非接觸式雷達波流量自動在線監(jiān)測設備安裝平臺研究

陳生俊，馬永剛，杜 歷

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預警中心，寧夏 銀川 750001）

0 引言

水文水資源監(jiān)測是防汛抗旱減災、水資源管理、河（湖）長制落實、水生態(tài)保護和經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要技術支撐，是黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展最關鍵的信息支持和科學依據。寧夏主要河流有黃河干流及其支流，境內黃河及其各級支流中，流域面積大于 50 km2以上的河流有 275 條，其中流域面積大于 1 000 km2以上的河流有 15 條。寧夏灌區(qū)按取水方式分為引黃和揚黃 2 類灌區(qū)，引黃灌區(qū)有唐徠渠、秦漢渠等 17 條干渠，退排水溝道 131 條。截至 2021年7月底，寧夏共有水文監(jiān)測站點 1 858 處[1-2]。隨著信息化時代的發(fā)展，水文水資源監(jiān)測新技術、新設備也迅速發(fā)展，寧夏現(xiàn)有水文站網中，雨量、水位已全面實現(xiàn)自動在線監(jiān)測，但流量自動在線監(jiān)測技術發(fā)展緩慢，缺乏對流量自動在線監(jiān)測新設備安裝平臺的研究與創(chuàng)新，特別對于監(jiān)測斷面跨度大、環(huán)境惡劣的流量自動在線監(jiān)測設備安裝沒有很好的解決方案和案例。

根據寧夏水沙特性、環(huán)境條件，目前應用非接觸式定點雷達、側掃雷達、視頻測流等流量自動在線監(jiān)測設備較多，其中由非接觸式雷達水位計、定點雷達流速傳感器構成的非接觸雷達波流量自動在線監(jiān)測設備應用最為廣泛[3-4]，在含沙量較小的灌區(qū)取水干渠、退水排水溝，ADCP 等設備有一定應用。

以上流量在線監(jiān)測設備安裝方案中，側掃雷達、視頻測流、ADCP 等設備安裝方式簡單易行，便于設計實現(xiàn)。但雷達波流量自動在線監(jiān)測設備安裝存在以下問題：1）雷達水位計懸臂式安裝平臺安裝方式，在斷面寬的河（溝、渠）道安裝時，受中低水主流位置擺動影響，時常出現(xiàn)水位計探測不到水位的現(xiàn)象；2）定點雷達流速傳感器需跨河均勻布設；3）多個流速傳感器，還須均勻布設。因此，非接觸式雷達波流量自動在線監(jiān)測設備實踐中，雷達水位計、定點雷達流速傳感器均須跨河安裝，且安裝位置可根據斷面水流變化情況靈活調整，因此有必要開展非接觸式雷達波流量自動在線監(jiān)測設備跨河安裝平臺（以下簡稱安裝平臺）的研究與探索。本研究選擇寧夏地區(qū)的 4 處天然河流、17 處引黃灌區(qū)取水干渠和排水溝等具有代表性的監(jiān)測站點，圍繞高含沙量水體、惡劣環(huán)境情況，研究不同跨度河（溝、渠）道安裝平臺設計思路，提出提高監(jiān)測設備安裝穩(wěn)定性和數據監(jiān)測可靠性的解決方案，為提升水文水資源監(jiān)測信息化水平積累實踐經驗。

1 安裝平臺現(xiàn)狀分析與總體思路

1.1 現(xiàn)狀分析

目前常見的橫跨河（溝、渠）道斷面非接觸式水位、流量自動在線監(jiān)測設備的安裝平臺主要有以下 3 種： 1）帶立柱鋼桁架。寧夏等西北地區(qū)綜合水網含沙量高，漂浮物多，部分天然河（溝）道洪水為泥石流，鋼桁架加立柱容易破壞監(jiān)測斷面穩(wěn)定的水流流態(tài)，影響流量測驗精度，增大人工除草除雜物工作量，對河道行洪和測洪安全增加不利因素，因此帶立柱鋼桁架安裝平臺在寧夏地區(qū)實用性不高。2）公路橋梁。大多數情況下，難以有橋梁供測流應用；且公路橋梁安裝儀器設備，過橋車輛震動會影響測量數據穩(wěn)定性和準確性。3）跨河索道?？绾与p索道自動在線設備安裝方式，易受惡劣氣候條件影響，在惡劣的氣候條件下使用，設備安裝缺乏穩(wěn)定性，難以保證測驗精度。

1.2 總體思路

圍繞傳統(tǒng)非接觸式雷達波流量自動在線監(jiān)測設備安裝方式中存在的問題與不足，選擇在寧夏地區(qū)天然河流和引黃灌區(qū)干渠具有代表性的監(jiān)測站點進行試點探索與實踐，并根據不同跨度、環(huán)境條件對水文監(jiān)測斷面分級研究設計安裝平臺。非接觸式流量自動在線監(jiān)測設備僅有傳感器部件進行跨河安裝，傳感器部件質量很小，主要負荷為設備安裝平臺自身質量，在寧夏含沙量高、漂浮物多的水體情況，以及風期長、風級大的環(huán)境條件下，安裝平臺類型選擇如下：當河（溝、渠）斷面跨度大于 65 m 時，宜設計穩(wěn)定性高的索道式設備安裝平臺；當斷面跨度在 15～65 m 之間時，宜設計拓展性強的鋼桁架設備安裝平臺；當斷面跨度在 15 m 以下時，可設計性價比高、施工便捷的龍門架設備安裝平臺。

2 安裝平臺設計思路

2.1 索道式設備安裝平臺

當寧夏河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度大于 65 m時，無柱式鋼桁架安裝設備很難實現(xiàn)，一方面成本造價倍增，另一方面設計施工難度巨大。對于此類大跨度監(jiān)測斷面的非接觸式流量在線自動監(jiān)測設備的安裝，最重要的是解決跨河安裝，且保證在惡劣氣候環(huán)境下設備傳感器穩(wěn)固可靠問題。本研究實踐“主索懸掛安裝、副索斜拉穩(wěn)定”的索道式設備安裝平臺：將多個雷達流速、水位傳感器安裝在跨河（溝、渠）道主索道上，并以兩岸上下左右多條副索斜拉，提高設備安裝穩(wěn)定性；風速風向儀、RTU機箱、太陽能板與電池等附屬設備則在岸邊采用支架布設安裝，從而實現(xiàn)河（溝、渠）道大跨度斷面流量自動在線監(jiān)測設備的安裝。選擇天然河（溝）道監(jiān)測站點 2 處開展研究實踐，分別為賀蘭山東麓山洪溝道蘇峪口水文站（監(jiān)測斷面跨度為 72 m），大武口水文站（監(jiān)測斷面跨度為 101 m）；選擇引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點 1 處，為唐徠渠水文站（監(jiān)測斷面跨度為 66 m）。

2.2 無柱式鋼桁架設備安裝平臺

對于河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度在 15～65 m之間的非接觸式流量自動在線監(jiān)測設備的安裝，若符合生態(tài)保護需求和現(xiàn)場施工條件，考慮到自動在線監(jiān)測設備的更新拓展、運行維護和數據比測便利，可優(yōu)先探索實踐無柱式鋼桁架設備安裝平臺，實現(xiàn)雷達水位計、定點雷達流速傳感器、風速風向儀、RTU 機箱、太陽能板與電池的靈活布設安裝，安裝示意圖如圖 1 所示。無柱式鋼桁架的鋼結構和混凝土基礎尺寸應按照河（溝、渠）斷面跨度、鋼桁架自身質量、儀器設備等各類荷載進行設計。選擇 2 處天然河（溝）道監(jiān)測站點開展研究實踐，分別為黃河一級支流清水河泉眼山水文站（監(jiān)測斷面跨度為 58 m），賀蘭山東麓山洪溝道汝萁溝水文站（監(jiān)測斷面跨度為 63 m）；選擇 9 處引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點開展研究實踐，斷面跨度均在 15～65 m 之間。

圖1 無柱式鋼桁架設備安裝示意圖

2.3 龍門架設備安裝平臺

對于河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度在 15 m 以下的非接觸式流量自動在線監(jiān)測設備的安裝，考慮到設備安裝穩(wěn)定，施工便捷，探索采用龍門架設備安裝平臺，實現(xiàn)雷達水位計、定點雷達流速傳感器、風速風向儀、RTU 機箱、太陽能板與電池的布設安裝。龍門架設備安裝平臺支架采用直徑為 900 mm 的鍍鋅鋼管，橫梁底部高程高于最高水位 2 m 以上，保證儀器設備安裝可靠、監(jiān)測數據穩(wěn)定、設備安全即可。選擇 7 處引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點開展研究實踐，龍門架安裝示意圖如圖 2 所示。

圖2 龍門架設備安裝平臺安裝示意圖

3 索道式設備安裝平臺設計研究

索道式安裝平臺與鋼桁架、龍門架安裝平臺的主要區(qū)別是適用于寧夏河（溝、渠）斷面跨度大于65 m 的流量自動在線監(jiān)測設備安裝，具有投資小、穩(wěn)定性高、應用廣泛的特點，而且索道式設備安裝平臺的創(chuàng)新度高，設計與安裝工藝要比鋼桁架、龍門架設備安裝平臺復雜，故重點介紹索道式設備安裝平臺。

索道式設備安裝平臺在唐徠渠三棵樹、賀蘭山東麓蘇峪口水文站、大武口 3 個水文站進行了探索與實踐。通過 2 a 多的實踐，索道式設備安裝平臺能保證所搭載的雷達水位計、定點雷達流速傳感器等多個設備傳感器在寧夏惡劣環(huán)境下的安裝穩(wěn)定性，監(jiān)測的流量數據精度符合要求。

研究的索道式設備安裝平臺主要包括岸上部分、架空索道、儀器傳感器安裝架、索道穩(wěn)定架 4 個部分。岸上部分包括塔架（柱）及基礎、錨碇、避雷接地裝置等，架空索道包括水平主索道（承載索），以及水平和斜拉輔助索。

3.1 基礎部分設計

索道式設備安裝平臺固定索道的塔架（柱）基礎形式采用固接基礎，基礎必須建在該河（溝、渠）道歷史最高水位 0.5 m 以上?；A混凝土體三方尺寸參照 SL 622—2014《水文纜道設計規(guī)范》，并依據監(jiān)測斷面河（溝、渠）道自然地質現(xiàn)狀因素及寬窄等數據計算設計，滿足整體抗傾覆的要求即可[5]。

3.2 懸掛塔架設計

懸掛塔架（柱）是索道式設備安裝平臺的承載受力部件，依據河（溝、渠）道的自然地理特性、地形、地質和氣候條件等影響因素，尤其是風力風向和雷電情況，選擇合適材料及尺寸。一般可采用鋼結構，也可直接采用鋼筋混凝土結構。跨河（溝、渠）自動在線監(jiān)測設備安裝平臺設計圖如圖 3 所示。

圖3 跨河（溝、渠）自動在線監(jiān)測設備安裝平臺設計圖

3.3 索道設計

1）主索道（承載索）設計。主索道（承載索）用于安裝儀器設備。本索道式安裝平臺的水平主索道（承載索）及輔助索道均采用強度高、彈性模量大、抗扭轉抗滑移性能好的鍍鋅鋼絞線設計。鋼絞線的直徑依據監(jiān)測斷面的跨度大小及氣候影響因素控制在 4.8～6.9 mm 之間，滿足抗拉極限強度設計要求即可。

2）斜拉輔助索設計。寧夏水文水資源監(jiān)測站點位置偏僻，氣候環(huán)境惡劣，設計斜拉輔助索，通過斜拉穩(wěn)定的方式，提高索道式設備安裝平臺的抗風穩(wěn)定性。斜拉輔助索有上提斜拉和水平斜下拉 2 種類型，斜拉輔助索道的安裝數量視監(jiān)測斷面的各種影響因素而定。

3.4 固定架設計

儀器傳感器安裝架及索道穩(wěn)定架統(tǒng)稱為固定架。儀器安裝架用于懸掛安裝非接觸水位、流速等監(jiān)測傳感器，索道穩(wěn)定架用于支撐穩(wěn)定索道，且為斜拉輔助索道提供接口（斜拉輔助索從索道穩(wěn)定架處安裝，防止索道變形）。為減小水平主索道的自身質量及風力對儀器傳感器安裝架的影響，安裝架及索道穩(wěn)定架在相同的抗扭強度下，優(yōu)選具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕和較好的抗晶間腐蝕性能的材料，盡可能地減小受風面，以保證索道及探頭的穩(wěn)定。儀器傳感器安裝架及索道穩(wěn)定架設計圖分別如圖 4 和 5 所示。

圖4 儀器傳感器安裝架設計圖

圖5 索道穩(wěn)定架設計圖

3.5 循環(huán)系統(tǒng)設計

對斷面跨度適中，有特殊需要，中低水易分叉，長期有水不便于檢修維護，氣象條件相對較好的監(jiān)測站點，可選擇加裝循環(huán)系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)傳感器位置靈活調整，便于跟蹤監(jiān)測，循環(huán)式設備安裝平臺設計圖如圖 6 所示。循環(huán)系統(tǒng)可以是手動的，也可以是電動的，還可以是遠程遙測的。

圖6 循環(huán)式設備安裝平臺設計圖

4 結語

本研究針對寧夏水系類型復雜、站點偏遠、環(huán)境惡劣、自動在線監(jiān)測設施設備運維難度大等實際，分析各類流量自動在線監(jiān)測設備的安裝需求，重點研究非接觸式雷達波流量自動監(jiān)測設備（雷達水位計、流速傳感器等設備）的安裝平臺。通過在寧夏最大的黃河一級支流清水河泉眼山水文站，賀蘭山東麓山洪溝道代表站蘇峪口、大武口、汝萁溝水文站，以及 17 條引黃灌區(qū)取水監(jiān)測斷面進行流量自動在線監(jiān)測設備安裝探索與實踐，提出不同斷面跨度和環(huán)境因素下的河（溝、渠）索道式、無柱式鋼桁架、龍門架等 3 種安裝平臺穩(wěn)定性問題的解決方案。研究結果表明：本研究探索的 3 種安裝平臺，在天然河（溝）道、灌區(qū)渠道、排水溝道等監(jiān)測站不同跨度及環(huán)境條件下都具有很強的適用性和可靠性，避免了帶支柱鋼桁架設備安裝方式破壞水流流態(tài)、阻礙行洪、易掛水草，公路橋梁安裝方式受橋體震動干擾大，以及常規(guī)索道設備安裝方式受惡劣氣候條件影響擺動大、穩(wěn)定性差等諸多影響流量自動監(jiān)測精度的問題。

本項研究與實踐形成了一套較為完整的非接觸式雷達波流量自動在線監(jiān)測設備安裝平臺技術體系，為寧夏及西北其他條件相似地區(qū)的河（溝、渠）非接觸式流量自動在線監(jiān)測設備的安裝探明了方向，積累了實踐經驗，為開展水文水資源現(xiàn)代化監(jiān)測提供了有效保障[6]，具有很高的推廣應用價值。但本設備安裝平臺僅限于非接觸雷達波流量自動在線監(jiān)測設備安裝探索與實踐，今后還需在含沙量自動在線監(jiān)測等設備安裝方面進行擴展性研究。