智能水文纜道在某水文站的應(yīng)用

崔花瑞，李連云

(河南省安陽水文水資源勘測局，河南 安陽 455000)

0 引言

全面提升水文監(jiān)測、預(yù)測預(yù)報和服務(wù)支撐能力，使水文成為水利行業(yè)監(jiān)管的“尖兵”和“耳目”，是新時代對水文工作提出的新要求。目前，水文監(jiān)測中流量測驗大部分仍然采用涉水、船測及半自動纜道方式進(jìn)行，人工觀測費時費力、效率低下，容易出現(xiàn)人為誤差和錯誤，且無法自動整編和分析，信息共享困難，與水文自動化、現(xiàn)代化目標(biāo)極不適應(yīng)，服務(wù)水利、服務(wù)社會的水文效益無法得到充分發(fā)揮。因此，為滿足新時代水利和經(jīng)濟社會發(fā)展對水文工作的需求，只有不斷深化改革，進(jìn)一步加強技術(shù)創(chuàng)新，全面推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)來解決。山東省濰坊水文局積極推進(jìn)水文現(xiàn)代化建設(shè)，將先進(jìn)的水文測報技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，以無人值守和快速獲取水文信息為目的，與安陽某測控設(shè)備有限公司合作，共同完成了黃山水文站水文纜道升級改造。升級改造后的水文纜道以互聯(lián)網(wǎng)+為依托，采用轉(zhuǎn)子式流速儀和電波流速儀測流設(shè)備，在無人值守狀態(tài)下，自動完成天然河流流量測驗的測、整、報全過程，極大地提升了黃山水文站水文測報水平和信息服務(wù)能力。

1 流域概況

彌河發(fā)源于臨朐沂山西麓天齊灣，主要支流有五井石河、石河、南陽河、丹河等，河道蜿蜒曲折向西流，至臨朐九山附近又轉(zhuǎn)向東北，經(jīng)青州(益都)于壽光上口鎮(zhèn)(廣陵鄉(xiāng))分3股入渤海。其中東北流的一股，河槽較為寬廣，為彌河主河道，至濰坊市寒亭區(qū)央子港入海。其余兩股為岔流，由南半截河村北流入海。河長206 km，流域面積3 847.50 km2，河道平均比降3.20/1 000。河源至冶源水庫為彌河上游，河長56 km，經(jīng)行于山丘區(qū)，河道比降為10.40/1 000，是山東省的暴雨中心，洪水暴漲暴落。

黃山水文站位于彌河上游的山東省濰坊市臨朐縣寺頭鎮(zhèn)(石家河鄉(xiāng))西黃山村，其下游15 km是在彌河上發(fā)揮著重要的控制性作用的冶源水庫。該站于1988年1月設(shè)立，控制流域面積375 km2，干流長度41.30 km，是冶源水庫入庫控制站，也是泰沂山北水文區(qū)域代表站。該站系統(tǒng)收集歷年的水文資料，研究區(qū)域內(nèi)的水文變化規(guī)律，為各級防汛抗旱和水資源管理部門提供技術(shù)支撐。

2 智能水文纜道建設(shè)

黃山水文站所建的智能纜道以互聯(lián)網(wǎng)+為依托，選擇轉(zhuǎn)子式流速儀和電波流速儀，搭載水文纜道實現(xiàn)流量測驗設(shè)備的再創(chuàng)新，形成遠(yuǎn)程自動化流量測驗新模式，完成該站高中低水流量測驗工作，并實現(xiàn)河道流量采集、傳輸、接收、處理、整編、查詢?nèi)^程自動化。

2.1 轉(zhuǎn)子流速儀

轉(zhuǎn)子式流速儀是水文測驗中的常規(guī)儀器，使用廣泛。即在一定的速度范圍內(nèi)，流速儀轉(zhuǎn)子的速度n與水流速度v呈簡單的線性關(guān)系。經(jīng)驗計算公式：

v=a+bn

(1)

式(1)中：v為水面流速；a表示儀器常數(shù)；b表示水力螺距；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)率。

說明n和v在一定的流速范圍內(nèi)呈近似的線性關(guān)系，并非數(shù)學(xué)上的線性關(guān)系，當(dāng)流速超出規(guī)定的范圍，此經(jīng)驗公式不成立，因此流速儀按照測速范圍分為不同的型號。特點為轉(zhuǎn)子式流速儀結(jié)構(gòu)簡單，使用便利，容易掌握。流速測量準(zhǔn)確，性能可靠；種類齊全，適用范圍廣，能適應(yīng)大多數(shù)河流的流速流量測驗任務(wù)。但由于受其機械構(gòu)件的影響，在河流漂浮物較多或水草較多的情況下，容易纏繞流速儀或破壞轉(zhuǎn)子機械部件。準(zhǔn)確性為轉(zhuǎn)子式流速儀被公認(rèn)為是在天然水流中測量流速的最標(biāo)準(zhǔn)儀器，所有新的流速測量儀器都可以與轉(zhuǎn)子流速儀進(jìn)行比測來判斷新儀器的流速測量準(zhǔn)確性。

2.2 電波流速儀

電波流速儀是一種利用多普勒原理的測速儀器，泛指向水面發(fā)射與接收無線電波，利用其頻率變化與流體速度成正比的關(guān)系而制成的儀器。電磁波頻率高達(dá)10GHz，屬微波波段，也可以稱為微波多普勒測速儀。因其在空氣中衰減很慢，可以在空氣中很好地傳播，在使用時儀器不必接觸水體即可測的水面流速，屬非接觸式測量。其原理為多普勒效應(yīng)，速度計算可依據(jù)公式：

v=C/f02cosθfD=KfD

(2)

式(2)中：v為水面流速；C為電波在空氣中的傳播速度；fD為電波的多普勒頻移；f0為發(fā)射的雷達(dá)波頻率；θ為發(fā)射波與水流方向的夾角。

特點為電波流速儀是國內(nèi)唯一正式使用的非接觸式流速儀，特點就是可以不接觸水體，遠(yuǎn)距離測量水流體，測流速度快。測流時不受水面、水內(nèi)漂浮物影響，也不受水質(zhì)、流態(tài)等影響，而且流速越快、漂浮物越多、波浪越大，反射信號越強，越有利于電波流速儀工作，適合于洪水期的測量。與傳統(tǒng)的流速儀相比，電波流速儀只需測表面流速，具有測量范圍大、測流速度快且不受漂浮物影響等特點。

準(zhǔn)確性為電波流速儀主要用于河流表面測速，反映不出河流深部的流場形態(tài)，測到的是水面波浪迎波面或是水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度并不等于水面流速，其差值因各種水流和漂浮物而不同。波浪和漂浮物除了隨水流運動外，自身也有運動，也會造成一些附加誤差，影響最大的是風(fēng)速風(fēng)向，其造成的流速誤差不可忽視，因此測流時需要記錄風(fēng)向風(fēng)速。

改建后的纜道，功能齊全可操作性強，測量數(shù)據(jù)可以通過多種形式對外交互傳輸。紅外監(jiān)控裝置滿足夜間測流工作，實時預(yù)覽功能可以實時監(jiān)視測量數(shù)據(jù)，隨時可以完成對可疑測點數(shù)據(jù)重測、補測等操作。實現(xiàn)了在局域網(wǎng)環(huán)境下集測、報、整、算為一體，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，全面實現(xiàn)無人值守遠(yuǎn)程自動測流的目標(biāo)。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，更具備可靠性、實用性、可擴展性。各項技術(shù)指標(biāo)按照有關(guān)水文測驗規(guī)范、水文行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求控制，測量數(shù)據(jù)和計算成果達(dá)到水文行業(yè)部頒標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

3 臺風(fēng)“利奇馬”登陸山東半島

2019年8月11日，第9號超強臺風(fēng)“利奇馬”登陸山東半島，為新中國成立以來所罕見。受其影響，8月10日6時至12日15時濰坊市普降暴雨、大暴雨，局部降特大暴雨，彌河流域、丹河流域的青州、臨朐、昌樂均超過300 mm。其中青州371.50 mm，臨朐361.30 mm，昌樂340.80 mm，其他縣市區(qū)在126.50～284.60 mm；最大點降雨量在臨朐縣曾家溝雨量站552.80 mm。

受此次降雨影響，彌河、丹河、濰河、渠河均發(fā)生不同程度洪水。11日凌晨，彌河上游黃山水文站暴雨如注，河水陡漲，水位自8月10日20時開始起漲，起漲水位137.68 m，相應(yīng)流量2.41 m3/s，洪水?dāng)y帶著泥沙奔騰而下，含沙量增大，漂浮物增多，在黃山水文站水、電、通信全部中斷情況下，智能水文纜道改用發(fā)電機組供電不間斷測流，11日6時30分出現(xiàn)最高水位142.78 m，實測洪峰流量2 210 m3/s，為該站建站以來最大洪水，洪水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50年一遇。此次洪水漲水歷時10小時30分鐘，水位變幅5.10 m，流量變幅2 208 m3/s，整個洪水過程共完成38次測流，其中采用轉(zhuǎn)子式流速儀測流22次，電波流速儀測流16次。

4 智能水文纜道發(fā)揮的作用

黃山水文站智能雙系統(tǒng)水文纜道，在本次洪水測驗中發(fā)揮了重要的保證作用。在惡劣的監(jiān)測條件下，在河流漂浮物多、人員偏少的情況下，自動化、現(xiàn)代化、智能化測驗設(shè)施設(shè)備為水文監(jiān)測提供了重要保障，該站智能測流纜道雙系統(tǒng)全天候運行，測得了完整的洪水過程，測流及時、完整、準(zhǔn)確。

經(jīng)過此次洪水檢驗，該套智能水文纜道突出了6個優(yōu)點：一是智能化、自動化程度高，人工干預(yù)少，故障率低，只要事先設(shè)定好參數(shù)，測流纜道便自動完成一次測流過程，隨即打印輸出流量成果；二是界面清楚，河道斷面、過水面積、垂線布設(shè)、測點測深布設(shè)以及可視設(shè)備運行清晰，一目了然，便于掌握測驗與設(shè)備運行的系統(tǒng)性；三是保障了水文監(jiān)測人員人身安全，監(jiān)測人員不用出屋，室內(nèi)即可操控(包括遠(yuǎn)程操控)；四是能夠全天候運行，在河道漂浮物多的情況下啟用電波流速儀測流，當(dāng)漂浮物很少時啟用轉(zhuǎn)子流速儀測流，測流幾乎不受洪水情況限制；五是測驗精度高，通過電波流速儀和轉(zhuǎn)子流速儀比測，流量精度符合測驗規(guī)范要求；六是時效性強，系統(tǒng)自動生成的測驗成果能通過網(wǎng)絡(luò)自動傳輸上報，能夠滿足新時期各級領(lǐng)導(dǎo)指揮防汛決策的快速要求。

5 結(jié)語

智能水文纜道搭載轉(zhuǎn)子流速儀和非接觸式電波流速儀，測流速度快、精度高、適用范圍廣，可以實現(xiàn)河道流量采集、傳輸、接收、處理、整編、查詢?nèi)^程自動化，解決了天然河流流量在線監(jiān)測難題，改善了水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平和監(jiān)測能力,提高水文信息的時效性，縮短水文情報預(yù)報的預(yù)見期，為各級防汛部門科學(xué)調(diào)度決策贏得寶貴時間。全面實現(xiàn)信息共享，為防汛抗旱、水資源管理、水生態(tài)文明建設(shè)提供更加及時準(zhǔn)確的水文服務(wù)，同時節(jié)約人力，大大提高職工工作效率，減輕職工勞動強度，為水文體制改革、全面實現(xiàn)巡測提供了技術(shù)支撐。該系統(tǒng)的應(yīng)用使水文自動化、信息化、智能化水平得到大幅提升，補齊水文工作在線測流短板，為水利工程監(jiān)管提供了技術(shù)支撐，也為新時代水利和經(jīng)濟社會發(fā)展提供了有力的支撐。