天津市防汛分洪口門水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法探討

蘇鳳霞

（天津市水文水資源管理中心，天津 300061）

天津市共有青甸洼、大黃鋪洼、黃莊洼、盛莊洼、三角淀、淀北分洪區(qū)、西七里海、東淀、賈口洼、文安洼、團(tuán)泊洼、永定河泛區(qū)、大港行洪道13 個(gè)蓄滯洪區(qū)，其作用是在防汛抗洪中蓄滯洪水。分洪口門是河道洪水向洼淀分洪滯洪的進(jìn)、出水口。目前，天津市在蓄滯洪區(qū)中共設(shè)置了主要分洪口門23 處。這些口門一旦分洪，其行洪的水文信息將成為搶險(xiǎn)調(diào)度的關(guān)鍵，直接影響到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

分洪口門一般在發(fā)生較大洪水后才會(huì)啟用，運(yùn)用機(jī)率極低，與之相關(guān)的大量水文設(shè)施的建設(shè)會(huì)形成運(yùn)行管理的負(fù)擔(dān)。因此，天津市僅在分洪口門相關(guān)的河道上修建了部分水位觀測(cè)設(shè)施、一些重要的蓄滯洪區(qū)內(nèi)（如永定河泛區(qū)、青甸洼等）建設(shè)了水位自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)施，但是一旦因汛情急需開展水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作時(shí)，如何應(yīng)用水文監(jiān)測(cè)新技術(shù)新方法并開展監(jiān)測(cè)成為急需研究的重要課題。

1 測(cè)驗(yàn)方式、時(shí)效性與監(jiān)測(cè)精度

1.1 測(cè)驗(yàn)方式

分洪是通過分洪口門利用提閘或破堤兩種方式向泛區(qū)或蓄、滯洪區(qū)分水，除分洪口門測(cè)報(bào)外，水文部門還承擔(dān)與分洪相關(guān)的河道重要斷面水文測(cè)報(bào)。分洪口門應(yīng)急測(cè)報(bào)可分3 類，即利用水工建筑物分洪測(cè)報(bào)、破堤（潰口）分洪測(cè)報(bào)和河道重要斷面水文測(cè)報(bào)，應(yīng)急監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括口門破堤（潰口）寬度、水深、水位、流量等。

1.2 時(shí)效性

防汛分洪口門流量測(cè)驗(yàn)屬水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)，開展水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)優(yōu)先考慮監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，盡快獲取并提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)防汛調(diào)度部門要求和災(zāi)情變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)急監(jiān)測(cè)要素、場(chǎng)地、方法、手段和頻次。

1.3 監(jiān)測(cè)精度

在保證人員、裝備安全的前提下，應(yīng)盡可能提高監(jiān)測(cè)成果的精度。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)成果精度指標(biāo)應(yīng)參照國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行；在特殊情況下，可適當(dāng)放寬，并予以備注說明。當(dāng)采用多種監(jiān)測(cè)方法和手段進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)綜合考慮方法和手段的適用性、監(jiān)測(cè)條件等多種因素，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)成果可靠性。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)全過程應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量管理，應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)完成后，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境條件，對(duì)監(jiān)測(cè)成果精度進(jìn)行評(píng)定。

2 測(cè)驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 破堤（潰口）寬度

破堤分洪時(shí)利用水力學(xué)公式推算流量時(shí)，一般利用口門的水頭和寬度估算流量。口門寬度確定，可以采用以下方式：利用口門兩側(cè)定位樁，用繩尺或塔尺等人工丈量；采用經(jīng)緯儀交會(huì)法測(cè)量；采用新技術(shù)免棱鏡全站儀測(cè)量；采用新技術(shù)手持激光測(cè)距儀測(cè)量。

2.2 水深

采用流速儀法、水面浮標(biāo)法、測(cè)流無人機(jī)測(cè)流時(shí)需要測(cè)量斷面水深。斷面水深確定，可以采取以下方式：利用測(cè)深桿測(cè)量；利用測(cè)深錘測(cè)量；采用新技術(shù)回聲測(cè)深儀施測(cè)。

2.3 水位

蓄滯洪區(qū)防洪、調(diào)度依據(jù)的主要水文信息是水位和流量，利用水工建筑物分洪測(cè)報(bào)、破堤（潰口）分洪測(cè)報(bào)和河道重要斷面水文測(cè)報(bào)均需監(jiān)測(cè)水位。水位確定，可以采取以下方式：打樁、利用樹木或固定建筑物設(shè)置臨時(shí)水尺，引測(cè)高程，人工觀讀；利用臨近水文測(cè)站水位設(shè)施或防洪、水資源管理專用站點(diǎn)的水位資料；特殊情況下，可將免棱鏡全站儀架設(shè)高處穩(wěn)固后直接測(cè)定；采用新技術(shù)便攜式水情儀架設(shè)高處穩(wěn)固后實(shí)時(shí)采集。

2.4 流量

流量是防汛分洪口門水文測(cè)報(bào)的重要信息。

（1）水工建筑物（節(jié)制閘、分洪閘等）分洪測(cè)報(bào)。需要在閘孔或閘橋布設(shè)流量測(cè)驗(yàn)斷面，采用不同的儀器施測(cè)流量。其中，常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)選用流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，應(yīng)急監(jiān)測(cè)流量采用浮標(biāo)法（流速面積法）進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)；應(yīng)用聲學(xué)多普勒測(cè)流儀（ADCP，走航式或遙控式）進(jìn)行斷面流量測(cè)驗(yàn)；采用電波流速儀應(yīng)用流速面積法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。

（2）破堤（潰口）分洪測(cè)報(bào)。破堤分洪后短時(shí)間內(nèi)堤內(nèi)外水位差、流速等較大，無法在口門上架設(shè)過河索等渡河設(shè)施，船只等無法定位，無法測(cè)得口門大斷面。采用潰壩公式、浮標(biāo)法、電波流速儀、測(cè)流無人機(jī)等均需估計(jì)口門底高程，計(jì)算過流斷面面積測(cè)報(bào)流量。分洪（潰口）流量測(cè)驗(yàn)，可以采用以下方式：利用適用于天津地區(qū)的潰壩公式即Q=0.928BH1.5進(jìn)行推求，其中B為破堤口門寬度、H為口門上游水頭；利用浮標(biāo)法進(jìn)行；利用電波流速儀進(jìn)行；利用測(cè)流無人機(jī)進(jìn)行；應(yīng)用遙控走航式ADCP 進(jìn)行；可在分洪（潰口）處主河道上、下游便于施測(cè)位置各設(shè)一處斷面，采用走航式聲學(xué)多普勒剖面流速儀法或流速儀法施測(cè)主河道流量，通過水量平衡原理推求。

（3）河道重要斷面水文測(cè)報(bào)。可借用橋梁等滿足測(cè)流絞車、巡測(cè)車等渡河需求，亦可舟船設(shè)施掛載測(cè)流儀器施測(cè)流量。流量測(cè)驗(yàn)，可以采用以下方式：采用浮標(biāo)（中泓、均勻、水面漂浮物）應(yīng)用流速面積法進(jìn)行；采用流速儀進(jìn)行；應(yīng)用聲學(xué)多普勒測(cè)流儀（ADCP，走航式或遙控式）進(jìn)行；采用電波流速儀應(yīng)用流速面積法進(jìn)行；采用測(cè)流無人機(jī)應(yīng)用流速面積法進(jìn)行。

3 測(cè)驗(yàn)方法分析評(píng)估與流量測(cè)驗(yàn)方法優(yōu)選次序

（1）利用繩尺或塔尺等工具人工丈量口門寬度或用經(jīng)緯儀交會(huì)法測(cè)量口門寬度結(jié)果不精確且人員需接近口門，有一定的安全隱患，而采用新技術(shù)免棱鏡全站儀或手持激光測(cè)距儀測(cè)量口門寬度準(zhǔn)確、快捷、安全。

（2）利用測(cè)深桿或測(cè)深錘測(cè)量水深在高洪時(shí)精度較差，而采用新回聲測(cè)深儀測(cè)量方便、快捷、精度高。

（3）設(shè)臨時(shí)水尺人工觀讀水位費(fèi)時(shí)費(fèi)力、人員不安全，采用免棱鏡全站儀也僅適用于臨時(shí)觀測(cè)，而采用便攜式水情儀能夠?qū)崟r(shí)采集報(bào)送水位信息。

（4）采用流速儀法測(cè)量流量在高洪時(shí)耗時(shí)費(fèi)力且往往受斷面因素影響，適應(yīng)性差。

（5）采用浮標(biāo)法結(jié)合過流斷面資料及浮標(biāo)系數(shù)來推求流量，誤差較大，如無斷面資料則不可使用。

（6）采用水力學(xué)公式法推算流量，誤差大。

（7）電波流速儀、測(cè)流無人機(jī)均為測(cè)驗(yàn)新設(shè)備，采用非接觸式水面流速測(cè)量，需要借用斷面，誤差較大，如無斷面資料則不可使用，但該方法在應(yīng)急流量測(cè)驗(yàn)中有較多應(yīng)用。

（8）聲學(xué)多普勒測(cè)流儀（ADCP）為測(cè)驗(yàn)新設(shè)備，通過超聲波掃描技術(shù)一次能同時(shí)測(cè)出河床的斷面水深、流速和流量。與傳統(tǒng)的流速儀測(cè)量相比，ADCP并不像傳統(tǒng)流速儀那樣要求測(cè)流斷面垂直于河岸線，測(cè)船航行的軌跡可以是斜線或者是曲線。該方法具有測(cè)驗(yàn)時(shí)間短、測(cè)速范圍大等特點(diǎn)，提高了測(cè)驗(yàn)的精度。

通過對(duì)各種方法的分析評(píng)估，筆者提出流量測(cè)驗(yàn)方法優(yōu)選次序：優(yōu)先采用流速儀、走航式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀（ADCP）施測(cè)流量；施測(cè)流量困難時(shí)可使用電波流速儀法或水面浮標(biāo)法施測(cè)流量；極端困難條件下可采用中泓浮標(biāo)或測(cè)流無人機(jī)施測(cè)流量；特殊條件下無法實(shí)測(cè)流量時(shí)采用水工建筑物與堰槽測(cè)流方法推求流量。

4 結(jié)語

防汛分洪口門水文應(yīng)急測(cè)報(bào)是天津市水文部門的重要工作內(nèi)容。通過分析評(píng)估測(cè)驗(yàn)方法，提出應(yīng)用走航式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀（ADCP）、電波流速儀、便攜式水情儀等先進(jìn)儀器設(shè)備開展測(cè)報(bào)工作，以解決以往監(jiān)測(cè)速度慢、測(cè)驗(yàn)誤差大等技術(shù)難題，提高測(cè)報(bào)信息的時(shí)效性，為防汛調(diào)度指揮決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息支持。