智慧分區(qū)流量測驗(yàn)方法在基本水文站的應(yīng)用及研究

高利倫

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 墨脫水文站位置概況

雅魯藏布江是中國最長的高原河流，位于西藏自治區(qū)境內(nèi)，也是世界上海拔最高的大河之一。雅魯藏布江發(fā)源于西藏西南部喜馬拉雅山北麓的杰馬央宗冰川，上游稱為馬泉河，由西向東橫貫西藏南部，繞過喜馬拉雅山脈最東端的南迦巴瓦峰轉(zhuǎn)向南流，經(jīng)巴昔卡出中國境。其水能蘊(yùn)藏量豐富，在中國僅次于長江。

從派鄉(xiāng)到墨脫縣希讓村長220多km的河段內(nèi)，河床下降了2 200 m，平均1 km內(nèi)跌落約10 m。奔騰的江流在迂回曲折的峽谷中奔流，蘊(yùn)藏著充沛的水力資源，而這大拐彎峽谷的地貌形成，又為豐富水力資源的開發(fā)利用提供了難能可貴的條件。經(jīng)初步計(jì)算，大拐彎峽谷中的水力資源占整個(gè)雅魯藏布江水力資源的2/3以上。

基本水文站位于墨脫縣德興鄉(xiāng)境內(nèi)，距離下游雅魯藏布江大拐彎出口希讓村40 km左右，在這40 km河段，只有雅魯藏布江一級支流白馬西路河匯入，在目前經(jīng)濟(jì)社會條件下，匯入口下游交通十分不便，不具備水文站工作人員生活生產(chǎn)條件。出于可操作性的前提，墨脫站基本可以充當(dāng)大拐彎的出口門戶水文站，對了解整個(gè)大拐彎的水情信息具有較好的作用。

2 墨脫基本水文站概況

基本站的外業(yè)人員居住站房與測驗(yàn)站房分開布置，站內(nèi)有常規(guī)纜道一座，供流速儀流量測驗(yàn)使用，枯水期聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）亦可纜道水平運(yùn)行模式下使用。水文站還布置有簡易跨河纜索一根，供雷達(dá)波流量測驗(yàn)使用；遠(yuǎn)程自動記錄水位計(jì)一臺，可以自動提供整時(shí)水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)绞謾C(jī)終端；自動記錄水位計(jì)一臺（非遠(yuǎn)程傳輸），用以數(shù)據(jù)校正及保障數(shù)據(jù)不因客觀原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺損。

圖1 基本水文站位置Fig.1 Location of basic hydrological station

3 基礎(chǔ)站大斷面描述

由于墨脫縣沒有國家水準(zhǔn)控制點(diǎn)，目前基本站高程采用假定基面高程。根據(jù)12年實(shí)測資料，在大斷面控制處，年水位變幅為14.02 m，枯水期河面寬度在160 m。根據(jù)基本站建站前初步勘察測量，枯水期表面最大流速為3 m/s左右，洪水期最大推算流速為8 m/s以上。大斷面枯水位以下為砂礫石河床，枯水常年水位以上河底為巨型塊石。洪水期水面常有巨型浮木。大斷面圖見圖2。

圖2 墨脫基本水文站大斷面圖Fig.2 Large section of Motuo basic hydrological station

4 基本站常年水情

根據(jù)站點(diǎn)建設(shè)前初步勘察及結(jié)合雨情初步推算，雅魯藏布江流量變幅很大，從枯水期的800 m3/s到洪水期超過10 000 m3/s，流量變動幅度極大。每年的枯水期從10月份到次年3月份，在此期間水位變化不大；從4月份開始，水位逐步上漲，流量也隨之增大；到6月份，整個(gè)流域進(jìn)入雨季，河水出現(xiàn)暴漲暴落的情況，豐水期來臨，此種情況一直持續(xù)到9月份；從9月份開始，水位逐漸回落。

5 基本站流量測驗(yàn)儀器配備情況及測流過程

基本站按照建站規(guī)范要求，配備了常規(guī)纜道，并且為纜道配備了智能控制臺，該設(shè)備具有技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、操作簡便等特點(diǎn)，符合水利部水文纜道建設(shè)規(guī)劃，適用于大中型河流的傳統(tǒng)流量測驗(yàn)，為基本站流速儀流量測驗(yàn)提供了設(shè)備基礎(chǔ)。

水文纜道智能測控臺主要由水文絞車交流變頻無級調(diào)速控制、PLC可編程控制系統(tǒng)、智能纜道測距和無線測流等組成,可實(shí)現(xiàn)對測流鉛魚的出車、回車、下降、提升的無級變速控制和自動減速停車控制，出車、回車和下降、提升的位置測量、顯示，以及在全斷面范圍內(nèi)的流速測量和計(jì)算等功能?？刂婆_設(shè)有測點(diǎn)自動減速停車、水面信號復(fù)位和河底信號返彈停車功能。智能纜道測流系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 墨脫基本站纜道示意圖Fig.3 Cableway of Motuo basic hydrological station

ADCP是一種新型流量測驗(yàn)設(shè)備，可以測量距其一定范圍內(nèi)的許多點(diǎn)的流速。一臺ADCP可以替代許多臺機(jī)械式電磁式流速儀，能測量河道流速的三維分量：Vx、Vy、Vz。ADCP基于公式（1）計(jì)算流量：

式中：Q為流量；s為河流某斷面面積；u為河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；ξ為作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；ds為河流斷面上微元面積。

雷達(dá)波無線測流機(jī)器人的雷達(dá)波流速傳感器安裝在水面上方50 m內(nèi)，面向來水方向發(fā)射雷達(dá)波，方向盡量與水流一致，俯仰角通常設(shè)為45°。此種測流方法是基于浮標(biāo)測流原理，整合雷達(dá)測速技術(shù)和機(jī)械的遠(yuǎn)程智能控制資源而設(shè)計(jì)的一種流量自動測驗(yàn)儀器。雷達(dá)波流量測驗(yàn)示意圖見圖4。

圖4 雷達(dá)波測流機(jī)器人流量測驗(yàn)示意圖Fig.4 Flow measurement by radar wave measurement robot

由于墨脫縣城條件差，能源供應(yīng)十分落后，基本站為測流系統(tǒng)配備了專用發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)發(fā)電帶動纜道控制系統(tǒng)及纜道循環(huán)系統(tǒng)，流速儀借助纜道平臺，在大斷面不同的垂線上升降，測量垂線點(diǎn)流速，進(jìn)行流量測驗(yàn)。ADCP測船也是借用纜道的單水平運(yùn)行模式，浮動于水面，以探頭發(fā)射短波信號，進(jìn)行流量測驗(yàn)。雷達(dá)波測流機(jī)器人自帶充電動力系統(tǒng)，可通過雷達(dá)波專用纜道，在不與水接觸的情況下，完成流量測驗(yàn)。

6 各流量測驗(yàn)儀器優(yōu)缺點(diǎn)及對比

利用流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)是我國水文測驗(yàn)的傳統(tǒng)方法，其技術(shù)成熟、單點(diǎn)測驗(yàn)精度高，可以適應(yīng)較大的流量測驗(yàn)區(qū)間。但受控于垂線及垂線測點(diǎn)的密度分布有限，加上紊流狀態(tài)下流速分布的不均勻性，其測流精度不高，測次之間的中誤差較大。此外，由于全是機(jī)械物理運(yùn)轉(zhuǎn)，單次測驗(yàn)耗時(shí)較長。

ADCP測驗(yàn)精度高、測驗(yàn)歷時(shí)短、不同的運(yùn)動軌跡不影響測流效果。ADCP的缺點(diǎn)為在大斷面過流量超過一定量后，水流流態(tài)進(jìn)入高度紊流狀態(tài)，ADCP測驗(yàn)就會出現(xiàn)盲區(qū)，使測驗(yàn)質(zhì)量大大降低。此外，ADCP儀器貴重，在洪水期江面有浮木等情況下，容易造成儀器損傷。

雷達(dá)波測流以非接觸方式測流流速，不受空氣溫度、濕度、降雨、水深、渾水、水面漂浮物影響，適合山區(qū)性河流、洪水期和特殊水情下的流量測驗(yàn)。但雷達(dá)波測流也存在著缺點(diǎn)：由于其基于浮標(biāo)測流的原理，測驗(yàn)精度較低，尤其在枯水期，河面流速誤差更大，導(dǎo)致測驗(yàn)精度比豐水期低。此外，雷達(dá)波測驗(yàn)過程是將雷達(dá)波測驗(yàn)機(jī)器人懸掛于河面以上，受到河谷季風(fēng)的影響較大，尤其是在墨脫基本站的春季，河道季風(fēng)盛行，雷達(dá)波機(jī)器人測驗(yàn)流量受到很大的限制。

各個(gè)儀器測流的對比見表1。

表1 各流量測驗(yàn)儀器對比Table 1 Comparison of some flow measurement instruments

其中，流速儀測流歷時(shí)最長，測驗(yàn)過程最為復(fù)雜；測流機(jī)器人由于不與水面接觸，雖然歷時(shí)較ADCP長，但是，不依賴外部動力源，測流過程簡捷迅速；ADCP歷時(shí)最短，測驗(yàn)精度也是最高。

7 流量測驗(yàn)智慧分區(qū)描述

根據(jù)基本站的水雨情、儀器的優(yōu)缺點(diǎn)、測驗(yàn)成本及測驗(yàn)過程的外部因素影響，把大斷面按照每個(gè)水文年里不同時(shí)期的水位流量特征進(jìn)行分區(qū)，在不同的斷面區(qū)間選擇合適的流量測驗(yàn)儀器，對大斷面進(jìn)行智能化分區(qū)，使整個(gè)流量測驗(yàn)過程效率更高、精度更高。

在枯水期，此時(shí)期歷時(shí)較長，水位變幅不大，測驗(yàn)精度要求高，此區(qū)域定義為C區(qū)，這個(gè)區(qū)域流量測驗(yàn)的儀器選擇ADCP測船，測船精度高，可以辨識水位微小變化下的流量變化。

枯水期過后，水位上漲，但變幅不大，河道水流向更加紊亂發(fā)展，但是還沒有達(dá)到豐水期的超級紊流，ADCP測船依然可以發(fā)揮作用，定義此區(qū)間為D區(qū)。

隨著降雨增加、水位上漲、水流紊亂度提高，ADCP的測驗(yàn)功能逐漸喪失，這個(gè)時(shí)段選擇傳統(tǒng)的流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)。由于水位變動幅度適中，流速儀能達(dá)到很好的測驗(yàn)效果，定義這個(gè)區(qū)域?yàn)锽區(qū)，在這個(gè)區(qū)域，智能纜道系統(tǒng)將發(fā)揮主要作用。

隨著雨季的來臨，降雨大幅增加、河水暴漲，并且出現(xiàn)非常洪水。由于流速儀要深入水下，提升、下降等過程增加了測驗(yàn)難度及測驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，因此最好選擇一種不與水流接觸的測驗(yàn)儀器。這個(gè)適合測流機(jī)器人的區(qū)域定義為A區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，河面相對更為寬闊、水面流速大，測速雷達(dá)的精度更高，流量精度在這個(gè)區(qū)域也要高于其他區(qū)域。

分區(qū)描述見表2。根據(jù)測流整體因素考慮，將大斷面不同水位的流量測驗(yàn)以分區(qū)的形式劃歸到不同測驗(yàn)儀器的使用上，分區(qū)情況如圖5所示。

表2 儀器與大斷面分區(qū)對照表Table 2 Corresponding relation between instrument and section zoning

圖5 墨脫基本水文站大斷面分區(qū)圖Fig.5 Section zoning of Motuo basic hydrological station

8 結(jié)語

筆者基于生產(chǎn)實(shí)踐，將常用流量測驗(yàn)儀器與水文站大斷面之間建立聯(lián)系，使得流量測驗(yàn)這一常用的野外工作得以智慧化地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也為雅魯藏布江大拐彎的出口提供了一個(gè)智慧化的水文量測系統(tǒng)。