談廣場(chǎng)西溝水文站流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

蔣國(guó)民，李 克，于詢鵬

（1.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014；2.青島市水文局，山東 青島 266071）

濟(jì)南市區(qū)南臨群山，北靠黃河，地勢(shì)南高北低，南北高差超過100 m。其獨(dú)特的地形、地貌,導(dǎo)致市區(qū)河道洪水主要有以下特點(diǎn)：洪水陡漲陡落，歷時(shí)短，流速快，發(fā)生大暴雨時(shí)洪峰常在2～3 h 內(nèi)發(fā)生，極易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

濟(jì)南作為全國(guó)重點(diǎn)防汛城市，對(duì)市區(qū)內(nèi)河道的防汛監(jiān)測(cè)有著更嚴(yán)格、更高的要求，及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)城市防洪減災(zāi)調(diào)度能夠起到非常重要的作用。

2019 年9 月水利部印發(fā)《水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求》指出“水文測(cè)站應(yīng)注重技術(shù)手段的提檔升級(jí)，提升自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平，流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備配置應(yīng)以在線或自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主”。濟(jì)南市水文局在廣場(chǎng)西溝設(shè)計(jì)開發(fā)流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 可行性分析

廣場(chǎng)西溝，隸屬小清河水系，屬于季節(jié)性山洪河道，河流流向自南向北，監(jiān)測(cè)斷面位于位于濟(jì)南市市中區(qū)經(jīng)十路與玉涵路交界口，設(shè)立了全民健身中心水文站，該站屬市級(jí)小河站，測(cè)驗(yàn)斷面以上流域面積4.1 km2，河道下游2 km 處就是濟(jì)南市核心地帶—泉城廣場(chǎng)，汛期每逢大暴雨，洪峰來勢(shì)兇猛，對(duì)泉城廣場(chǎng)的低洼地段極易造成洪澇災(zāi)害，例如2007 年7.18 大暴雨造成了巨大人員經(jīng)濟(jì)損失，自2010 年建站以來，該站主要為城市防汛、小清河防洪調(diào)度提供水文測(cè)驗(yàn)信息，目前該水文站測(cè)驗(yàn)任務(wù)有水位、流量監(jiān)測(cè)，其中，水位采集采用雷達(dá)式水位計(jì)，經(jīng)RTU 由GPRS傳輸至水情中心，汛期流量測(cè)驗(yàn)主要使用人工電波流速儀，測(cè)驗(yàn)效率和精度較低，并且由于暴雨期間人工施測(cè)，對(duì)測(cè)驗(yàn)人員的安全存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。

該站測(cè)驗(yàn)斷面起點(diǎn)距總長(zhǎng)8.2 m，河底為水泥硬化地面，河底左右高差及最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間高差不超過5 cm。兩岸河堤為漿砌石堆砌，與河底呈90°垂直度數(shù)。該站河底平整測(cè)驗(yàn)斷面無變化、兩岸河堤規(guī)整水面寬固定且岸邊系數(shù)固定，適合采用自動(dòng)流量監(jiān)測(cè)，如圖1。

圖1 廣場(chǎng)西溝全民健身中心水文站大斷面圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

廣場(chǎng)西溝為市區(qū)內(nèi)景觀式河道，綜合考慮設(shè)施占地、設(shè)備外觀體積、日常運(yùn)行維護(hù)等因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全新開發(fā)的軌道式自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，通過自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)和流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)，實(shí)時(shí)將測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳值水情中心。軌道式的設(shè)計(jì)結(jié)合了現(xiàn)有固定探頭式和纜道式自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，軌道可依附于橋梁架設(shè)，傳感器在軌道上移動(dòng)可在任意起點(diǎn)距進(jìn)行監(jiān)測(cè)，做到既穩(wěn)定又靈活，同時(shí)減少了占地需求，非常滿足在城市河道上運(yùn)行的條件。

根據(jù)全民健身中心測(cè)驗(yàn)斷面測(cè)驗(yàn)情況，自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的軌道安裝于橋梁下游一側(cè)，左岸或右岸可安裝設(shè)備機(jī)房，流速傳感器搭載在軌道運(yùn)載設(shè)備上（如圖2）。使用時(shí)在由機(jī)房駛出，監(jiān)測(cè)完畢后駛回機(jī)房放置放置、同時(shí)進(jìn)行充電。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

流速傳感器采用非接觸式的電波流速傳感器，具備水平角和垂直角改正，流速平均、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、串口通訊控制等功能，適合水面流速自動(dòng)遙測(cè)應(yīng)用。

運(yùn)載設(shè)備由智能電機(jī)、遙測(cè)控制單元、電池和傳動(dòng)裝置組成，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)程序預(yù)設(shè)定時(shí)、固定垂線監(jiān)測(cè)，可以根據(jù)遙控指令實(shí)時(shí)、任意垂線監(jiān)測(cè)。核心部件為遙測(cè)控制單元，實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)傳感器、收發(fā)數(shù)據(jù)、控制智能電機(jī)及距離控制等功能。

同時(shí)設(shè)立視頻監(jiān)控設(shè)備，用于觀測(cè)河道人工水尺和監(jiān)控自動(dòng)測(cè)流設(shè)備運(yùn)行情況，查看運(yùn)載傳感器是否移動(dòng)正常、位置是否準(zhǔn)確、設(shè)備是否遭到破壞、監(jiān)測(cè)后回位是否正常等。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

為使自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)能夠滿足廣場(chǎng)西溝防汛測(cè)報(bào)需求，需建立配套的控制運(yùn)行軟件，并滿足以下功能（如圖3）。一是利用前期使用的雷達(dá)式水位計(jì)采集的水位數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前測(cè)驗(yàn)斷面的水深、水位；二是能夠設(shè)定測(cè)驗(yàn)斷面的河寬、垂線條數(shù)和起點(diǎn)距，根據(jù)自定義參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)算；三是遙控進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)并接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；四是可人工設(shè)定斷面范圍內(nèi)任一起點(diǎn)距進(jìn)行監(jiān)測(cè)；五是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的接入和共享；六是軟件能提供水文業(yè)務(wù)需要的查詢功能。

圖3 軟件控制示意圖

除了以上主要功能，為保證測(cè)流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和實(shí)用性，軟件還應(yīng)具備數(shù)據(jù)去噪、分析、篩查、人工置數(shù)等功能。流速傳感器受水面漂浮物等情況影響時(shí)能夠?qū)γ拷M流速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩除不合理的數(shù)據(jù)，保留正常數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié) 論

廣場(chǎng)西溝流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的軌道式設(shè)計(jì)，不同于以往常見的流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)計(jì)可根據(jù)測(cè)驗(yàn)斷面的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整測(cè)速垂線的起點(diǎn)距或增減測(cè)速垂線的數(shù)量，以滿足流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。通過對(duì)安裝的測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、分析，新開發(fā)的軌道式流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備更適用于該河道斷面，既滿足了自動(dòng)化設(shè)備的安裝需求又體現(xiàn)了因地制宜、設(shè)計(jì)先進(jìn)、融合環(huán)境的特點(diǎn)。

河道流量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化能夠有效提升防汛測(cè)報(bào)服務(wù)的時(shí)效性，同時(shí)緩解了站點(diǎn)多、人手不足的壓力，減少了暴雨外出作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。廣場(chǎng)西溝流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為河道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的水平提升提供新的思路和選擇。