天津市水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法探索與實(shí)踐

顧 琦

（天津市水務(wù)工程運(yùn)行調(diào)度中心，天津 300074）

中共十九屆三中全會(huì)審議通過(guò)《中共中央關(guān)于深化黨和國(guó)家機(jī)構(gòu)改革的決定》和第十三屆全國(guó)人大一次會(huì)議批準(zhǔn)《國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案》后，各地推進(jìn)了政府行政管理職能的改革，水務(wù)、生態(tài)環(huán)保、自然資源、應(yīng)急管理等部門加強(qiáng)了水資源監(jiān)管，加大了對(duì)水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息的需求，使得水文服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用凸顯，迫切需要取得及時(shí)可靠的水資源水量監(jiān)測(cè)信息服務(wù)于各管理部門，使水文服務(wù)由立足水利向服務(wù)全社會(huì)轉(zhuǎn)變。

1 現(xiàn)狀與問(wèn)題

天津市現(xiàn)有國(guó)家基本水文站30 處，主要分布于一級(jí)防洪河道上，測(cè)站控制主干河流，踞守?cái)嗝?，自?dòng)監(jiān)測(cè)手段較低。天津水文多數(shù)測(cè)站長(zhǎng)年來(lái)一直采用水力因素法推求流量并計(jì)算水量，即根據(jù)測(cè)得的流量數(shù)據(jù)和閘孔過(guò)流時(shí)水工建筑物不同閘門開(kāi)啟形式進(jìn)行堰閘率定，以相關(guān)水力因素及過(guò)流流量系數(shù)建立相關(guān)關(guān)系，采用水力學(xué)公式法推求流量和水量。

近年來(lái)，新建水文水資源監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中中小河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)測(cè)站36處，共55個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面；水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目（一期）新設(shè)測(cè)站133處，共223個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面。測(cè)站基本覆蓋了天津市主要排水河道，但新建測(cè)報(bào)站點(diǎn)僅建設(shè)了斷面水位監(jiān)測(cè)設(shè)施，水量仍需巡測(cè)流量再結(jié)合水利工程工情信息加以推求。

天津市大部分地區(qū)處于海河流域下游的濱海平原區(qū)，河流具有斷面寬淺、水流相對(duì)較緩的特性。由于水文測(cè)驗(yàn)受水利工程調(diào)節(jié)、下游潮（洪）水頂托、冬季結(jié)冰、河道干涸等影響，天津地區(qū)河流的水位與流量不能形成單值化關(guān)系，所以上述國(guó)家基本水文站和地方專用測(cè)站所采用的以推流整編方法計(jì)算水量不能滿足各管理部門對(duì)水資源水量監(jiān)測(cè)信息的時(shí)效性需求。

2 技術(shù)調(diào)研與分析

針對(duì)天津水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題，天津水文部門開(kāi)展了相關(guān)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與探索。流量測(cè)驗(yàn)方法很多，但水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)必須是自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。流量測(cè)驗(yàn)方法選擇首先與駐測(cè)、巡測(cè)或無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)流的測(cè)驗(yàn)方式相關(guān)，然后根據(jù)斷面形態(tài)和河道沖淤變化、水位漲落率、測(cè)驗(yàn)人員、交通便利等情況進(jìn)行優(yōu)選。各常用測(cè)驗(yàn)方法的適用情況記述如下。

（1）流速儀法。當(dāng)水流流速?zèng)]有超出流速儀的使用范圍時(shí)，可使用此法。

（2）水工建筑物法。適用于已有可利用水工建筑物的河道，包括適用于比降較大、有一定含沙量的河渠量水槽、量水堰。

（3）聲學(xué)法。適用于含沙量較小、斷面較穩(wěn)定且可以安裝聲學(xué)流速儀或流量計(jì)的河道。

（4）電磁法。適用于水草叢生、漂浮物較多的河流。

（5）電功率法。適用于用水泵供排水且水泵工作曲線穩(wěn)定的泵站測(cè)流。

（6）水表法（轉(zhuǎn)子流量計(jì)）。適用于各種管徑、凈水的滿管流量測(cè)量。

（7）電磁管道流量計(jì)法。適用于中小管徑、各種天然水的滿管流量測(cè)量，要求有較好的工作環(huán)境。

（8）農(nóng)用水表法。適用于中小管徑、各種天然水的滿管流量測(cè)量。

（9）聲學(xué)管道流量計(jì)法。從原理上可分為多普勒法聲學(xué)管道流量計(jì)和時(shí)差法聲學(xué)管道流量計(jì)，從適用范圍上可分為滿管和非滿管流量計(jì)。

（10）走航式聲學(xué)多普勒法。適用于河渠水流流量測(cè)驗(yàn)。

（11）電波（或雷達(dá)波）流速儀法。分洪、潰口洪水應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)可用此法。

（12）浮標(biāo)法。防洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)或水資源監(jiān)測(cè)上，當(dāng)水流速度或水深很小不能用其他方法測(cè)流時(shí)用此法。

（13）其他。分洪、潰口洪水紊流較為強(qiáng)烈時(shí)，可采用示蹤劑稀釋法、衛(wèi)星遙感法、無(wú)人機(jī)航空測(cè)速法和無(wú)人機(jī)航空攝影法等。

通過(guò)對(duì)上述流量測(cè)驗(yàn)方法及儀器設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)，系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源水量的實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)報(bào)。目前，國(guó)內(nèi)明渠流量在線監(jiān)測(cè)采用最多的方法主要有水位流量關(guān)系法、非接觸式流速儀法（電波或雷達(dá)波）、側(cè)掃雷達(dá)測(cè)流法、定點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀法、超聲波時(shí)差法、量水槽（巴歇爾槽）等實(shí)時(shí)在線流量監(jiān)測(cè)方法。

由于天津地區(qū)河流受工程調(diào)節(jié)影響，水位和流量不能形成單值化關(guān)系，所以水位流量關(guān)系法在本地區(qū)不適用；量水槽（巴歇爾槽）適合小型河渠使用，但建設(shè)成本巨大，不能滿足水文水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則。

3 技術(shù)探索與實(shí)踐

近年來(lái)，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，天津市水文部門開(kāi)始了水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的探索與實(shí)踐，嘗試在個(gè)別水文測(cè)驗(yàn)斷面試驗(yàn)性安裝在線流量監(jiān)測(cè)設(shè)施。

（1）側(cè)向H-ADCP。在中小河流水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)中，在多站點(diǎn)的水位自動(dòng)平臺(tái)上安裝測(cè)流支架，外掛H-ADCP（側(cè)向）在線流量監(jiān)測(cè)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)流。側(cè)向H-ADCP 只能測(cè)得某一層水的線流速分布，而且是近岸的一段，以此來(lái)代表全斷面平均流速，會(huì)有較大誤差。因此，應(yīng)分析該流速與全斷面平均流速間的關(guān)系，進(jìn)行率定后方可推求斷面流量。由于天津市河流斷面寬淺，季節(jié)性有水，大部分時(shí)間干涸，所以該儀器適應(yīng)性不強(qiáng)且需要做大量的率定工作。

（2）二線能坡法。金鐘河水文站船閘改建成抽水泵站后，該船閘過(guò)流斷面測(cè)流纜道被拆，水位觀測(cè)平臺(tái)因斷面改造無(wú)法使用，無(wú)任何測(cè)驗(yàn)設(shè)施，僅靠泵站過(guò)水歷時(shí)推流，誤差大，不符合相關(guān)規(guī)范要求。通過(guò)試驗(yàn)性地安裝應(yīng)用二線能坡法流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)測(cè)報(bào)。該方法儀器安裝在河底，儀器故障時(shí)維修較難，同時(shí)對(duì)儀器設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)要求非常之高，否則會(huì)影響流量測(cè)驗(yàn)精度。

（3）雙垂線法。在水資源監(jiān)控能力建設(shè)二期項(xiàng)目中，共建設(shè)5處雙垂線法在線測(cè)流設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水資源水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)目前正在試運(yùn)行。該方法儀器安裝在河底，運(yùn)行維護(hù)要求同二線能坡法。

（4）非接觸式雷達(dá)波測(cè)流法。2019 年，在青龍灣減河牛家牌橋建設(shè)非接觸式雷達(dá)波自動(dòng)測(cè)流設(shè)施1處。考慮本斷面過(guò)水條件（高洪時(shí)中泓流速＞2 m/s）、建設(shè)難度及抗洪搶險(xiǎn)對(duì)水文信息的需求，采用非接觸式雷達(dá)波測(cè)流法建設(shè)了流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)信息的自動(dòng)測(cè)報(bào)，可以滿足抗洪搶險(xiǎn)救災(zāi)對(duì)水文信息的時(shí)效性要求。但該方法在流速較小時(shí)受風(fēng)力風(fēng)向影響嚴(yán)重，測(cè)得水面流速誤差較大，以致流量測(cè)報(bào)精度較差，不能滿足水資源計(jì)量考核的需求。

（5）超聲波時(shí)差法。2019年12月引灤調(diào)水由新開(kāi)河向海河干流補(bǔ)水期間，在新開(kāi)河耳閘船閘內(nèi)試驗(yàn)性地安裝超聲波時(shí)差法流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)報(bào)，該設(shè)施目前正在試運(yùn)行。超聲波時(shí)差法測(cè)驗(yàn)精度較高，在引江工程計(jì)量中有大量應(yīng)用，但該儀器設(shè)施對(duì)測(cè)驗(yàn)斷面的安裝要求較高。

通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用和探索實(shí)踐，并通過(guò)和科研院所合作，天津水文部門開(kāi)發(fā)和應(yīng)用了一批高新科技成果。這些成果減輕了水文測(cè)站運(yùn)行維護(hù)的難度，減少了運(yùn)行維護(hù)的成本，保障了維護(hù)人員安全（減少涉水作業(yè)），提升了水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。

4 設(shè)計(jì)方案及新技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)深入調(diào)研分析現(xiàn)代水文監(jiān)測(cè)技術(shù)，借鑒先進(jìn)單位建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，天津水文部門創(chuàng)新性地開(kāi)展了“水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站”建設(shè)方案的典型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下。

（1）流量監(jiān)測(cè)原理。用流速儀精簡(jiǎn)分析方法確定簡(jiǎn)測(cè)法測(cè)流的垂線流速測(cè)驗(yàn)位置，用多個(gè)聲學(xué)多普勒流速儀代替轉(zhuǎn)子流速儀，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多條垂線平均流速，用面積流速法施測(cè)實(shí)時(shí)流量。

（2）設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠、嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)先進(jìn)、高度集成的原則。

（3）管理模式。監(jiān)測(cè)站采用“自動(dòng)采集、無(wú)人值守、委托看護(hù)、巡測(cè)校核、定期維護(hù)”的運(yùn)行管理模式。

（4）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。包括流速、水位、降水量、風(fēng)力風(fēng)向。其中，水位、流量、降水量是水資源管理的主要水文要素，水位是計(jì)算過(guò)流斷面面積的水文要素，過(guò)流斷面面積和流速是自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)計(jì)算流量的相關(guān)因素，風(fēng)力風(fēng)向是流量成果可靠性的輔助項(xiàng)目。

（5）監(jiān)測(cè)站設(shè)施。包括流量（流速）、水位、降水量、風(fēng)力風(fēng)向、視頻監(jiān)測(cè)設(shè)施。

（6）監(jiān)測(cè)站主要構(gòu)成。①岸上工作站流量采集設(shè)備專用機(jī)柜。該機(jī)柜是工作站的主要組成部分，內(nèi)部集成含供電系統(tǒng)（市電和發(fā)電機(jī)）、照明設(shè)備、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸系統(tǒng)、絞車、儀器架、工具架等設(shè)備及管理規(guī)章、操作規(guī)程；外部安裝太陽(yáng)能和風(fēng)力供電、視頻防盜、標(biāo)志牌、警示牌等設(shè)備。②岸上工作站多功能設(shè)備專用機(jī)柜。該機(jī)柜在有水文站房的測(cè)站內(nèi)無(wú)需安裝，內(nèi)部集成含照明設(shè)備、安全設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、保障設(shè)備及管理規(guī)章、操作規(guī)程；外部安裝太陽(yáng)能和風(fēng)力供電設(shè)施，降水量、風(fēng)力風(fēng)向、視頻水位觀測(cè)設(shè)備，測(cè)站標(biāo)志和簡(jiǎn)介牌等。③斷面測(cè)驗(yàn)設(shè)施。含水尺等水位觀測(cè)設(shè)施，定點(diǎn)式多普勒流速儀法固定安裝設(shè)備和聲學(xué)多普勒流速儀。④測(cè)驗(yàn)河段基礎(chǔ)設(shè)施。含斷面樁、斷面標(biāo)志牌、斷面標(biāo)志桿、水準(zhǔn)點(diǎn)、斷面保護(hù)標(biāo)志、斷面界樁、測(cè)站標(biāo)志、觀測(cè)道路等。⑤輔助設(shè)施。含設(shè)備專用機(jī)柜基礎(chǔ)、防雷、圍欄等。

在“水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站”建設(shè)方案的典型設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了視頻水位、防盜、矮樁式水尺、高度集成柜、多方式供電、防漂移、防結(jié)冰、可通航設(shè)計(jì)等水文監(jiān)測(cè)新技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作是水資源管理的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期以來(lái)受資金、測(cè)驗(yàn)方法和儀器適用性等相關(guān)技術(shù)條件限制，天津市的水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作已相對(duì)滯后，監(jiān)測(cè)精度、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)維等問(wèn)題長(zhǎng)期不能得到解決，限制了天津水文的現(xiàn)代化發(fā)展。筆者介紹了在此背景下的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法探索與實(shí)踐，擬通過(guò)應(yīng)用監(jiān)測(cè)新技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和建設(shè)，走出天津水資源水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)之路。通過(guò)項(xiàng)目建設(shè)，為天津市水資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、合理開(kāi)發(fā)、優(yōu)化配置、全面節(jié)約和有效保護(hù)發(fā)揮作用。