垂向聲學多普勒流速剖面儀自動測流系統(tǒng)警示標志應用

唐春生， 李聶貴， 李 剛， 蔣新新

(1.江蘇省水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210029； 2.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術研究中心， 江蘇 南京 210012)

流量是反映江河湖庫水量變化的基本水文資料，更是支撐防汛防旱、最嚴格水資源管理、生態(tài)河湖建設管理的重要水文要素，流量測驗的目的是取得天然河流及水利工程調節(jié)控制后的各種徑流資料。伴隨水文現(xiàn)代化的推進，傳統(tǒng)的人工測流正在逐步向自動測流轉變，流量在線自動監(jiān)測已成為實現(xiàn)水文監(jiān)測現(xiàn)代化的關鍵，流量自動監(jiān)測主要有垂向聲學多普勒流速剖面儀(V-ADCP)測流、橫向聲學多普勒流速剖面儀(H-ADCP)測流、超聲波時差法測流、雷達波測流等幾種方法。2017年，連云港水文分局在小許莊水文站恢復部署了1套垂向式基于二線能坡法的聲學多普勒自動測流系統(tǒng)，本文結合該案例主要探討一下V-ADCP自動測流系統(tǒng)警示標志的應用。

1 V-ADCP自動測流系統(tǒng)應用形勢

隨著國外新技術和設備的引進，自動測流技術飛速發(fā)展，聲學多普勒流量在線監(jiān)測系統(tǒng)已在我國很多地區(qū)得到應用[1-2]。該自動測流是在河道岸邊利用自記臺、水工建筑物，或者在河底安裝一種可以發(fā)射和接收聲波的自動測流設備，用來測驗斷面的部分流速，然后根據(jù)比測率定得到代表流速與斷面平均流速的關系，之后便可以達到不間斷自動測流的目的。該方法適用于測流斷面的河寬、水深、流速和含沙量等滿足自動測流儀器的應用條件，可以長時間連續(xù)地全自動測量。目前，聲學多普勒流量在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有V-ADCP和H-ADCP兩種，其測流原理為：聲學多普勒傳感器發(fā)射的超聲波遇到水中和水一起流動的懸浮物會產生反射，部分聲波反射至發(fā)射端被聲學多普勒流速測量傳感器接收，且反射回來的聲波頻率隨流速的大小而發(fā)生變化，根據(jù)頻率大小可計算出各層水流某一段上各點的矢量流速，通過比測率定建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關系，測量水深并根據(jù)水深和儀器安裝高程算出水位，由“水位-過水面積關系表”得到過水面積，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀利用聲學多普勒流速測量傳感器提供的流速數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)采用“指標流速法”實時計算流量，或用流量計算模型直接計算流量。由于V-ADCP采用垂向式安裝、代表垂線測流，與人工測流普遍使用的流速儀代表垂線法測流原理一致，因此得到了較為廣泛的的推廣應用，江蘇省水文水資源勘測局在全省多處水文測站建設了V-ADCP自動測流系統(tǒng)，僅在連云港水文分局就安裝部署了5套，分別位于大興鎮(zhèn)、小許莊、臨洪、臨洪(東)、小吳場5個測流斷面。

V-ADCP自動測流系統(tǒng)是在測流斷面的測速垂線起點距的河床[3-4]，采用混凝土塊或混凝土樁或其他材料進行施工，構造固定垂向式ADCP的基礎，為了便于安裝、調整、維護維修，一般在固定垂向式ADCP的基礎上安裝升降套件，從而可以方便地把V-ADCP傳感器從河底升至水面，從水面降至河底，V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝剖面示意圖如圖1所示。

圖1 V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝剖面示意圖

2 V-ADCP自動測流系統(tǒng)應用存在問題

2015年，水文部門在薔薇河小許莊水文站、蘇魯省界斷面新沭河大興鎮(zhèn)水文站各建設安裝了1套基于二線能坡法的在線流量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

小許莊水文站屬國家基本水文站，位于江蘇省東?？h房山鎮(zhèn)尚仁莊村，設立于1956年7月，集水面積477 km2，該站屬省級重要水文站，也是連云港市防汛調度的重要報汛站，擔負著薔薇河的水情測報任務。測驗河段基本順直段長度約1 000 m，測驗斷面為復式斷面，總寬176 m，主槽寬60 m，兩岸灘地寬共90 m，灘地為雜草。斷面兩岸為黏土，河底為砂礓，河床沖淤變化不大。

大興鎮(zhèn)水文站屬國家基本水文站，位于山東省臨沭縣大興鎮(zhèn)大興一村，設立于1951年4月，集水面積5 108 km2，該站為石梁河水庫上游干流入庫控制站、國家級重要水文站，也是石梁河水庫防汛調度的重要報汛站及水文預報重要站。測驗河段基本順直段長度約1 100 m，測驗斷面為復式斷面，總寬379 m，右岸60 m為灘地。斷面左岸為風化砂巖，右岸為沙壤土，右岸有坍塌現(xiàn)象。河床沖淤變化較大，加上采砂影響，測驗斷面河底高程有逐漸降低趨勢，中泓左右擺動，中高洪水時斷面水流流向不正。

每套系統(tǒng)均配備2個ADCP傳感器及1個V-ADCP主機，ADCP傳感器固定安裝在河道斷面底部距兩岸約1/4處，因V-ADCP控制柜安裝在測站纜道房內，考慮到安裝成本，數(shù)據(jù)線纜沿河底從同側河堤上岸敷設至監(jiān)測站房。主機可以連接計算機進行數(shù)據(jù)采集，或者連接測流控制器進行在線實時數(shù)據(jù)采集。建成初期正常運行，之后在很短的時間內，由于河道疏浚以及行船拖拽等影響，小許莊和大興鎮(zhèn)水文站自動測流設備均損壞，分析原因主要有：一是傳感器安裝在水下，水面以上沒有任何警示標志，河道疏浚施工人員及船只駕駛人員不知道水下有傳感器及過河線纜，因而造成與水下傳感器的碰擦；二是線纜從一側河堤上岸，右岸一側傳感器線纜穿過中泓從左岸側接入站房，行船在拖錨行駛的情況下會拽斷中泓底部的傳感器線纜。損壞的設備主要有：水下支持平臺、水下信號線纜、水下氣管以及ADCP傳感器等，其中大興鎮(zhèn)水文站右岸1個ADCP傳感器遭行船拖拽后丟失，ADCP傳感器單價約10萬元，損失較大。上述2站V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝平面示意圖如圖2所示。

圖2 V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝示意圖(恢復前)

3 V-ADCP自動測流系統(tǒng)警示標志設置

小許莊水文站位于江水北調入連云港市的薔薇河樞紐工程下游，是外引水進入市區(qū)的上游重要控制站，由于該站所處薔薇河河段為通航河道，為避免重蹈覆轍，以問題為導向，充分吸取以往失敗教訓，2017年與淮委水文局專家會商研討，為了保障水下設備安全，必須設置警示標志提示過往船只避讓。有兩種方案：方案一是在水下傳感器位置設置2個警示樁，鋼管樁、混凝土樁等硬質樁；方案二是在水下傳感器所在的河面位置設置2個警示漂浮物，浮球、浮筒等軟質警示標志。

方案一需要在河道內打鋼管樁或混凝土樁，航道主管部門批準手續(xù)難以辦理，施工較為麻煩，成本較高，由于該河道屬通航河道，一方面大噸位船只會撞壞鋼管樁或混凝土樁，另一方面硬質的鋼管樁或混凝土樁會刮擦過往船只，對行船安全造成影響。方案二是在河底配重或打樁釘，水體內用錨鏈連接水面浮球或浮筒，施工較為簡便，成本很低，浮球、浮筒等軟質漂浮物對行船安全不會造成影響。經論證比選，決定采用方案二，在小許莊水文站測流斷面采取設置警示浮球方案。做法如下：

在水下傳感器下游10 m處安裝2個浮球標志，標志系統(tǒng)由浮球、錨鏈、水下固定物組成。浮球采用一次成型滾塑塑料制品，里面添加聚氨酯發(fā)泡材料，直徑120 cm。河底固定裝置采用配重或打樁釘，浮球與河底固定裝置采用直徑10 mm錨鏈，長度略長于水深。同時為了保證水下信號線纜和控制管線的安全，采用線纜兩邊上岸的方式。警示浮球安裝好后，筆者多次到該站見到行船行駛到該斷面時均主動避讓，甚至2條船對駛在該斷面交匯時也避讓得非常好，均從2個浮球中間的河道行駛，從而確保了該自動測流系統(tǒng)的安全運行，小許莊水文站V-ADCP自動測流系統(tǒng)警示浮球示意圖如圖3所示，恢復之后V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝平面示意圖如圖4所示。

圖3 V-ADCP警示浮球示意圖

圖4 V-ADCP自動測流系統(tǒng)設備安裝示意圖(恢復后)

2018年，連云港水文分局先后在小吳場、臨洪、臨洪(東)3個測流斷面應用2個警示浮球(筒)成果安裝部署了3套V-ADCP自動測流系統(tǒng)，運行至今測流系統(tǒng)均穩(wěn)定正常。

4 結 語

2019年9月，水利部印發(fā)《水文現(xiàn)代化建設技術裝備有關要求》，針對流量測驗技術和設備配置明確提出應以在線或自動監(jiān)測為主總要求，V-ADCP自動測流系統(tǒng)將會大量應用，鑒于V-ADCP自動測流系統(tǒng)警示標志在連云港小吳場、臨洪、臨洪(東)3個測流斷面應用效果良好，為自動測流系統(tǒng)的安全運行提供了保障，減少了經濟損失，有很大的推廣應用價值。