鉛魚測(cè)流系統(tǒng)在綏德水文站實(shí)際工作中的利弊分析

高 遠(yuǎn)

（陜西省延安水文水資源勘測(cè)局，陜西 延安 716000）

1 綏德水文站概況

1.1 基本情況

綏德水文站位于陜西省綏德縣名州鎮(zhèn)薛家畔社區(qū)，屬國家重要水文站，設(shè)立于1959 年6 月，是大理河的出口水文站，其控制流域面積為3893 km2，占全流域面積的99.7%，距河口距離4.43 km。主要收集斷面以上大理河流域的各項(xiàng)水文特征，主要測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、泥顆、降水、蒸發(fā)、墑情等，從而掌握該河段水量、沙量變化過程及規(guī)律，為當(dāng)?shù)睾拖掠蔚貐^(qū)的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

1.2 河流特性

大理河干流全長(zhǎng)170 km，河床比降為3.16‰，流域面積為3906 km2。大理河流域有黃土梁土間河源丘陵溝壑區(qū)（簡(jiǎn)稱河源區(qū)）和黃土梁峁丘陵溝壑區(qū)（簡(jiǎn)稱丘陵區(qū)）兩個(gè)地貌類型區(qū)。流域內(nèi)梁峁起伏，溝壑縱橫，溝壑密度為5 km/km2～6 km/km2，溝深為50 m～150 m。丘陵區(qū)地形破碎，土質(zhì)疏松，溝壑密度較大，溝蝕、重力侵蝕活躍，是流域內(nèi)主要產(chǎn)沙區(qū)。實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明，大理河流域多年平均徑流量為14530 萬m3，徑流年際變化很大，年最大徑流總量達(dá)2.5 億m3，最小僅為0.92 億m3。多年平均輸沙量為3820 萬t，年均侵蝕模數(shù)為1.68 萬t/km2，局部地區(qū)高達(dá)3 萬t/km2。

1.3 氣候情況

大理河流域?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。冬季受蒙古冷高壓氣流控制，風(fēng)多、氣寒、少雨雪；夏季受西太平洋副熱高壓和河西走廊、四川盆地低壓控制，酷熱、干旱、多暴雨；春季為過渡季節(jié)，據(jù)綏德縣氣象站實(shí)測(cè)資料，多年平均出現(xiàn)七級(jí)以上大風(fēng)46.6 次，春季最多，占全年的41%；冬春多西北風(fēng)，夏秋多東南風(fēng)。多年平均氣溫9.7℃，年極端最高氣溫38.4℃，年極端最低氣溫-25.4℃，月平均氣溫以一月最低，為-7.5℃，七月最高為24℃。年日照2615.1 h，日照率59%。多年平均降水量為439.5 mm，7 月～9 月3 個(gè)月降水占全年降水量的60%左右。年平均無霜期165 d，絕對(duì)無霜期120 d，早霜最早9 月15 日。河流結(jié)冰期10 月上旬～次年3 月中下旬。

2 測(cè)流設(shè)施設(shè)備情況

2.1 吊箱測(cè)流

由于大理河流域內(nèi)特殊氣候條件以及獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造，大理河上出現(xiàn)的洪水表現(xiàn)出含沙量大，漲落速度快等特點(diǎn)，所以測(cè)流難度很大。自綏德水文站1956 年建站以來，主要的測(cè)流手段是吊箱測(cè)流。

吊箱測(cè)流是纜道測(cè)流的一種,是利用一個(gè)懸掛在主索上的吊箱(或稱纜車)來進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。吊箱上裝配懸桿懸吊儀器的設(shè)備，工作人員在吊箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量操作。吊箱測(cè)流主要存在的不足之處主要有：（1）安全度差。吊箱測(cè)流歷來被喻為“鐵籠子”危險(xiǎn)作業(yè)，雖然由于發(fā)展改進(jìn)，但在洶涌的洪水上測(cè)流稍有疏忽就可能出現(xiàn)事故；（2）工作強(qiáng)度大。面對(duì)波濤起伏的洪水測(cè)流過程，工作人員一直處于高度緊張狀態(tài)，測(cè)深桿、采樣器、流速儀懸桿的操作除有相應(yīng)技巧外還需要有足夠的力氣。

2.2 鉛魚測(cè)流系統(tǒng)

2017 年綏德水文站遭遇“7.26 洪水”。吊箱被洪水沖毀，為不耽誤測(cè)驗(yàn)，綏德水文站利用其它水文站替換下來的一套老舊鉛魚測(cè)流系統(tǒng)應(yīng)急測(cè)流。該套鉛魚測(cè)流系統(tǒng)的工作原理是利用掛在鉛魚頂端的無線信號(hào)發(fā)射器將流速儀轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線電信號(hào)發(fā)射出去，室內(nèi)的無線信號(hào)接收器接收到流速信號(hào)后蜂鳴并計(jì)數(shù)，測(cè)流人員用秒表計(jì)時(shí)，從而完成測(cè)流。這套設(shè)備測(cè)流時(shí)存在的問題主要是：（1）設(shè)備只能發(fā)射測(cè)流信號(hào)，沒有其他的功能；（2）信號(hào)發(fā)射器與信號(hào)接收器距離較遠(yuǎn)時(shí)信號(hào)不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況；（3）信號(hào)發(fā)射器供電是靠外接一節(jié)9 V 電池，每次測(cè)流時(shí)都要裝上電池才能使用，不太方便；（4）在流速較小、流速儀轉(zhuǎn)速較慢時(shí)，流速儀的一組轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)有可能會(huì)發(fā)送三次無線電信號(hào)，所以信號(hào)接收器顯示的信號(hào)數(shù)會(huì)大于實(shí)際信號(hào)數(shù)；（5）流速儀轉(zhuǎn)速過快時(shí)，信號(hào)發(fā)射器會(huì)出現(xiàn)信號(hào)來不及發(fā)送從而漏掉轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)的情況等。

3 鉛魚測(cè)流系統(tǒng)的利弊

由于存在上述諸多不便，為提高測(cè)驗(yàn)精度及效率，2018 年陜西省延安水文水資源勘測(cè)局對(duì)綏德水文站進(jìn)行維修改造，更換了全新的鉛魚測(cè)流系統(tǒng)。

3.1 工作原理

改進(jìn)后的測(cè)流系統(tǒng)是通過鉛魚、循環(huán)索、絞車、地線、大地、水體形成一個(gè)完整電流回路，由掛在鉛魚上的主控盒利用該回路將流速信號(hào)、水面信號(hào)、河底信號(hào)等直接傳輸?shù)讲僮髋_(tái)，在操作臺(tái)上集成完成測(cè)流作業(yè)。鉛魚測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖見圖1。

圖1 鉛魚測(cè)流系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖

3.2 優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過一個(gè)完整汛期的使用后，新的鉛魚測(cè)流系統(tǒng)對(duì)比舊的鉛魚測(cè)流系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）操作臺(tái)集成了流速信號(hào)計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、流速儀參數(shù)設(shè)置等功能，可以根據(jù)傳輸回來的信號(hào)直接測(cè)算出該測(cè)點(diǎn)的流速，不需要像從前一樣人工數(shù)信號(hào)和用秒表計(jì)時(shí)，既保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，又節(jié)約了時(shí)間。

（2）起點(diǎn)距計(jì)算及顯示裝置更加先進(jìn)。以前使用磁感應(yīng)計(jì)數(shù)器時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)一圈只有6 個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，兩個(gè)感應(yīng)點(diǎn)之間的距離為10 cm，計(jì)數(shù)器的數(shù)要乘以0.1 m 才是正常的起點(diǎn)距，誤差較大，并且計(jì)數(shù)器只能累加計(jì)數(shù)，不論鉛魚向前或者向后運(yùn)動(dòng)時(shí)起點(diǎn)距一直是在增加，使用起來很不方便。新的起點(diǎn)距計(jì)算裝置將齒輪轉(zhuǎn)一圈的距離劃成60 等份，精度更高，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)鉛魚向前增加計(jì)數(shù)、鉛魚返回減小計(jì)數(shù)的智能起點(diǎn)距計(jì)算，并且在操作臺(tái)上有專門的起點(diǎn)距顯示器，可以直接讀取起點(diǎn)距數(shù)據(jù)，測(cè)流更加方便。起點(diǎn)距顯示器有斷電記憶功能，下次啟動(dòng)時(shí)可以直接使用，不用重新設(shè)置。

（3）鉛魚上的主控盒可內(nèi)置電池，拆卸也很方便，定期更換電池就可以，不需要每次測(cè)流都安裝電池。

（4）由鉛魚、循環(huán)索、絞車、地線、大地、水體形成的完整電流回路是物理實(shí)體連接方式，傳輸信號(hào)更加穩(wěn)定，干擾小，不會(huì)出現(xiàn)測(cè)驗(yàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象。

（5）鉛魚上增加了水面信號(hào)和河底感應(yīng)裝置。操作臺(tái)上有專門的水深顯示器，鉛魚地板接觸到水面時(shí)開始計(jì)數(shù)，河底感應(yīng)裝置發(fā)回信號(hào)就結(jié)束計(jì)數(shù)，這樣就可以測(cè)量更深的水深，從而使得測(cè)量更大的流量成為可能，使鉛魚測(cè)流的上限進(jìn)一步提高。

（6）循環(huán)鎖上增加了張力保護(hù)器。鉛魚到達(dá)河底后，循環(huán)索松弛，張力變小，保護(hù)器就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉鉛魚下降開關(guān)，不會(huì)出現(xiàn)循環(huán)索太松出槽的現(xiàn)象，從而保證設(shè)備和人身安全。

3.3 有待改進(jìn)之處

新測(cè)流系統(tǒng)對(duì)比以前的測(cè)流系統(tǒng)在易用性、可靠性、安全性等方面都有很大提高，但在實(shí)際工作使用過程中還存在一些有待改進(jìn)的方面，主要有：

（1）參數(shù)設(shè)置不便。操作臺(tái)上流速測(cè)算裝置中設(shè)置流速儀參數(shù)只能從0 開始慢慢加上去，不能用數(shù)字鍵直接設(shè)置；該裝置沒有記憶功能，兩架流速儀切換時(shí)，只能重新設(shè)置參數(shù)，不能提前錄入?yún)?shù)然后直接選取需要的流速儀型號(hào)。

（2）易受天氣影響。連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間干旱天氣時(shí)，大地含水量降低使得導(dǎo)電性變差，導(dǎo)致地線與水體之間通過大地傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)受到影響，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的情況；連續(xù)陰雨天氣時(shí)，循環(huán)索各處都會(huì)被淋濕，絕緣效果變差，信號(hào)回路也會(huì)受到影響，導(dǎo)致不能進(jìn)行正常測(cè)驗(yàn)。

（3）鉛魚上的河底感應(yīng)裝置適應(yīng)性差。綏德水文站的測(cè)驗(yàn)斷面為淤泥質(zhì)河底，洪水漲落急劇會(huì)造成河底沖刷或淤積，使得河底不平整。當(dāng)鉛魚到達(dá)河底時(shí)，鉛魚底板不能及時(shí)彈起來，因而河底信號(hào)不能及時(shí)發(fā)回操作臺(tái)，會(huì)導(dǎo)致所測(cè)水深大于實(shí)際水深，測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差。

（4）主控盒絕緣性能差。安裝在鉛魚上的主控盒有4 個(gè)接線柱都裸露在外邊，沒有做絕緣處理，在小水且水質(zhì)較好時(shí)對(duì)測(cè)驗(yàn)工作沒有影響，但是漲水時(shí)大理河的河水含沙量以及電解質(zhì)含量變高，導(dǎo)電性也變好，主控盒入水后會(huì)出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，測(cè)驗(yàn)信號(hào)就會(huì)混亂，互相干擾，不能正常使用。而且主控盒用螺絲固定在鉛魚尾翼上，有四條導(dǎo)線連接在鉛魚上，使得拆卸不太方便，綏德水文站的主控盒就因無法取下，長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外導(dǎo)致內(nèi)部溫度過高，出現(xiàn)了電池漏液現(xiàn)象，這對(duì)主控盒內(nèi)部電路安全以及測(cè)驗(yàn)工作的正常進(jìn)行都造成了影響。

4 結(jié)論及建議

針對(duì)綏德水文站在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的問題提出以下建議：

（1）更換可拔插的主控盒，可以在無測(cè)驗(yàn)任務(wù)時(shí)拆卸下來更好地保存，也方便更換電池。

（2）將主控盒的外接線柱進(jìn)行密封和絕緣。

（3）完善循環(huán)索的絕緣裝置、進(jìn)一步加強(qiáng)地線和水體之間的信號(hào)傳輸方式，使得信號(hào)回路在極端天氣下能更穩(wěn)定的工作。

（4）更換合適的河底感應(yīng)裝置，能更加靈敏地傳回河底信號(hào)。

（5）操作臺(tái)上的流速測(cè)算裝置進(jìn)一步優(yōu)化，能更加方便快捷地設(shè)置參數(shù)。