山東黃河流量測驗設(shè)備及測驗方法變遷

楊鳳棟，陳學(xué)虞，龐 進，楊 峰，張 佳

（黃委山東水文水資源局，山東濟南250100）

山東黃河流量測驗設(shè)備及測驗方法變遷

楊鳳棟，陳學(xué)虞，龐 進，楊 峰，張 佳

（黃委山東水文水資源局，山東濟南250100）

河流流量是描述某河流水文要素的重要參數(shù)，也是反映河流水量多少的重要指標(biāo)。山東黃河流量測驗方法自建國以來以流速面積法為主要測驗方法，但由于測驗設(shè)施、設(shè)備的不斷發(fā)展變化，流量測驗歷時、精度和時效性也不斷地發(fā)生著變化。本文通過分析山東黃河建國以來流量測驗設(shè)備的發(fā)展變化，闡述科學(xué)技術(shù)發(fā)展及科技創(chuàng)新對水文測報技術(shù)發(fā)展的重要性。

山東黃河；流量測驗；設(shè)施設(shè)備

1 渡河方式

山東黃河流量測驗主要在測船或吊箱上進行。完成一次流量測驗，測船或吊箱需要在選定的斷面上從一岸移動到另一岸，測船或吊箱移動的方式叫做渡河方式。渡河方式、測流歷時、測驗精度隨著渡河設(shè)施的改進而由繁至簡、由長至短、由低至高。山東黃河流量測驗渡河方式大致分為拉纖法、高吊纜法、機船法和水文纜道法四個階段。

1.1 拉纖法

拉纖法是依靠人力將測船拉到斷面上游，讓測船在水流和船工的操控下從一岸移渡到另一岸的方法。

1.1.1 人工拉纖、一錨一點法

建國初期，流量、輸沙率測驗主要使用無動力木船、依靠人工拉纖的方式完成，即“人工拉纖、一錨一點”法。這種方法是施測流量時人工將木船拉到測驗斷面上游某合適位置（該位置能使測船在船員操控和水流作用下順利漂移到施測垂線上游拋錨點）后停止拉纖，讓木船在水流和船員的操控下漂向拋錨點拋錨定船，然后放松錨鏈（錨鏈一般長10～30m左右，在系錨處系有起錨繩）將船下滑到測驗斷面第1條垂線進行測驗，測驗完畢人工拽拉起錨繩起錨移動測船施測下一條垂線。因為起錨后測船在向岸邊靠近的過程中被水流沖向斷面下游1～3km或更遠(yuǎn)，測船離岸邊越遠(yuǎn)下滑距離越大。測船靠岸后船上測驗人員下船拉纖上行，將船再拉到斷面上游另一適合施測下一條垂線的位置后停止拉纖，然后重復(fù)以上各步工作，施測第2條垂線。如此往復(fù)，一次流量10多條垂線需要移動10～20次船。施測一次流量一般需要十幾個小時，如遇滑錨、淤錨，測驗歷時會更長。渡河方式落后，工作艱苦、安全無保障、測驗精度差。

1.1.2 立式絞關(guān)長錨纜牽引（一錨三點）法

“人工拉纖、一錨一點”渡河方式使用了近三年。水文職工不斷總結(jié)創(chuàng)新，1953年，黃河艾山、濼口兩水文站職工首先使用了“立式絞關(guān)長錨纜牽引法”。這種方法是將錨纜加長，纏繞固定在測船頭部的立式絞關(guān)上，起錨時人工推動絞關(guān)，起錨后測船又滑向斷面下游。施測下一錨時，重復(fù)“人工拉纖、拋錨定位”的方法。這種方法一錨可以施測1～3條垂線，窄深河道的水文站3～4錨即可完成全斷面流量測驗?！傲⑹浇g關(guān)長錨纜牽引法”的使用替代了人力拽拉錨鏈起錨，錨纜的加長使一錨能施測3條垂線，較之“人工拉纖、一錨一點法”減少了兩次拉纖過程，明顯降低了勞動強度，縮短了測驗時間，提高了流量的測驗精度。

1.2 高吊纜水力絞關(guān)法

高吊纜法即在測驗斷面上游300m左右處靠近主槽的一岸堤壩上豎立1根高10m左右的木桿或鋼管，用以懸吊測船，高吊纜通過船頭導(dǎo)向輪、船尾導(dǎo)向滑輪纏繞在水力絞關(guān)軸上，測船在艄公的操控下借助纜索的牽掛和水流的沖擊左右擺動。

立式絞關(guān)長錨纜牽引法使用過程存在兩方面問題，一是測驗時間稍長便出現(xiàn)河床泥沙淤埋錨犁和錨纜現(xiàn)象，二是人力推動立式絞關(guān)勞動強度大。1954年，高村水文站職工在實踐中發(fā)明了高吊纜。用高吊纜牽引替代了立式絞關(guān)長錨纜牽引移渡測船進行測驗，一次可擺進測船200～300m，一般水文站配合小型測船不用拉纖可以完成流量測驗，縮短測流歷時3/5，但仍用人力推立絞關(guān)起錨。1956年，艾山水文站職工研制了水力絞關(guān)替代了人推立式絞關(guān)。高吊纜、水力絞關(guān)的聯(lián)合使用使測船逆行、左右移動、鉛魚升降及定位測驗變得省時、省力、方便。較之“一錨三點法”又縮短了時間，降低了勞動強度，提高了測驗精度。

高吊纜、水力絞關(guān)的使用解決了錨纜淤積問題，替代了人工推轉(zhuǎn)絞關(guān)，進一步縮短了測流歷時、降低了勞動強度、提高了測驗精度。但高吊纜適用于窄深河道且有堤壩的測驗河段，對于寬淺河道宜與“一錨三點”法配合使用完成測驗。

1.3 機動船渡河

上世紀(jì)60年代末，開始使用機動測船或以機動測船牽引木測船配合長纜重犁水力絞關(guān)，采用一錨三點或多點法施測流量。首先，濼口、高村、孫口水文站先后配備了機動測船；70年代末，艾山、濼口、利津、陳山口水文站先后配備了鋼板測船和沖鋒舟；至2013年底山東測區(qū)各干流水文站全部配備了機動測船。使用機動測船后施測一次流量在100分鐘左右，測驗安全和資料精度進一步提高，但機動測船功耗大、費用高，船體對水流有一定擾動。

1.4 水文纜道

1964年，濼口、艾山、利津、陳山口4水文站建設(shè)使用了水文纜道。其中東平湖陳山口水文站最先使用了吊箱纜道，濼口水文站最先使用吊船纜道。1979、1980年孫口、高村水文站相繼建成使用了吊船纜道，其中高村水文站纜道是黃河上單跨最大、支架最高的吊船纜道；1999年利津站建成使用了吊船吊箱兩用纜道，該纜道是黃河上第一個利用高能電池作吊箱升降能源的半自動化纜道。2000年后，隨著科技進步和水文投入的增加，渡河設(shè)施發(fā)生了質(zhì)的變化。目前，高村、孫口、艾山3水文站均有吊船、吊箱纜道各1套，濼口水文站有自動化測流纜道和吊船纜道各1套，利津站有吊船吊箱兩用纜道1套，陳山口水文站吊箱、自動化測流纜道各1套。

吊船纜道是利用水流沖力及纜道的牽引完成測船渡河測驗。吊箱纜道基本實現(xiàn)了吊箱的水平、升降運行電動化，起點距測量自動化，只需要3人就能完成流量測驗，實測一次流量僅需70分鐘左右，大幅縮短了流量測驗歷時，減少了測驗人員數(shù)量，特別是測驗垂線定位準(zhǔn)確使得測驗精度大幅提高，自動化測流纜的建成進一步保證了大洪水期間的流量測驗。

2 流速儀懸吊方式

流速儀懸吊方式及鉛魚大小，都直接影響流量的測驗歷時和質(zhì)量。建國初期，山東測區(qū)流速儀懸吊設(shè)備經(jīng)歷了從無到有，從簡陋到相對先進的發(fā)展過程。最早的流量測驗沒有懸吊設(shè)備，測速時將流速儀懸板捆在有刻度的木桿上或懸掛在木船的桅桿纜繩上進行測速。1953年后，水文職工自己研制的木質(zhì)流速儀絞車普遍應(yīng)用于各水文站流量測驗。1955年后又將木質(zhì)絞車改為帶軸承的鋼架絞車，這種絞車的起吊重量、懸臂長度較木質(zhì)絞車有了大的改進，并且轉(zhuǎn)動靈活。1970年前后，部分水文站配備了手搖、電動兩用絞車。1990年前后，各水文站大型測船配備了電動水文絞車，中、小型測船配備了輕型鋼架絞車，部分水文站使用了手搖懸桿。目前，各水文站均配備了變頻調(diào)速絞車，實現(xiàn)了流速儀升降限位控制和水深測量自動化控制。

3 起點距定位

建國初期，流量測驗中的測速、測深垂線位置是用經(jīng)緯儀交會法、視距法和輻射線法確定。其中，經(jīng)緯儀交會法是在岸上根據(jù)2個已知點坐標(biāo)確定待定點位置的方法（圖1）；視距法是在測流斷面上用直接測量視距的方法確定待定點的位置。這兩種方法是由技術(shù)人員在岸上測定，垂線位置不固定。輻射法是在岸邊根據(jù)固定垂線位置沿水流方向埋設(shè)2組標(biāo)志桿，由河中船上技術(shù)人員目測確定垂線位置的方法（圖2）。50年代后期各水文站開始用六分儀采用后方交會法在測船上測定斷面垂線位置（圖3），這種方法測驗人員能根據(jù)水流及河勢變化情況隨機確定垂線位置。迄今山東黃河多數(shù)站仍在使用六分儀交會法進行垂線定位。

目前，使用吊箱纜道測流的水文站均使用纜道定位系統(tǒng)進行定位，個別水文站開展了GPS定位試驗研究。

圖2 輻射線法測定斷面垂線位置示意圖

圖3 六分儀交會法測定斷面垂線位置示意圖

4 水深測量

水深是計算流量的三大基本要素之一，其測量方法直接影響水深的精度。山東測區(qū)各水文站水深測量從建國初期至今主要使用的方法是簡易木桿測深、測深錘測深、重鉛魚測深和測深桿測深。目前常用的方法是重鉛魚和測深桿法測深；部分站研制了智能懸桿和鉛魚測深，并成功應(yīng)用于中、低水時期的流量測驗；適用于黃河水深測量的數(shù)字化測深方法正在山東測區(qū)各水文站試驗推廣。

5 流量計算方法

隨著計算工具的變化，流量記載計算方法在不斷變化。上世紀(jì)70年代以前主要使用算盤、流速和起點距查算表計算流量。船上測驗人員將實測的水深和起點距角度報給記載人員，記載計算人員在船艙內(nèi)聽電鈴記載流速儀轉(zhuǎn)數(shù)、掐秒表記載測速歷時，依據(jù)查算表查出流速及起點距數(shù)值后用算盤計算流量。其后計算器、微型電腦不斷推廣應(yīng)用，并替代算盤應(yīng)用于流量計算。1999年后，計算機普遍應(yīng)用于山東黃河各水文站流量的記載計算，測驗人員將實測數(shù)據(jù)輸入計算機后，計算機就會輸出符合規(guī)范要求的流量記載計算表及各項流量特征值，效率高、出錯少，表格清晰統(tǒng)一，為資料儲存和后處理提供了方便。

6 現(xiàn)代化流量測驗技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，流量測驗技術(shù)裝備和測驗技術(shù)也在不斷地發(fā)展、提高。目前常用的有H-ADCP在線流量監(jiān)測設(shè)備、走航式智能型相控陣ADCP、非接觸雷達(dá)測流系統(tǒng)及自動化測流纜道，這些先進的流量監(jiān)測設(shè)備已在我國江河流量測驗中得到廣泛應(yīng)用。但因黃河是一條多徙善變、泥沙多的河流，水中懸沙瞬時變化及河床表層泥沙連續(xù)移動，這些先進儀器在黃河流量測驗中均受到不同程度的制約。目前，走航式ADCP與常規(guī)流速儀的比測試驗在山東測區(qū)已取得成功，黃河流量測驗現(xiàn)代化即將成為現(xiàn)實。

7 結(jié)語

建國六十多年來流量測驗設(shè)施設(shè)備發(fā)生了重大變化，測驗水平得到長足發(fā)展。渡河方式從人工拉纖到吊船纜道、電動吊箱纜道、自動化測流纜道，一次流量測驗歷時從十幾個小時減少到1h左右，水深、垂線間距開始使用現(xiàn)代化儀器測量，流量計算方法實現(xiàn)了程序化等等，走航式ADCP開始用于流量監(jiān)測。這些變化大幅度減輕了水文職工的勞動強度，縮短了流量測驗歷時，提高了單次流量測驗精度及代表性、可靠性，同時也對水文職工的技術(shù)素質(zhì)、文化水平、操作技能提出了更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，水文監(jiān)測儀器設(shè)備和測驗方式方法也將會不斷發(fā)展變化，監(jiān)測技術(shù)、質(zhì)量和時效性也會相應(yīng)提高。

TV11

A

1672-2469（2015）10-0024-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.08

楊風(fēng)棟（1961年—），男，高級工程師。