供有利保障。

2 自動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)研究

目前，淮委水文局根據(jù)行業(yè)規(guī)范《二線能坡法測流規(guī)程》，結(jié)合淮河流域河道流量的特性，研發(fā)一套應(yīng)用于天然河流的流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。2012年3月21日該系統(tǒng)安裝在沙潁河豫皖省界界首水文站，獲得良好效果，能夠?yàn)榱饔蛩勘O(jiān)測提供一種實(shí)用可行的選擇方案。

界首水文站是潁河主要控制站，屬國家重要水文站，一類精度站，也是潁河由河南省進(jìn)入安徽境內(nèi)第一水文站。該站為工程調(diào)度、防汛抗旱及防污治污服務(wù)，全年駐測，流量常規(guī)測驗(yàn)方式為自動(dòng)纜道測流。界首水文站距上游槐店閘30km，距下游耿樓閘20km，受上下游閘門啟閉影響，該站水位漲落和流量關(guān)系紊亂，為滿足水文測驗(yàn)規(guī)范要求，每年測流次數(shù)多達(dá)400次左右。

2.1 試驗(yàn)原理

該系統(tǒng)采用的是二線能坡法。

二線能坡法是以曼寧公式為基礎(chǔ)，借助水力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，建立與曼寧公式具有相同結(jié)構(gòu)形式的垂線流速公式；改天然河道中綜合糙率為分解糙率；并以二條實(shí)測垂線流速為已知條件反求能坡（水流能量坡度）參數(shù)，代替曼寧公式中比降與糙率的比值關(guān)系，從而使成果精度顯著提高，并借助等效流量原理，解決多種非恒定、非均勻流條件下流量計(jì)量問題。

通過實(shí)時(shí)水位信息和斷面特征信息，依據(jù)二條垂線的實(shí)測平均流速，能夠?qū)崿F(xiàn)河道流量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。見圖1、圖 2。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

該自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)流速傳感器采用了美國link-quest公司生產(chǎn)的單聲路聲學(xué)多普勒 （ADCP）流速剖面儀（FlowScout2000型）。單聲路聲學(xué)多普勒流速剖面儀應(yīng)用了美國最新的類似小型相控陣技術(shù)，可以同時(shí)跟蹤一條線上很多個(gè)不同的單元目標(biāo)，對于測量的盲區(qū)，可以在最小盲區(qū)與任意大盲區(qū)之間做自動(dòng)調(diào)整，保證各種實(shí)際流態(tài)都測得到；處理技術(shù)上采用了高速DSP處理技術(shù)，流速數(shù)據(jù)刷新頻率非常快，對河道流場與流量的變化情況提供了更細(xì)膩的判斷依據(jù)；在安裝方面，單聲路聲學(xué)多普勒流速剖面儀與水平雙聲路聲學(xué)多普勒流速剖面儀相比，體積小了許多，非常適合便攜式測量。

硬件設(shè)備上采用了平行四邊形的不銹鋼管起落架，起落架上部安裝一個(gè)儀器（ADCP）基座，下部與整體結(jié)構(gòu)的基座（實(shí)心樓板）鋼鉸鏈接，整體結(jié)構(gòu)的基座使用了超薄、窄長的水泥板預(yù)制件，空心預(yù)制樓板用水泥砂漿填實(shí)，利用其特殊的幾何形狀（長4.5m、寬60cm、厚12cm）和自重（680kg）兩大要素，使之起到相當(dāng)于基座的作用。起落架最大長度14m，依靠自重和與基座的聯(lián)結(jié)并工作狀態(tài)時(shí)臥于河底時(shí)，浮筒位于起落架的最上部，距河床最大高度小于70cm，儀器檢修時(shí)，通過對起落架上的浮體充氣把儀器付出水面。詳見圖3。

2.3 試驗(yàn)過程

由專業(yè)設(shè)備安裝工人把起落架安裝在樓板上，并裝好可浮起樓板和起落架的充氣囊，充氣備用。用漁船把漂浮在水面的起落架與樓板一起牽引到起點(diǎn)距130（或60）m的位置對樓板上的充氣囊施實(shí)放（充）氣，維持整個(gè)裝置以每分鐘1m的速度下沉到河床上。之后，對起落架的浮筒進(jìn)行充放氣，使起落架自由升降，成功演示三次后，由專業(yè)技術(shù)人員開始在浮起的起落架前端的儀器安裝基座上安裝流速儀傳感器，可三維調(diào)解,使儀器保持與水面相平、向上仰角45度，然后再做信號上岸調(diào)試。

信號電纜、起落架上的氣囊的進(jìn)、出氣管等順著起落架拉桿（空心）到達(dá)基座（預(yù)制樓板）后，順著鋼絲繩（與鋼絲繩綁在一起）上岸、挖槽深埋、進(jìn)站房，實(shí)現(xiàn)流速信號有線自動(dòng)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果初步分析

流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測進(jìn)行同步監(jiān)測比對，該系統(tǒng)提供流量誤差統(tǒng)計(jì)功能，在系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，可獲取系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出人工流量和自動(dòng)流量數(shù)據(jù)誤差值，現(xiàn)取一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。

根據(jù)誤差值統(tǒng)計(jì)及初步分析，人工實(shí)測流量點(diǎn)均在自動(dòng)監(jiān)測流量過程線上，系統(tǒng)收集資料精度較高，試驗(yàn)效果良好。因試驗(yàn)仍處于調(diào)試階段，受較多因素影響，如人工施測時(shí)正處于閘門變動(dòng)影響階段，會(huì)造成人工監(jiān)測與自動(dòng)監(jiān)測流量誤差偏大等，這些問題都有待于進(jìn)一步的分析研究。

4 結(jié)語與建議

實(shí)時(shí)流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行，大大降低了測站職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水文行業(yè)的工作效率，能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、便捷、全天候掌握流量動(dòng)態(tài)。系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行不僅提升了流量監(jiān)測的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，還為防汛抗旱、水資源監(jiān)測提供有力保障。每隔5min的一組實(shí)測流量和遙測水位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線查詢與導(dǎo)出，并且系統(tǒng)能夠顯示出流量過程線和水位過程線，可以更為直觀地了解水位流量動(dòng)態(tài)信息。

能坡法測流不但投資小、建設(shè)快，更重要的是使流量實(shí)現(xiàn)了在線測量，且不需要率定。本系統(tǒng)在界首水文站為初次建設(shè)，難免有不足之處，比如在安裝施工中所使用的水下設(shè)備體積較大、安裝步驟較為繁瑣。建議研制更為便捷的水下設(shè)備，以便于施工安裝，并提高其在水下復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性