小清河水文設施在線流量監測方案比選

趙 琳，馮 洋，任澤儉

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.山東潤魯工程咨詢有限公司，山東 濟南 250109）

小清河是濟南市的泄洪通道，上游水源來自濟南市的泉群，流經濟南、濱州、濰坊、淄博、東營等市，在濰坊市羊口鎮以東入渤海，其地勢南高北低，遇到強降雨容易造成洪澇災害。2019 年小清河流域受“利奇馬”臺風的影響，出現強降雨，部分地區發生嚴重洪澇災害，暴露出不少問題。水文流量監測能力不足是重要的缺陷之一。為了密切監控小清河汛情，提高水文監測能力和預報能力，需對小清河原有水文設施在線流量監測系統進行提升和完善[1-3]。

1 在線流量監測方案比較

1.1 流速儀纜道在線流量監測

流速儀纜道是最常用的水文流量監測系統，近些年陸地水文逐漸采用雷達技術測流，結合流速儀纜道，設計特色行車，并集成雷達波測速設備，適用于多種流速的測流，形成流速儀纜道耦合雷達在線流量監測系統，它的構造與流速儀纜道相似，不過測速設備、信號傳輸方式、行車等有所不同。

1.2 雷達波測流系統

1）固定點雷達在線流量監測。固定點雷達有單探頭和多探頭之分。其中，多探頭的固定點雷達測速系統傳感器分為主雷達感器和分雷達傳感器。主雷達傳感器集成雷達測速傳感器及雷達水位傳感器，主控單元安裝于主雷達測速傳感器端，具備分控單元控制、信息采集與傳輸、參數顯示及設置、充電控制等功能，含本地無線通訊模塊。雷達波測速傳感器自動記錄流速、瞬時水位、測速垂線、設備狀態等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

2）移動雷達在線流量監測。移動雷達在線流量監測，需要建設塔架和鋼索，配置供電電源與避雷接地系統，通過系統控制器可以控制雷達測速行車在鋼索上自動行走。自行走式雷達測速行車集成驅動電機、雷達測速傳感器支架、雷達測速控制器、無線通訊模塊、電池、充電接口等。系統控制器可以控制行車前進或后退、進行參數設置及顯示、采集傳感器數據并傳輸、實現小車的充放電等功能，同固定點雷達測速系統一樣，可以獲取流速、瞬時水位、測速垂線、設備狀態等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

3）側掃雷達在線流量監測。側掃雷達是采用側掃方式工作的雷達波在線流量監測方案，傳感器安裝在專用支架上，配有專用天線、儀器箱、供電系統、專用軟件等。側掃雷達的控制主機按指定時間間隔自動獲取探測范圍內水面流向及流速數據，實現監測數據的采集、存儲并發送至中心站。

4）H-ADCP 在線流量監測。ADCP 屬于聲學多普勒測速傳感器，具有測速精度高、適用于多種水深的優點，常用于流量設備率定，安裝方式有移動式和固定式，而固定式又分水平式和垂直式。

1.3 聲學時差法在線流量監測

聲學時差法一般用于規則斷面。安裝超聲波流量計配備水位感應計，可以測量出當前水位；根據水位和斷面性質，計算出斷面面積；超聲波換能器安裝于箱涵側壁，通過換能器和測流軟件計算平均流速；通過流量模型，可以建立起層流速與斷面平均流速的關系，推算出斷面流量，以實現流量的快速測量[4]。通過無線方式將流量信號傳輸至中心站。

1.4 方案比選

在線流量監測方案對比如表1：

表1 在線流量監測方案對比表

2 自動測流方式的適用性分析

不同測站根據不同的斷面水深、寬度、流速以及水質情況選擇適宜的測流方案。

1）流速儀測流。該法是接觸式測流，在水文流量測驗中是評定其他測流方法精度的標準方法，適用于中低水流量監測。如果斷面位于河道洪水漲落過程中漂浮物較多，高洪水流速過大，采用流速儀測流將存在很大的安全隱患，可以使用水文纜道耦合雷達波在線流量監測系統。

2）雷達波流量測量。作為一種非接觸式流量測量方法，該法對水質要求不高，不易受到水面漂浮物的影響。它適用于多種天然河流和河道。固定點雷達測速傳感器可以安裝在跨河橋上或河岸上，測量水面流速的速度快，還可以人工設定測量頻次，適合高洪水時使用。但是，在低水量和小流速的條件下，雷達波速度傳感器將出現0流速，因此它不適合測量小流速。側掃雷達對設備的使用環境要求不高，可以安裝在岸上，進而完成表面流速的測量，可以提供長期連續的數據，但成本較高，而且它對河寬和水深有一定的要求，例如河寬不能大于側掃雷達的剖面范圍。

3）H-ADCP 測流方式。此法也是接觸式測流方式，對河道性狀有一定的要求，如測流斷面河床穩定、無明顯沖淤變化、測流斷面流態穩定、流速分布均勻，層流速分布有規律、斷面水位面積關系穩定等，在洪水期間受漂浮物影響、水體中氣泡、泥沙干擾，而且底沙、樹等對儀器會有損害，需要定期清淤、維護成本高。可適用于符合使用條件的水文站或人工渠道。

4）聲學時差法流量計。此法比較適合在中速、含沙量低、不易淤積、斷面規則的水體中進行測流，不適用于過寬或斷面變化太大的河道，對上下游直管段的長度有特殊要求。

3 小清河水文設施流量在線監測方案

小清河干流大部分主河道通過災后重建與綜合治理后，河槽形狀會更規則、河床會更穩定，而小清河支流的河槽形狀大都不規則。結合小清河流域各水文測站測流斷面情況、供電與交通條件等，根據上述研究分析，流量在線監測方案為：3 個水文站采用水文纜道合并纜道雷達在線流量監測方案，6 個水文站采用移動雷達在線流量監測方案，22 個水文站采用固定點雷達在線流量監測方案，2 個水文站采用側掃雷達在線流量監測方案，2 個水文站采用H-ADCP 在線流量監測方案，1 處匯入河道的管道斷面附近安裝2 聲道時差法超聲波流量計。