四川省中小河流水文監(jiān)測中流量自動測驗技術(shù)淺談

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(四川省水文水資源勘測局，成都，610036)

自2010年以來，四川省先后建成自動雨量站2586個、自動水位雨量站244個，目前新建的208個水文站正在緊鑼密鼓的進行中。中小河流水文站主要是對雨量、水位及流量三大要素的監(jiān)測，總體思路是水位、雨量實現(xiàn)全自動監(jiān)測，而流量則采取自動監(jiān)測與人工測驗相結(jié)合的方式實現(xiàn)。

1 技術(shù)背景

1.1 技術(shù)原理

在四川省中小河流水文自動監(jiān)測系統(tǒng)中，降雨量均采用翻斗式雨量傳感器實現(xiàn)自動采集，水位通常根據(jù)各測驗河段情況選用氣泡、雷達、浮子等水位傳感器實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)自動采集，流量數(shù)據(jù)則通過聲學(xué)多普勒流速剖面儀(H-ADCP)和電波流速儀等實現(xiàn)指標(biāo)流速自動采集，再由流量自動處理終端實現(xiàn)在站流量解算，最終達到流量自動監(jiān)測的目的。

1.2 技術(shù)特點

目前，國際、國內(nèi)應(yīng)用于河道流量自動監(jiān)測的設(shè)備主要有接觸式與非接觸式兩大類。

接觸式分為層指標(biāo)流速與垂線指標(biāo)流速的采集。層指標(biāo)流速采集設(shè)備有水平聲學(xué)多普勒流速剖面儀(H-ADCP)、時差法超聲波流速儀等；垂線指標(biāo)流速采集有河底安裝聲學(xué)多普勒流速剖面儀(V-ADCP)等。這些設(shè)備長期固定在水下某一特定位置監(jiān)測代表流層(垂線)的指標(biāo)流速，根據(jù)測時水位的過水?dāng)嗝婷娣e計算得到斷面流量。

對于H-ADCP來講，由于傳感器固定于河岸水下某一特定位置，其監(jiān)測的是所在位置那一水平代表流層的水層流速，當(dāng)水位上漲或下降到一定位置時，所監(jiān)測的層指標(biāo)流速將發(fā)生改變。這種改變的規(guī)律性，通常要通過大量的率定分析才能獲得，實踐中存在較大的困難，同時，因受傳感器的波束角與波束開角限制，該設(shè)備對測驗斷面形狀也有一定要求。因此，該設(shè)備僅適用于一定水位變幅范圍內(nèi)的流速自動監(jiān)測。

對于V-ADCP來講，由于傳感器需安裝于河床底部具有代表性的垂線位置，監(jiān)測該位置的垂線指標(biāo)流速，而四川省大多數(shù)中小河流具有比降大、流速大、河床沖淤變化較大、洪水中夾帶較多的推移質(zhì)及各種暗浮等特性，該設(shè)備安裝于河底時，其傳感器、數(shù)據(jù)通訊電纜等在水下的安全得不到保障，因此未選用V-ADCP。

非接觸式是利用電波流速儀采集水流表面流速，由于該設(shè)備是利用多普勒效應(yīng)向水面發(fā)射電磁波，電磁波在遇到與水流速度密切相關(guān)的波浪質(zhì)點運動速度時產(chǎn)生散射，在電磁波有效發(fā)射距離范圍內(nèi)，部分反射的電磁波產(chǎn)生頻率偏移的回波被傳感器接收，由多普勒頻率方程換算成水流表面流速。由此可見，電波流速是靠電磁波借助于水面波浪產(chǎn)生的回波來監(jiān)測水面流速，并且電磁波的發(fā)射距離也是有限的。特別是在低水時，電磁發(fā)射距離過遠、流速過小而導(dǎo)致在水面波浪很小的情況下，電磁波所產(chǎn)生的散射較多，回波較少，所采集的水面流速就會失真，由多普勒頻率方程所換算的水流表面流速也就失去代表性。因此，該設(shè)備對河道水面波浪與測量距離等是有一定的要求。而四川省中小河流在中高水時所具有的大比降、大流速，隨水流產(chǎn)生的大波浪等特點，滿足電波流速儀的運行條件，再借助于輔助設(shè)施安裝，就可長期在線監(jiān)測測驗河段的水面指標(biāo)流速。

以上兩種測流方式，其原理不同，適應(yīng)邊界條件也不同。根據(jù)上述兩類水流速自動監(jiān)測設(shè)備的工作原理與運行條件，再加上合理地應(yīng)用穩(wěn)定的水位～流量關(guān)系推流，發(fā)揮各種技術(shù)手段的優(yōu)勢，對其進行合理組合、取長補短，方可實現(xiàn)河道流量全變幅自動監(jiān)測。

1.3 技術(shù)方案

針對四川省中小河流特性以及已建水情信息組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合逐漸應(yīng)用的水流速自動監(jiān)測設(shè)備H-ADCP和電波流速儀的工作原理和特性，在枯水利用水位～流量關(guān)系查線法獲取流量，中低水利用H-ADCP層流速自動監(jiān)測、中高水利用電波流速儀水面流速自動監(jiān)測(如圖1所示)，按流速面積法獲得斷面流量。采取這三種流量獲取手段相結(jié)合的技術(shù)方案，達到河道全變幅流量自動監(jiān)測的目的。

這三種流量獲取手段的啟用與相互間的切換，由自動流量處理終端根據(jù)水位變化情況及預(yù)設(shè)的運行機制實現(xiàn)自動控制。

2.集成與應(yīng)用

2.1 技術(shù)路線

H-ADCP和電波流速儀的主要功能是自動采集層指標(biāo)流速與水面垂線指標(biāo)流速，將指標(biāo)流速帶入事先率定的公式計算斷面平均流速，再依據(jù)監(jiān)測時的水位和監(jiān)測斷面換算的斷面面積計算而得斷面流量。

由于全省新建208個中小河流水文站，各水文站自動采集數(shù)據(jù)又以一采三發(fā)的方式向縣(區(qū))、市(州)、省中心平臺中發(fā)送水情數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)的唯一性，采取由各水文站現(xiàn)地自動計算斷面流量，再由數(shù)據(jù)采集終端(RTU)通過信息傳輸信道，將實時水位、流量等水文要素上傳到在線中心站為實時流量獲取的最佳方案。

結(jié)合不同的測驗河段特性，分為三種組合方式：H-ADCP &電波流速儀、單電波流速儀、單H-ADCP，實現(xiàn)水文站自動流量測驗。

2.1.1 H-ADCP &電波流速儀

當(dāng)測驗斷面適合H-ADCP運行條件，同時在測驗河段有條件借用或架設(shè)專用過河纜道的條件下，在同一流量監(jiān)測河段按H-ADCP與電波流速儀雙配置的流速采集設(shè)備方案實現(xiàn)河道指標(biāo)流速自動采集(如圖1所示)。

圖1 H-ADCP &電流流速儀

2.1.2 單電波流速儀

該配置是當(dāng)流量監(jiān)測斷面因枯季水位非常低，且會出現(xiàn)斷流情況，而高水流速、泥沙又比較大的測驗河段時，僅借助跨河橋梁、架設(shè)專用過河設(shè)施或支架固定安裝一個或多個電波流速儀，實現(xiàn)水面垂線指標(biāo)流速自動監(jiān)測的一種配置方案。

2.1.3 單H-ADCP

該配置是指在無法借用或不允許架設(shè)專用過河設(shè)施，且測驗河段常年過水情況、水位變幅等相關(guān)因素都能滿足H-ADCP監(jiān)測條件的測驗河段，僅采取單一的H-ADCP實現(xiàn)代表層指標(biāo)流速的自動監(jiān)測。

2.2 運行機制

2.2.1 水位～流量關(guān)系線

水位～流量關(guān)系線法是在枯季水位低至如圖2所示狀態(tài)時，H-ADCP或電波流速儀所測指標(biāo)流速已經(jīng)不具有代表性、自動監(jiān)測設(shè)備出現(xiàn)故障、水位變幅達不到實時監(jiān)測要求等情況下，則采取水位～流量關(guān)系查線法獲取斷面流量。

圖2 H-ADCP枯水監(jiān)測狀態(tài)

2.2.2 H-ADCP實時監(jiān)測

當(dāng)水位上漲至H-ADCP所監(jiān)測代表流層的層流速具有代表性的水位區(qū)域時，啟用H-ADCP進行層指標(biāo)流速自動監(jiān)測(如圖3所示)，然后采用流速面積法換算斷面流量，從而達到流量自動采集的目的。

圖3 H-ADCP層流速監(jiān)測狀態(tài)

2.2.3 電波流速儀實時監(jiān)測

隨著水位上漲至中水以上時，水面流速加快，河流水面隨之產(chǎn)生波浪，其流態(tài)逐漸開始滿足電波流速儀自動監(jiān)測條件，由于H-ADCP傳感器所處位置較低，其監(jiān)測指標(biāo)層流速失去代表性后，則啟用電波流速儀進行水面指標(biāo)流速自動監(jiān)測(如圖4所示)。

圖4 電波流速運行狀態(tài)

2.3 技術(shù)手段

2.3.1 設(shè)備集成

水文站自動監(jiān)測設(shè)備由采集與控制、信息傳輸、電源供電及傳感器四部分組成，分別在室內(nèi)與室外監(jiān)測斷面(點位)集成安裝。

自動采集與控制設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集終端(RTU)、流量自動處理終端(FTU)；信息傳輸設(shè)備包括通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，簡稱GPRS通信)和北斗衛(wèi)星數(shù)傳終端；電源供電設(shè)備包括蓄電池與充電控制器等，集成于專用機柜內(nèi)；太陽能電池、北斗衛(wèi)星天線等安裝于室外，采用相應(yīng)的電纜按電器接線要求電連接。

按《降水量觀測規(guī)范》要求，結(jié)合水文站具體情況安裝雨量傳感器，并與RTU通過信號電纜電連接；按《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》要求，選擇適合測驗斷面與河流特性的水位傳感器安裝，與RTU通過專用電纜實現(xiàn)電連接。

對于H-ADCP來講，由于新建水文站的水位及水流特性均未掌握，為便于后期比測率定時調(diào)整H-ADCP傳感器安裝位置以及設(shè)備維護，其安裝支架需結(jié)合測驗斷面具體情況，以能對傳感器安裝位置進行調(diào)整的方式，制作與之適應(yīng)的傾斜式或垂直式導(dǎo)軌。通常情況下，無論采用何種導(dǎo)軌，H-ADCP軸線一般應(yīng)與水流主流方向垂直，H-ADCP剖面范圍宜覆蓋整個過水?dāng)嗝?，條件不滿足時也應(yīng)過中泓。同時，傳感器固定支架要求必須牢固穩(wěn)定，當(dāng)水流沖擊時不能產(chǎn)生彈動與震動。一般來講，傳感器初設(shè)入水深度是在有效監(jiān)測水位區(qū)間距水面0.6倍位置處，與FTU通過專用電纜實現(xiàn)電連接，實施在線監(jiān)測代表水流層的層指標(biāo)流速。

對于電波流速儀來講，可分為單點、移動多點、固定多點法。單點法一般是借助于水文纜道行車(或鉛魚)、跨河橋梁、專用支架等安裝電波流速儀傳感器，以短距離無線通訊或有線方式與FTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在具有代表性的固定點位實施單垂線水面流速在線監(jiān)測，獲取斷面指標(biāo)流速。

移動多點法通常采用以下兩種方案實現(xiàn)自動監(jiān)測：一種方案是將電波流速儀安裝于水文纜道行車上，以短距離無線通訊方式與FTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，隨行車按預(yù)定點位移動實施多垂線水面指標(biāo)流速監(jiān)測，這種方案主要是在鉛魚無法入水進行高水流量測驗時，以替代傳統(tǒng)的浮標(biāo)法高水流量測驗；另一種方案是架設(shè)專用電波流速儀纜道，將電波流速儀安裝在專用行車上，由控制終端通過短距離無線通訊模塊自動控制行車按預(yù)定測驗方案，對多個預(yù)設(shè)點位逐點進行水面指標(biāo)流速在線監(jiān)測?？刂平K端通過信號電纜與FTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

固定多點法通常借助于跨河橋梁或?qū)Ｓ脵M纜(電波流速儀專用纜道)，確定多條(一般是3條)垂線位置安裝電波流速儀傳感器，以短距離無線通訊或電纜直接連接方式與FTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實施固定多點的水面指標(biāo)流速在線監(jiān)測；其點位的確定一般是在測驗斷面的左、中、右選取具有代表性的垂線位置，或是根據(jù)測驗河段水面流態(tài)初定，后期通過與人工流量測驗進行分析率定后，再對電波流速儀監(jiān)測垂線位置重新調(diào)整。

2.3.2 采集控制

水文站雨量、水位、指標(biāo)流速等的自動監(jiān)測，均由數(shù)據(jù)采集終端(RTU)按預(yù)設(shè)的運行機制自動控制。RTU每5min在雨量、水位傳感器上采集實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的水位數(shù)據(jù)傳送給流量自動處理終端(FTU)，再由FTU根據(jù)測流水位及預(yù)設(shè)的運行機制判斷，是否啟動相應(yīng)的流速傳感器。

當(dāng)符合啟用條件時，則控制流速傳感器(電波流速儀或H-ADCP等)采集指標(biāo)流速數(shù)據(jù)，依據(jù)事先設(shè)定的參數(shù)和方法計算出符合水文測驗相關(guān)規(guī)范要求的斷面流量；當(dāng)不具備啟用條件時，則根據(jù)實時采集水位通過預(yù)先置入的水位～流量關(guān)系直接推求流量。然后將實時流量、測流水位、流速傳感器工況信息等寫入輸出緩沖區(qū)，由RTU通過查詢方式獲取，再由RTU按照四川水文測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)約編報，經(jīng)信息傳輸通道(GPRS或北斗衛(wèi)星)將實時采集的雨量、水位、流量等信息傳送到在線中心站。

2.3.3 比測率定方案

(1)水位～流量關(guān)系線：在建站初期，采用比降面積與曼寧公式等方法，初擬一條水位～流量關(guān)系線，后期利用轉(zhuǎn)子旋漿流速儀、走航式ADCP等標(biāo)準(zhǔn)流量測驗設(shè)備，由人工在不同水位級進行實時施測、整編分析，再對初擬關(guān)系線進行修正。

(2)H-ADCP：利用水文纜道或走航式ADCP在不同水位級上進行流量實測，然后與H-ADCP同步實時監(jiān)測流量進行統(tǒng)計分析，推求其流速回歸方程的回歸系數(shù)，并將其置入流量自動處理終端。

表1 H-ADCP常用的流速回歸方程

其回歸系數(shù)需通過多次反復(fù)分析率定，并對置入流量自動處理終端的回歸系數(shù)進行修正直至得到基本穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。

(3)電波流速儀單點法：如果測站建設(shè)有水文纜道，一般優(yōu)先考慮采用水文纜道轉(zhuǎn)子流速儀法進行比測率定，分析流速回歸系數(shù)。在不同水位級進行移動多點同步多次流量測驗，分別計算各單次斷面流量，通過統(tǒng)計分析推求其單點垂線流速系數(shù)、綜合流速系數(shù)，再根據(jù)測驗斷面流速分布，找出具有代表性的測點位置，并將電波流速儀定位于分析確定的單點水面指標(biāo)流速監(jiān)測點位，同時將率定系數(shù)置入流量自動處理終端，從而實現(xiàn)電波流速儀單點自動監(jiān)測。

(4)電波流速儀移動多點法和固定多點法：同樣需要進行垂線流速系數(shù)、綜合流速系數(shù)的率定，其率定方法如前所述。在無水文纜道的站點，也可采用走航式ADCP或其他滿足流量測驗規(guī)范要求的方法進行比測率定。

3 結(jié)語

目前，四川省中小河流水文站均按本文所述方案進行集成與建設(shè)，為使自動監(jiān)測流量滿足流量測驗規(guī)范要求，還需要做大量的比測與率定工作。為便于率定工作的開展，在大多數(shù)水文站同時配置與建設(shè)了傳統(tǒng)的水文纜道。

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