湖北清江高壩洲水文站流量自動化監(jiān)測實踐

杜興強　秦凱　楊成　包小鵬

摘要：傳統(tǒng)流量測報方法受工程調度、水位流量以及測驗斷面形態(tài)等因素的影響，存在測量效率低下、施測誤差較大等問題。通過近幾年對湖北高壩洲水文站流量自動化監(jiān)測的探索、實踐、改進和完善，采取新建H-ADCP監(jiān)測臺、改進儀器安裝方式、升級設施、優(yōu)化流量率定和計算過程等措施，該站實現(xiàn)了高精度在線監(jiān)測和自動報汛。應用實踐表明：通過流量在線監(jiān)測可獲得河道流量的變化過程，大幅提高了水文成果精度，同時降低了員工勞動強度，對于水文監(jiān)測信息化創(chuàng)新實踐具有一定的指導意義。

關鍵詞：流量測驗;流量自動化監(jiān)測;H-ADCP;高壩洲水文站;湖北

中圖法分類號：P332.4 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.004

1水文站概述

清江屬于長江的一級支流，發(fā)源于湖北省恩施州利川市之齊岳山，流經利川、恩施、宣恩、建始、巴東、長陽宜都等7個縣市，在宜都陸城匯人長江，全長423kmo高壩洲水文站位于清江下游，屬于國家基本水文站網，清江河口流量控制站，流域面積約16700km？l。高壩洲水利樞紐工程（以下簡稱“高壩洲工程”）位于高壩洲水文站上游約2km，見圖1。

該站流量施測主要受以下3個方面影響：①高壩洲工程調度頻繁，一次來水過程僅持續(xù)0.5～2h，而采用傳統(tǒng)的纜道轉子式流速儀法施測流量，歷時約1.5h。②長江宜昌水文站在汛期流量達15000m/s時，開始受回水頂托影響，呈現(xiàn)“同水位下流量差異極大、不同水位而流量相同”的特點，水位流量無關系可循，斷面流場紊亂，傳統(tǒng)流速儀施測流量誤差較大。③測驗斷面呈“W”形，起點距80～159m之間有長約1000m、寬約79m的卵石洲，卵石洲順河勢呈“7”形，從上游約600m開始延伸至下游約400m處，將水流分成兩股。一般情況下，右漢常年通流;水位上漲至39.50m時，左漢開始通流。

近30a來，高壩洲水文站測驗工作受上游水利工程、汛期長江回水頂托以及所處的河道地形與大斷面形狀等影響，斷面流量變化過程難以測到、測準，給水文資料收集、報汛以及整編工作帶來了較大困難，亟待探索一種新的流量測驗方式。

2流量自動化監(jiān)測應用情況

水平多普勒流速剖面儀（H-ADCP）可實現(xiàn)在儀器安裝位置一定范圍內的多點流速施測，操作方便、快速高效、穩(wěn)定可靠2。2009年，H-ADCP應用于高壩洲水文站，并開始探索自動化流量監(jiān)測。

2009年5月，綜合考慮測驗斷面的形狀和水流狀態(tài)，在測驗斷面左岸緊貼岸邊修建了1座垂直滑道型混凝土H-ADCP試驗監(jiān)測臺，如圖2所示。支架位于起點距30.0m處，頂部通過棧橋與站房連接，在垂直支架上安裝軌道，使用滑輪調節(jié)水下H-ADCP至代表高程點的位置;使用卡鉗裝置將H-ADCP緊固于軌道上，防止其授水流沖擊而發(fā)生抖動。

流量監(jiān)測系統(tǒng)采用Q-MONITOR流量通軟件，最小單元長度設置為0.50m，最大剖面范圍為90.00m，盲區(qū)1.00m，單元數(shù)量180個，鹽度0，采樣時間間隔60s，數(shù)據(jù)平均時段30s。

H-ADCP測驗系統(tǒng)調試完成后，使用轉子式流速儀進行流量測驗結果比較。通過建立各水情條件下流速儀實測斷面平均流速與H-ADCP指標流速V指標的相關關系模型，基于水位插補水道面積計算流量，并確定測驗誤差3。

（1）當水位在39.75～42.22m范圍時，儀器安放在高程39.59m處，V指標采用1～25區(qū)間回放值，得到流量關系式為

（2）當水位在42.10～48.91m范圍時，儀器安放在高程41.81m處，V指標采用5～20區(qū)間回放值，得到流量關系式為

式中，Q為流量，m/s;V指標為指標流速，m/s;A為斷面面積，m？。按照每年汛前實測大斷面點繪水位一面積曲線，摘取多個水位一面積節(jié)點用于H-ADCP流量計算;當斷面發(fā)生沖淤變化時，及時施測大斷面并更新水位一面積關系。流量摘錄時，計算全部指標流速V指標對應的流量。經過各種水流條件下的比測和分析，其流量單次偏差計算、總體樣板誤差分析結果等指標均滿足規(guī)范要求4，具體見表1～2。

高壩洲水文站成功實現(xiàn)了流量自動化監(jiān)測，有效監(jiān)測了流量的變化過程，大幅提高了水文成果精度，同時也降低了員工勞動強度。

3流量自動化監(jiān)測改進措施

經過幾年的運行和實踐，H-ADCP流量在線監(jiān)測系統(tǒng)在擴大流量自動監(jiān)測的水位范圍、提高監(jiān)測成果精度以及全面實現(xiàn)測驗數(shù)據(jù)的自動化計算等方面還需要改進和完善。

3.1新建H-ADCP監(jiān)測臺

當水文站水位處于小于39.50m的低水位級時，河道分為兩漢，左漢為死水，右汊常年通流。在前期H-ADCP在線監(jiān)測試驗的基礎，上，2017年初在右岸基上457m新建了1座H-ADCP監(jiān)測臺5，，如圖3所示。將H-ADCP直接安裝到右岸主洪道區(qū)——投影到該斷面的起點距約為240m，使斷面主流區(qū)、深泓區(qū)等主要水流包含在H-ADCP換能器測速剖面（從右岸往左岸）范圍內，測得的流速具有更好的代表性，在線監(jiān)測的水位范圍更大。

3.2改進儀器安裝方式和升降設施

儀器在水中測量時，受水力沖擊影響，難以控制水下測量姿態(tài)角度的穩(wěn)定性，縱搖、橫搖在測量過程中發(fā)生變化，測量精度受到影響。實踐表明，儀器安裝位置采用“凹槽式”設計（見圖4）可降低水流對儀器的沖擊，有效解決儀器在水下測量時姿態(tài)角度的穩(wěn)定性問題。

通過改進H-ADCP升降設施，加裝轉動輪，采用軌道式電力自動升降替代原人工手搖式。當汛期暴雨過程中雜草、樹枝、膠帶等異物易纏繞儀器時，或因其他原因造成儀器故障而不能正常工作期間，使用軌道式電力自動升降設施，使對儀器的維護工作更便捷、安全，同時也增強了換能器上下升降過程中的穩(wěn)定性。

33優(yōu)化率定及計算過程

通過打破傳統(tǒng)率定時采用單一的一次或二次式公式推導的固定模式，基于V與V實測樣本數(shù)據(jù)，率定H-ADCP指標流速V;與斷面平均流速Vn的曲線關系（見圖5）。采用類似水位流量單一曲線的方法，率定出V、V關系節(jié)點。通過符號、適線、偏離數(shù)值三項檢驗以及誤差和不確定度等計算，確定了該方法率定精度更高，在多次不同水流條件下同步比測發(fā)現(xiàn)，改進后的自動化監(jiān)測流量誤差接近為0。

改進了指標流速到斷面流量的計算過程。由指標流速推算斷面平均流速，再由水位推算面積，最終推算出斷面流量的計算方式雖然簡單，但累積數(shù)據(jù)量龐大，計算10d的數(shù)據(jù)需要大約2h，人工提取數(shù)據(jù)計算費時費力。H-ADCP流量計算軟件可自動計算并實時顯示當前測驗的時間、水位、斷面面積、指標流速平均流速和流量等各要素值（見圖6）。

4流量自動報汛

流量監(jiān)測系統(tǒng)包括測量設備、數(shù)據(jù)接收端、數(shù)據(jù)傳輸通道水情數(shù)據(jù)中心以及提供數(shù)據(jù)查詢的PC端和移動APP端。測量設備向水流中發(fā)射脈沖聲波，然后接收被水中顆粒物散射回來的聲波，轉換為指標流速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端通過RS232或RS-422串口，直接接收測量設備采集的指標流速并存儲。通過H-ADCP流量計算軟件將指標流速自動換算為流量成果數(shù)據(jù)，再利用服務提供商和用戶之間建立的專用線路，將H-ADCP數(shù)據(jù)獨立傳輸使用的移動專線作為主信道，以Internet公網為備用通道將數(shù)據(jù)發(fā)射至水情數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了流量成果的自動報汛。

通過PC端和移動端APP登陸水情數(shù)據(jù)庫，可隨時查看實時監(jiān)測的水文成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了用戶通過APP隨時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)、及時了解最新水情的功能。

5結語

高壩洲水文站近幾年通過對流量自動化監(jiān)測的探索、實踐、改進和完善，最終實現(xiàn)了高精度的流量在線監(jiān)測和自動報汛。流量自動監(jiān)測成功替代了費時費力的纜道轉子式測流。改進后的流量自動化監(jiān)測系統(tǒng)投產后，通過了各種水流條件下轉子式流量對比測驗復核驗證，結果表明：在線監(jiān)流量測精度高、成果可靠，且資料整理整編過程更簡潔、高效。高壩洲水文站流量自動測報的經驗可為類似受水利工程影響下的流量測驗提供參考借鑒。

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（編輯：李曉濠）