卡依爾特斯河水文纜道改造升級探討

王 強(qiáng)

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

1 前言

庫威水文站位于卡依爾特斯河下游，測站建設(shè)于1965年，控制流域面積1042 km2，卡依爾特斯河屬原地貌類型，河流深切，支流數(shù)目眾多，植被差，水源涵養(yǎng)能力不高，水土流失較為嚴(yán)重，降雨快速形成徑流，暴雨洪災(zāi)頻發(fā)。受斷面沖淤和洪水陡漲陡落的影響，測站中高水位表現(xiàn)為復(fù)式繩套曲線，流量測次和測流時(shí)機(jī)方面要求較高。

卡依爾特斯河水流湍急，多漂浮物，行車架變形破壞可能性大。測站手動(dòng)測流纜道承載索、循環(huán)索和起重索均橫穿窗戶而過，走向設(shè)計(jì)缺乏合理性，導(dǎo)致纜道房窗戶無法關(guān)閉，安全生產(chǎn)難以保證。原手動(dòng)測流纜道流速儀進(jìn)退、升降控制簡單，在雨季搶測洪峰期間只能手搖絞車完成測流，很難滿足繩套型水流關(guān)系測流多次定線的要求。

2 自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)的改造升級

為降低測流勞動(dòng)強(qiáng)度、提升測站自動(dòng)化水平和測流精度，卡依爾特斯河庫威水文站于2011年進(jìn)行原手動(dòng)測流纜道系統(tǒng)的升級改造，安裝了自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行以來水文測流數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性大大提升。

卡依爾特斯河庫威水文站水文自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)包括水文絞車交流變頻無級調(diào)速測控系統(tǒng)、纜道測距定位儀、無線測流系統(tǒng)、自動(dòng)纜道測流控制臺(tái)、電動(dòng)轎車、鉛魚、流速儀、系統(tǒng)軟件等部分，見圖1。該測流系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)包括測流鉛魚出車、回車、下降、提升等過程在內(nèi)的無線變速控制，進(jìn)行出車、回車位置的自動(dòng)測量與顯示，并且針對全測流斷面進(jìn)行流速的測量和計(jì)算?？ㄒ罓柼厮购訋焱恼咀詣?dòng)纜道測流系統(tǒng)還具有全/半自動(dòng)測流、手動(dòng)測流、數(shù)據(jù)自動(dòng)/人工錄入、測次流量報(bào)表計(jì)算和出具、自動(dòng)生成斷面流速流量分布圖、測流動(dòng)態(tài)跟蹤、夜間測流自動(dòng)照明、變焦圖像監(jiān)測、纜道泥沙采集、河床流量測算功能，自動(dòng)測流控制臺(tái)還具有測點(diǎn)自動(dòng)停車以及河底信號停車等功能。

自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1～表2。

表1 絞車控制部分技術(shù)指標(biāo)

表2 纜道測距光柵增量編碼傳感器技術(shù)指標(biāo)

3 自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)運(yùn)行情況

3.1 纜道綜合控制臺(tái)的運(yùn)行

庫威水文站水文自動(dòng)纜道測流綜合控制臺(tái)主要由水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所開發(fā)研制，控制臺(tái)采用交流變頻調(diào)速技術(shù)、纜道無線信號傳輸技術(shù)等，自動(dòng)化程度較高，兼具水文絞車自動(dòng)控制、鉛魚位置自動(dòng)測量顯示、測點(diǎn)流量檢測和流速計(jì)算等功能，在自動(dòng)纜道測流過程中，主要配合水文纜車和測流鉛魚完成各項(xiàng)測流任務(wù)。庫威水文站水文自動(dòng)纜道測流綜合控制臺(tái)能在原纜道不改動(dòng)的情況下主要通過控制臺(tái)交流變頻器進(jìn)行絞車變速運(yùn)行的控制，保證測流精度，提升自動(dòng)化測流程度，有效縮短測流時(shí)間，測站水文測驗(yàn)工作效率大大提升。

3.1.1 水文纜道測距定位儀的運(yùn)行

庫威水文站水文自動(dòng)纜道測距定位儀由水利部南京水文自動(dòng)化儀器所為纜道定位測量專門研制，測距定位儀主要用在水文纜車行進(jìn)過程中起點(diǎn)距與入水深度測量方面，可進(jìn)行纜道主繩垂度、弧度，入水后起重繩偏角、無回差等的自動(dòng)修正以及自動(dòng)停車控制信號等的輸出，并實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)運(yùn)行。水文自動(dòng)纜道測距定位儀包括起點(diǎn)距測量、水深測量部分，其感應(yīng)循環(huán)輪和起重輪均通過光電增量編碼傳感器感應(yīng)，為防止感應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)打滑故障，傳感器直接與絞車轉(zhuǎn)動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪直徑30 cm，并按200個(gè)/轉(zhuǎn)的頻率發(fā)出信號，則繩長系數(shù)為π×30/200=0.47，根據(jù)繩長系數(shù)測距定位儀可直接測算出對應(yīng)存儲(chǔ)單元中繩索長度，進(jìn)而確定起點(diǎn)距和水深等參數(shù)。

3.1.2 水文流速測算儀的運(yùn)行

庫威水文站水文自動(dòng)纜道流速測算儀包括2×16屏液晶顯示器、單片機(jī)、通信端口、信號接收器等部分，主要按明渠測流速面積法原理設(shè)計(jì)，通過轉(zhuǎn)子流速儀在水力推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)測流。此外，水文流速測算儀通常只測量起點(diǎn)距并測算各測點(diǎn)流速，而斷面面積、流量等數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)得出。

3.2 水文纜道

庫威水文站水文自動(dòng)纜道為卷筒開口式平衡省力游輪纜道，由水文絞車、鉛魚等裝置構(gòu)成。

3.2.1 水文絞車

庫威水文站水文自動(dòng)纜道測流取沙的主要部件就是水文絞車，其主要通過交流變頻調(diào)速技術(shù)控制，能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)定子供電頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)速的均勻改變，所輸出機(jī)械力矩在任何速度條件下均為衡矩，有效保證了水文絞車的穩(wěn)定運(yùn)行和測流鉛魚定位精度。當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩基本不變，適用于水文纜道低速運(yùn)行情況[1]。在交流變頻工作模式下，調(diào)速范圍始終位于650 Hz以內(nèi)，使得絞車系統(tǒng)自動(dòng)變速、恒轉(zhuǎn)矩、恒功率功能順利實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 測流鉛魚

測流鉛魚包括主體、尾翼、吊架等部件，根據(jù)測站泥沙、水深、流速、流量、河道跨度等選用150 kg型號。測流鉛魚使用過程中，可將流速儀、測距儀等測量器具運(yùn)載至測點(diǎn)位置后穩(wěn)定停放，確保測流項(xiàng)目順利完成。

4 自動(dòng)纜道與手動(dòng)纜道比測

庫威水文站自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)于2011年安裝，2013年升級改造為卷筒開口式纜道，測流穩(wěn)定性進(jìn)一步提升。自動(dòng)纜道測流在基本斷面以上50 m進(jìn)行，考慮到近幾年水位、流量變動(dòng)趨勢范圍，于2013年5月～2016年5月進(jìn)行了25次不同水位級自動(dòng)纜道與手動(dòng)纜道測流比測，最大、最小比測流量分別為514 m3/s、54.2 m3/s，水位變動(dòng)幅度3.12 m。自動(dòng)纜道與手動(dòng)纜道比測成果見表3。

表3 庫威水文站自動(dòng)纜道與手動(dòng)纜道比測成果

5 結(jié)論

卡依爾特斯河庫威水文站水文纜道自動(dòng)測流系統(tǒng)運(yùn)行以來，充分發(fā)揮出其在水文資料檢測、采集、計(jì)量、控制、調(diào)整、管理等方面的技術(shù)優(yōu)勢，水文自動(dòng)化系統(tǒng)的建立為流域防汛抗旱、減災(zāi)等工作提供了重要的數(shù)據(jù)技術(shù)支撐。隨著下游區(qū)間來水量的增大，含沙量將出現(xiàn)劇烈變化，此種情況下測流測深鉛魚在出水時(shí)其水面極板留有大量水跡，會(huì)導(dǎo)致水面信號長響，影響測流順利完成，為此，水面極板有待進(jìn)一步改進(jìn)。該自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)適宜的工作環(huán)境溫度為-10℃～43℃，而庫威水文站冬季平均溫度一般在-25℃左右，冬季河道封凍后基本采用人工打冰、測深桿、懸杯流速儀測流，自動(dòng)纜道測流系統(tǒng)的應(yīng)用受到環(huán)境溫度的限制，亟待改進(jìn)和完善。