智能水文纜道在某水文站的應用

崔花瑞，李連云

(河南省安陽水文水資源勘測局，河南 安陽 455000)

0 引言

全面提升水文監測、預測預報和服務支撐能力，使水文成為水利行業監管的“尖兵”和“耳目”，是新時代對水文工作提出的新要求。目前，水文監測中流量測驗大部分仍然采用涉水、船測及半自動纜道方式進行，人工觀測費時費力、效率低下，容易出現人為誤差和錯誤，且無法自動整編和分析，信息共享困難，與水文自動化、現代化目標極不適應，服務水利、服務社會的水文效益無法得到充分發揮。因此，為滿足新時代水利和經濟社會發展對水文工作的需求，只有不斷深化改革，進一步加強技術創新，全面推進水文現代化建設來解決。山東省濰坊水文局積極推進水文現代化建設，將先進的水文測報技術應用于生產實踐中，以無人值守和快速獲取水文信息為目的，與安陽某測控設備有限公司合作，共同完成了黃山水文站水文纜道升級改造。升級改造后的水文纜道以互聯網+為依托，采用轉子式流速儀和電波流速儀測流設備，在無人值守狀態下，自動完成天然河流流量測驗的測、整、報全過程，極大地提升了黃山水文站水文測報水平和信息服務能力。

1 流域概況

彌河發源于臨朐沂山西麓天齊灣，主要支流有五井石河、石河、南陽河、丹河等，河道蜿蜒曲折向西流，至臨朐九山附近又轉向東北，經青州(益都)于壽光上口鎮(廣陵鄉)分3股入渤海。其中東北流的一股，河槽較為寬廣，為彌河主河道，至濰坊市寒亭區央子港入海。其余兩股為岔流，由南半截河村北流入海。河長206 km，流域面積3 847.50 km2，河道平均比降3.20/1 000。河源至冶源水庫為彌河上游，河長56 km，經行于山丘區，河道比降為10.40/1 000，是山東省的暴雨中心，洪水暴漲暴落。

黃山水文站位于彌河上游的山東省濰坊市臨朐縣寺頭鎮(石家河鄉)西黃山村，其下游15 km是在彌河上發揮著重要的控制性作用的冶源水庫。該站于1988年1月設立，控制流域面積375 km2，干流長度41.30 km，是冶源水庫入庫控制站，也是泰沂山北水文區域代表站。該站系統收集歷年的水文資料，研究區域內的水文變化規律，為各級防汛抗旱和水資源管理部門提供技術支撐。

2 智能水文纜道建設

黃山水文站所建的智能纜道以互聯網+為依托，選擇轉子式流速儀和電波流速儀，搭載水文纜道實現流量測驗設備的再創新，形成遠程自動化流量測驗新模式，完成該站高中低水流量測驗工作，并實現河道流量采集、傳輸、接收、處理、整編、查詢全過程自動化。

2.1 轉子流速儀

轉子式流速儀是水文測驗中的常規儀器，使用廣泛。即在一定的速度范圍內，流速儀轉子的速度n與水流速度v呈簡單的線性關系。經驗計算公式：

v=a+bn

(1)

式(1)中：v為水面流速；a表示儀器常數；b表示水力螺距；n為轉子的轉率。

說明n和v在一定的流速范圍內呈近似的線性關系，并非數學上的線性關系，當流速超出規定的范圍，此經驗公式不成立，因此流速儀按照測速范圍分為不同的型號。特點為轉子式流速儀結構簡單，使用便利，容易掌握。流速測量準確，性能可靠；種類齊全，適用范圍廣，能適應大多數河流的流速流量測驗任務。但由于受其機械構件的影響，在河流漂浮物較多或水草較多的情況下，容易纏繞流速儀或破壞轉子機械部件。準確性為轉子式流速儀被公認為是在天然水流中測量流速的最標準儀器，所有新的流速測量儀器都可以與轉子流速儀進行比測來判斷新儀器的流速測量準確性。

2.2 電波流速儀

電波流速儀是一種利用多普勒原理的測速儀器，泛指向水面發射與接收無線電波，利用其頻率變化與流體速度成正比的關系而制成的儀器。電磁波頻率高達10GHz，屬微波波段，也可以稱為微波多普勒測速儀。因其在空氣中衰減很慢，可以在空氣中很好地傳播，在使用時儀器不必接觸水體即可測的水面流速，屬非接觸式測量。其原理為多普勒效應，速度計算可依據公式：

v=C/f02cosθfD=KfD

(2)

式(2)中：v為水面流速；C為電波在空氣中的傳播速度；fD為電波的多普勒頻移；f0為發射的雷達波頻率；θ為發射波與水流方向的夾角。

特點為電波流速儀是國內唯一正式使用的非接觸式流速儀，特點就是可以不接觸水體，遠距離測量水流體，測流速度快。測流時不受水面、水內漂浮物影響，也不受水質、流態等影響，而且流速越快、漂浮物越多、波浪越大，反射信號越強，越有利于電波流速儀工作，適合于洪水期的測量。與傳統的流速儀相比，電波流速儀只需測表面流速，具有測量范圍大、測流速度快且不受漂浮物影響等特點。

準確性為電波流速儀主要用于河流表面測速，反映不出河流深部的流場形態，測到的是水面波浪迎波面或是水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度并不等于水面流速，其差值因各種水流和漂浮物而不同。波浪和漂浮物除了隨水流運動外，自身也有運動，也會造成一些附加誤差，影響最大的是風速風向，其造成的流速誤差不可忽視，因此測流時需要記錄風向風速。

改建后的纜道，功能齊全可操作性強，測量數據可以通過多種形式對外交互傳輸。紅外監控裝置滿足夜間測流工作，實時預覽功能可以實時監視測量數據，隨時可以完成對可疑測點數據重測、補測等操作。實現了在局域網環境下集測、報、整、算為一體，并通過網絡實現遠程控制，全面實現無人值守遠程自動測流的目標。軟件設計采用模塊化結構，更具備可靠性、實用性、可擴展性。各項技術指標按照有關水文測驗規范、水文行業技術標準要求控制，測量數據和計算成果達到水文行業部頒標準和規范要求。

3 臺風“利奇馬”登陸山東半島

2019年8月11日，第9號超強臺風“利奇馬”登陸山東半島，為新中國成立以來所罕見。受其影響，8月10日6時至12日15時濰坊市普降暴雨、大暴雨，局部降特大暴雨，彌河流域、丹河流域的青州、臨朐、昌樂均超過300 mm。其中青州371.50 mm，臨朐361.30 mm，昌樂340.80 mm，其他縣市區在126.50～284.60 mm；最大點降雨量在臨朐縣曾家溝雨量站552.80 mm。

受此次降雨影響，彌河、丹河、濰河、渠河均發生不同程度洪水。11日凌晨，彌河上游黃山水文站暴雨如注，河水陡漲，水位自8月10日20時開始起漲，起漲水位137.68 m，相應流量2.41 m3/s，洪水攜帶著泥沙奔騰而下，含沙量增大，漂浮物增多，在黃山水文站水、電、通信全部中斷情況下，智能水文纜道改用發電機組供電不間斷測流，11日6時30分出現最高水位142.78 m，實測洪峰流量2 210 m3/s，為該站建站以來最大洪水，洪水標準達50年一遇。此次洪水漲水歷時10小時30分鐘，水位變幅5.10 m，流量變幅2 208 m3/s，整個洪水過程共完成38次測流，其中采用轉子式流速儀測流22次，電波流速儀測流16次。

4 智能水文纜道發揮的作用

黃山水文站智能雙系統水文纜道，在本次洪水測驗中發揮了重要的保證作用。在惡劣的監測條件下，在河流漂浮物多、人員偏少的情況下，自動化、現代化、智能化測驗設施設備為水文監測提供了重要保障，該站智能測流纜道雙系統全天候運行，測得了完整的洪水過程，測流及時、完整、準確。

經過此次洪水檢驗，該套智能水文纜道突出了6個優點：一是智能化、自動化程度高，人工干預少，故障率低，只要事先設定好參數，測流纜道便自動完成一次測流過程，隨即打印輸出流量成果；二是界面清楚，河道斷面、過水面積、垂線布設、測點測深布設以及可視設備運行清晰，一目了然，便于掌握測驗與設備運行的系統性；三是保障了水文監測人員人身安全，監測人員不用出屋，室內即可操控(包括遠程操控)；四是能夠全天候運行，在河道漂浮物多的情況下啟用電波流速儀測流，當漂浮物很少時啟用轉子流速儀測流，測流幾乎不受洪水情況限制；五是測驗精度高，通過電波流速儀和轉子流速儀比測，流量精度符合測驗規范要求；六是時效性強，系統自動生成的測驗成果能通過網絡自動傳輸上報，能夠滿足新時期各級領導指揮防汛決策的快速要求。

5 結語

智能水文纜道搭載轉子流速儀和非接觸式電波流速儀，測流速度快、精度高、適用范圍廣，可以實現河道流量采集、傳輸、接收、處理、整編、查詢全過程自動化，解決了天然河流流量在線監測難題，改善了水文水資源監測系統的技術裝備水平和監測能力,提高水文信息的時效性，縮短水文情報預報的預見期，為各級防汛部門科學調度決策贏得寶貴時間。全面實現信息共享，為防汛抗旱、水資源管理、水生態文明建設提供更加及時準確的水文服務，同時節約人力，大大提高職工工作效率，減輕職工勞動強度，為水文體制改革、全面實現巡測提供了技術支撐。該系統的應用使水文自動化、信息化、智能化水平得到大幅提升，補齊水文工作在線測流短板，為水利工程監管提供了技術支撐，也為新時代水利和經濟社會發展提供了有力的支撐。