白沙水文站現(xiàn)代化建設(shè)方案

王冰，司文青，赫超然

（1.河南省許昌水文水資源勘測局，河南 許昌 461000；2.河南省黃河流域水生態(tài)保護(hù)研究中心，河南 鄭州 450003；3.河海大學(xué)商學(xué)院，江蘇 南京 210000）

1 水文站基本情況

白沙水文站位于河南省禹州市花石鄉(xiāng)白沙水庫，1951 年設(shè)立，集水面積962 km2。 水文站建在淮河支流潁河上游,現(xiàn)有斷面5處，分別為壩上、尾水渠、溢洪道、南干渠、新北干渠。白沙水庫（壩上）控制水庫水位、蓄水量變化，尾水渠控制出庫流量，為水庫防洪調(diào)度服務(wù)。南干渠和新北干渠為農(nóng)業(yè)灌溉、企業(yè)供水提供服務(wù)。溢洪道主要作用是發(fā)生大水時(shí)泄洪。

該站（尾水渠）河段邊坡已進(jìn)行人工護(hù)砌，河槽已進(jìn)行渠道化整治，通過對尾水渠斷面2000 年以來典型年大斷面進(jìn)行套繪（見圖1），斷面基本穩(wěn)定,無明顯沖淤變化。通過對白沙水文站1956—2019年年徑流量系列資料分析可知（見圖2），該站多年年平均徑流2.70 萬m3。最大年徑流量14.90 萬m3，發(fā)生在1964年。2015—2019年尾水渠斷水。

圖1 尾水渠大斷面圖

圖2 多年徑流量柱狀圖

壩上基本水尺斷面位于大壩左岸輸水洞南15 m，設(shè)有自記水井（現(xiàn)已報(bào)廢），現(xiàn)狀水位依托直立式水尺人工觀測。南干渠位于輸水洞下200 m，為人工混凝土渠道，較順直，渠道為漿砌塊石，無沖淤塌陷現(xiàn)象。主要為灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉服務(wù)。利用測流橋進(jìn)行測流，流量較小，無測洪任務(wù)。新北干渠位于大壩東頭壩下，為人工漿砌渠道，較順直，主要為企業(yè)供水，農(nóng)業(yè)灌溉服務(wù)。利用測流橋進(jìn)行測流，流量小，無測洪任務(wù)。溢洪道位于白沙水庫溢洪道上游，溢洪道引水段底部高程為218.50 m，引水段長175 m，呈梯形斷面，渠底寬70 m，兩岸邊坡1:0.75與原地面相連。溢洪道閘門上游是水庫水面，下游幾千米是一片連綿起伏的山丘，沒有明顯的河道邊界，自白沙水庫建庫以來，溢洪道從未開閘放水。尾水渠位于白沙水庫輸水洞下游約400 m，斷面寬約55 m，為漿砌塊石斷面，斷面較順直。河底高程188.40 m，兩岸高程約191.30 m，是最常用的測流斷面，測驗(yàn)河道順直，為自然河道，兩岸為漿砌塊石護(hù)坡，河床為砂卵石，5-10月有水草影響水位流量關(guān)系。

2 水流特性及測站定位

2.1 水流特性分析

根據(jù)國家基本水文站精度劃分標(biāo)準(zhǔn)，白沙水文站屬二類站。結(jié)合1989年以來白沙水庫(尾水渠)年平均流量分布情況，采用頻率流量進(jìn)行流量級劃分。分別選取2003年和2004年作為該站的豐水代表年、2001年和2007年作為平水代表年、2002和2008年作為枯水年。

參照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》，低水流量采用各年平均流量頻率的10%即0.32 m3/s 作為標(biāo)準(zhǔn)；中水流量采用上述標(biāo)準(zhǔn)，用各年平均流量頻率的50%計(jì)算出的中水流量為1.10 m3/s，與測站實(shí)際流量年內(nèi)分布差別較大，故結(jié)合測站特性，按多年最大流量頻率的50%即62.70 m3/s作為標(biāo)準(zhǔn)，62.70 m3/s流量以上視為高水。按照此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，見表1。由表可知62.70 m3/s 流量能夠基本控制的天數(shù)占全年的比例在100%，故該站水流特性以中低水為主。

表1 流量天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 測站定位

白沙水文站基本功能定位為水災(zāi)害防御為主，兼顧水資源管理及水生態(tài)保護(hù)。主要監(jiān)測項(xiàng)目包括雨量、水位、流量、蒸發(fā)、水溫、水質(zhì)等。依據(jù)對上述典型年分析，該站以中低水流為主，因此測驗(yàn)任務(wù)在保證高洪流量監(jiān)測的同時(shí)應(yīng)梳理中低水監(jiān)測要求，提升對水資源、水生態(tài)的服務(wù)支撐。

3 測驗(yàn)方案

根據(jù)測站新定位和測驗(yàn)任務(wù)新要求，充分考慮當(dāng)前主流測報(bào)技術(shù)手段，分要素分時(shí)段確定測驗(yàn)方案如下：第一是降水，目前非汛期使用標(biāo)準(zhǔn)雨量器，汛期采用虹吸式自記雨量計(jì)及遙測雨量。該站屬整編站具有常年觀測任務(wù)，應(yīng)考慮兼容固態(tài)降水設(shè)備，因此新建雨雪一體化遙測設(shè)備（含北斗通信系統(tǒng)）1 套，更新遙測雨量計(jì)作為備份。第二是水位，目前所有斷面全部依托直立式水尺人工觀測，雖能完整控制水位變化過程，但設(shè)備單一且自動(dòng)化率極低，不滿足全時(shí)段全量程全天候在線監(jiān)測要求。因此在壩上、尾水渠、新北干渠及南干渠斷面處分別增加雷達(dá)式水位計(jì)和視頻自動(dòng)識別水尺觀測系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合人工水尺進(jìn)行日常校測，以實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)雙備份及多備份。第三是流量，目前低水時(shí)為流速儀涉水測流，中高水主要依靠走航式ADCP。其中南干渠和新北干渠利用測流橋測流，尾水渠使用纜道，纜道測洪能力為500 m3/s。由于該站已渠道化進(jìn)行河道整治，低水時(shí)也可采用水力學(xué)法推流，實(shí)現(xiàn)單指標(biāo)在線推流。大洪水期間，可選用非接觸水面測流設(shè)備，如電波流速儀、側(cè)掃雷達(dá)等進(jìn)行高洪流量監(jiān)測。最終目的實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測洪水標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)各斷面出庫流量過程，超標(biāo)洪水和應(yīng)急流量監(jiān)測時(shí)間駐測。第四是視頻監(jiān)控及通信傳輸方案，壩上基本水尺斷面現(xiàn)有高清攝像頭1處，視頻數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，水情中心通過專線，訪問測站硬盤錄像機(jī)，讀取視頻數(shù)據(jù)。計(jì)劃新建遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安防及儀器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能，同時(shí)增加壩上、尾水渠、新北干渠、南干渠4處高清攝像頭，以期對上下游河道水情及站院進(jìn)行全天候監(jiān)控。

目前，水位、流量等文本數(shù)據(jù)以GPRS通信為主、北斗通信為輔，遠(yuǎn)傳至水文測控中心，本地同時(shí)存儲(chǔ)。視頻數(shù)據(jù)只在本地存儲(chǔ)，水文測控中心通過專線方式，訪問本地硬盤錄像機(jī)，讀取視頻數(shù)據(jù)。計(jì)劃升級測站網(wǎng)絡(luò)，架設(shè)到測控中心專線，配備防火墻、路由器、交換機(jī)各1 臺，組建安全、可靠、快速專用網(wǎng)絡(luò)，提升視頻數(shù)據(jù)傳輸效率，同時(shí)配備服務(wù)器1臺，用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)及部署應(yīng)用軟件。

4 結(jié)語

白沙水文站基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，已接入農(nóng)網(wǎng)供電，供電基本有保障。附近移動(dòng)、電信、聯(lián)通等運(yùn)營商信號全覆蓋，已通過白沙水庫管理局網(wǎng)絡(luò)接入省水利網(wǎng)，基本滿足各類通信數(shù)據(jù)傳輸要求。但依然存在不少問題：雨量項(xiàng)目采用虹吸式雨量器和翻斗式雨量器進(jìn)行觀測，無法滿足降雪期自動(dòng)監(jiān)測測驗(yàn)任務(wù)要求。壩上、尾水渠、新北干渠、南干渠水位采用人工觀測，現(xiàn)代化程度極低，不滿足水位信息自動(dòng)采集與傳輸要求。流量測驗(yàn)低水采用涉水測流，纜道屬半自動(dòng)化機(jī)械纜道，自動(dòng)化程度較低，且操作臺老化，不符合河南省水文現(xiàn)代化發(fā)展思路。除此外，進(jìn)站道路未硬化，觀測場老舊。雖然配有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但沒有接入水利內(nèi)網(wǎng)，無法使用遙測數(shù)據(jù)等內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)，且未配備必要的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，無法保證數(shù)據(jù)傳輸安全性?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬低，延時(shí)高，不僅數(shù)據(jù)傳輸速率沒有保障，而且不易管理維護(hù)。這些均是白沙水文站推行水文現(xiàn)代化需解決的困難。