談廣場西溝水文站流量自動監測系統建設

蔣國民，李 克，于詢鵬

（1.濟南市水文局，山東 濟南 250014；2.青島市水文局，山東 青島 266071）

濟南市區南臨群山，北靠黃河，地勢南高北低，南北高差超過100 m。其獨特的地形、地貌,導致市區河道洪水主要有以下特點：洪水陡漲陡落，歷時短，流速快，發生大暴雨時洪峰常在2～3 h 內發生，極易發生洪澇災害。

濟南作為全國重點防汛城市，對市區內河道的防汛監測有著更嚴格、更高的要求，及時、準確的測驗數據對城市防洪減災調度能夠起到非常重要的作用。

2019 年9 月水利部印發《水文現代化建設技術裝備有關要求》指出“水文測站應注重技術手段的提檔升級，提升自動化監測水平，流量測驗技術和設備配置應以在線或自動監測為主”。濟南市水文局在廣場西溝設計開發流量自動監測系統。

1 可行性分析

廣場西溝，隸屬小清河水系，屬于季節性山洪河道，河流流向自南向北，監測斷面位于位于濟南市市中區經十路與玉涵路交界口，設立了全民健身中心水文站，該站屬市級小河站，測驗斷面以上流域面積4.1 km2，河道下游2 km 處就是濟南市核心地帶—泉城廣場，汛期每逢大暴雨，洪峰來勢兇猛，對泉城廣場的低洼地段極易造成洪澇災害，例如2007 年7.18 大暴雨造成了巨大人員經濟損失，自2010 年建站以來，該站主要為城市防汛、小清河防洪調度提供水文測驗信息，目前該水文站測驗任務有水位、流量監測，其中，水位采集采用雷達式水位計，經RTU 由GPRS傳輸至水情中心，汛期流量測驗主要使用人工電波流速儀，測驗效率和精度較低，并且由于暴雨期間人工施測，對測驗人員的安全存在很大的風險。

該站測驗斷面起點距總長8.2 m，河底為水泥硬化地面，河底左右高差及最高點與最低點之間高差不超過5 cm。兩岸河堤為漿砌石堆砌，與河底呈90°垂直度數。該站河底平整測驗斷面無變化、兩岸河堤規整水面寬固定且岸邊系數固定，適合采用自動流量監測，如圖1。

圖1 廣場西溝全民健身中心水文站大斷面圖

2 系統設計開發

廣場西溝為市區內景觀式河道，綜合考慮設施占地、設備外觀體積、日常運行維護等因素，系統設計為全新開發的軌道式自動測流系統，通過自動控制技術、無線通信技術和流量測驗技術，實時將測驗數據傳值水情中心。軌道式的設計結合了現有固定探頭式和纜道式自動測流系統的優點，軌道可依附于橋梁架設，傳感器在軌道上移動可在任意起點距進行監測，做到既穩定又靈活，同時減少了占地需求，非常滿足在城市河道上運行的條件。

根據全民健身中心測驗斷面測驗情況，自動測流系統的軌道安裝于橋梁下游一側，左岸或右岸可安裝設備機房，流速傳感器搭載在軌道運載設備上（如圖2）。使用時在由機房駛出，監測完畢后駛回機房放置放置、同時進行充電。

圖2 系統構造示意圖

流速傳感器采用非接觸式的電波流速傳感器，具備水平角和垂直角改正，流速平均、信號強度檢測、串口通訊控制等功能，適合水面流速自動遙測應用。

運載設備由智能電機、遙測控制單元、電池和傳動裝置組成，能夠實現根據程序預設定時、固定垂線監測，可以根據遙控指令實時、任意垂線監測。核心部件為遙測控制單元，實現了觸發傳感器、收發數據、控制智能電機及距離控制等功能。

同時設立視頻監控設備，用于觀測河道人工水尺和監控自動測流設備運行情況，查看運載傳感器是否移動正常、位置是否準確、設備是否遭到破壞、監測后回位是否正常等。

3 軟件功能設計

為使自動測流系統能夠滿足廣場西溝防汛測報需求，需建立配套的控制運行軟件，并滿足以下功能（如圖3）。一是利用前期使用的雷達式水位計采集的水位數據，能夠實時顯示當前測驗斷面的水深、水位；二是能夠設定測驗斷面的河寬、垂線條數和起點距，根據自定義參數進行自動測算；三是遙控進行自動監測并接收監測數據；四是可人工設定斷面范圍內任一起點距進行監測；五是實現視頻監控的接入和共享；六是軟件能提供水文業務需要的查詢功能。

圖3 軟件控制示意圖

除了以上主要功能，為保證測流數據準確度和實用性，軟件還應具備數據去噪、分析、篩查、人工置數等功能。流速傳感器受水面漂浮物等情況影響時能夠對每組流速數據進行分析，篩除不合理的數據，保留正常數據進行計算。

4 結 論

廣場西溝流量自動監測系統所采用的軌道式設計，不同于以往常見的流量自動化監測設備，該設計可根據測驗斷面的變化，實時調整測速垂線的起點距或增減測速垂線的數量，以滿足流量測驗的規范要求。通過對安裝的測驗斷面進行實地調研、分析，新開發的軌道式流量自動監測設備更適用于該河道斷面，既滿足了自動化設備的安裝需求又體現了因地制宜、設計先進、融合環境的特點。

河道流量監測的自動化能夠有效提升防汛測報服務的時效性，同時緩解了站點多、人手不足的壓力，減少了暴雨外出作業的安全風險。廣場西溝流量自動監測系統的設計為河道自動化監測的水平提升提供新的思路和選擇。