全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)在靈關(guān)水文站測驗(yàn)中的應(yīng)用

(四川雅安水文水資源勘測局，四川 雅安，625000)

1 測站概況

靈關(guān)水文站位于四川省寶興縣磨刀溪村以東，地理坐標(biāo)：東經(jīng)102°50′、北緯30°13′，是青衣江寶興河流域的代表性測站，流域集水面積約為3036km2。靈關(guān)水文站建成于2010年1月1日，于當(dāng)日開始雨量和水位等水文觀測，同時(shí)進(jìn)行河道流量測驗(yàn)及相關(guān)資料的收集，主要的測驗(yàn)項(xiàng)目包括降水、水位、流量等。該測站屬于流量測驗(yàn)的三類精度站，在建立初期屬于流域?qū)Ｓ脺y站，并于2018年1月1日轉(zhuǎn)為基本站。測驗(yàn)河段為1000m長的順直河段，沙卵礫石河床，下游約300m處的彎道由本站中高水控制，以下為一急灘，由本站低水控制。急灘以下300m是沙場堆料場地，其對(duì)靈關(guān)水文站斷面水位流量關(guān)系僅存在細(xì)微的影響。靈關(guān)水文站位于華能小關(guān)子電站、靈關(guān)電站以及華能銅頭電站之間，水位流量關(guān)系受到上游電站閘門啟閉的嚴(yán)重影響。測量結(jié)果表明，靈關(guān)水文站斷面流速縱橫向分布均屬正常，該站測驗(yàn)河段兩岸防洪堤已經(jīng)砌好，調(diào)查測繪顯示，大洪水工況下左、右岸均不發(fā)生漫灘。

2 全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)工作原理

全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)包括水文絞車、交流電變頻設(shè)備、程序控制器(PLC)、信息儲(chǔ)存卡、編碼傳感器、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)等構(gòu)成部件，測流過程通常手動(dòng)控制或由計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制。在進(jìn)行斷面參數(shù)人工選擇的基礎(chǔ)上，根據(jù)測流需要設(shè)定垂線，并開啟全自動(dòng)運(yùn)行程序，系統(tǒng)便會(huì)按照程序完成測點(diǎn)測流，并自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)使用程序控制器(PLC)代替繼電器控制，降低了硬件發(fā)生故障的可能；用數(shù)據(jù)采集卡工業(yè)控制系統(tǒng)代替測速測算儀，確保了鉛魚定位精度及流速儀測流精度的提升；用串口變頻器通訊代替模擬量控制方式，還可以在PLC程序控制和軟件控制兩種方式之間隨機(jī)選擇[1]。此外，全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)還具有以下系統(tǒng)優(yōu)勢[2]：

(1)提前減速。確保測量精度，避免硬性停車對(duì)設(shè)備造成的損壞，控制鉛魚無序擺動(dòng)，提升測流進(jìn)度；

(2)垂線重測。全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)為測流中如遇水草糾纏流速儀而出現(xiàn)測點(diǎn)流速異常時(shí)的垂線重測提供了可能；

(3)斷面補(bǔ)測。若由于特殊原因未完成本次測流，待條件允許時(shí)可以繼續(xù)從上次未測的垂線開始實(shí)施補(bǔ)測，無需重復(fù)之前的測流過程；

(4)緊急避讓和水位修正。測流時(shí)如遇來船或漂浮物，則通過手動(dòng)按鈕控制鉛魚進(jìn)行避讓，繞過后，測流系統(tǒng)則自動(dòng)重新定位和水位修正，恢復(fù)測流。

3 全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)在靈關(guān)水文站測驗(yàn)中的應(yīng)用

靈關(guān)水文站全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)建成于2015年1月并投入使用，比測及分析的項(xiàng)目主要包括起點(diǎn)距、水深、流量等。比測結(jié)果基本符合《水文纜道測驗(yàn)規(guī)范》(SL 443-2009)的具體規(guī)定。

3.1 起點(diǎn)距比測

全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)測距能夠進(jìn)行纜道主索垂弧度的自動(dòng)修正，其修正主要依據(jù)標(biāo)定分段系數(shù)進(jìn)行，也就是采用實(shí)測法求得若干段線的修正系數(shù)，將其存入數(shù)據(jù)庫，待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)用軟件修正各段的系數(shù)并求得起點(diǎn)距的精確值。

令測繩實(shí)際長度分別為：x1，x2，x3，…，xi；水平距離分別為：y1，y2，y3，…，yi；水平距離之差分別為：z1，z2，z3，…，zi；測繩長度距離差分別為：w1，w2，w3，…，wi；測驗(yàn)各段系數(shù)分別為：k1，k2，k3，…，ki。

由于，分段系數(shù)=水平距離差/測繩長距離差，則：

w1=x2-x1

z1=y2-y1

k1=z1/w1=(y2-y1)/(x2-x1)

由靈關(guān)水文站斷面測量成果的分析結(jié)果可以確定，該測站起點(diǎn)距比測的河寬取13.5m，在測站河寬和斷面情況確定的基礎(chǔ)上，確定起點(diǎn)距比測垂線14根，并于斷面處均勻分布。起點(diǎn)距比測資料主要根據(jù)經(jīng)緯儀所定位數(shù)值及自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)系數(shù)配置分段數(shù)值加以確定，詳見表1。

由表1比測分析結(jié)果可以看出，全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)實(shí)測結(jié)果比經(jīng)緯儀定位數(shù)值略小，最大絕對(duì)誤差達(dá)到0.16m，垂線定位的誤差并未超過河道寬度0.5%的范圍，而且隨著纜道主索跨度及垂度的增大，誤差逐漸增大。鉛魚實(shí)測歸零誤差在0.15m～0.25m范圍內(nèi)，符合《流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)所規(guī)定的精度要求。

表1 靈關(guān)水文站起點(diǎn)距比測分析結(jié)果 單位：m

3.2 水深比測

靈關(guān)水文站測流斷面和基本水尺斷面重合，流量測驗(yàn)斷面起點(diǎn)與主河槽距離11.5m～25.5m，主要為淤泥質(zhì)河床。進(jìn)行全自動(dòng)測流纜道測深和測深桿施測水深的比測分析時(shí)，將水深比測的范圍控制在0.25m～0.35m以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)水深值采用測深桿施測結(jié)果，比較全自動(dòng)纜道施測水深的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差，結(jié)果詳見表2。

表2 測深桿與全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)水深測量結(jié)果對(duì)比

由表2結(jié)果可知，在14次比測過程中，測深桿與全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)水深測量結(jié)果最大相對(duì)誤差為-3.57%，平均值為-1.83%，最大絕對(duì)誤差為-0.05m，平均值為-0.02m，絕對(duì)誤差在±0.00～±0.05m范圍內(nèi)，符合《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)的精度要求。全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)所測水深值偏大，存在一定的測驗(yàn)誤差，對(duì)于這一問題可以通過調(diào)節(jié)水深轉(zhuǎn)換系數(shù)使其取值更接近水深實(shí)際而予以解決[3]。

3.3 實(shí)測流量對(duì)比分析

對(duì)于相同斷面及水位條件，根據(jù)全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)進(jìn)行起點(diǎn)距的定位，并采用測深桿和全自動(dòng)纜道同時(shí)進(jìn)行水深測量。流量測驗(yàn)的測深和測速垂線按照1m的間隔布設(shè)，具體垂線數(shù)量依據(jù)斷面流速分布情況而定。按照低中高水位級(jí)別所計(jì)算的流量總誤差在1.5%～5.5%范圍內(nèi)，系統(tǒng)誤差不足±1%，符合《河道流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)的規(guī)定。

4 結(jié)論

綜上所述，全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)測流主要由計(jì)算機(jī)實(shí)施全自動(dòng)或手動(dòng)測流控制，兩種測流方式所生成的斷面流量數(shù)據(jù)均符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在靈關(guān)水文站測流中應(yīng)用十分成功。結(jié)果表明，全自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)測驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、技術(shù)先進(jìn)，自動(dòng)化操作、運(yùn)行可靠，提升了靈關(guān)水文站水文測量結(jié)果的精確程度，實(shí)現(xiàn)了測站水文測驗(yàn)工作向自動(dòng)化、智能化的轉(zhuǎn)變，在水文測站測流方面值得推廣。