新儀器、新設(shè)備在深圳水文測驗項目中的應(yīng)用

常魯寧，彭艷華，黃慧科

（長江中游水文水資源勘測局，武漢 430012）

1 前 言

為了完善深圳河水文資料的系統(tǒng)性和連續(xù)性，全面提高對深圳河及深圳灣水沙特性的認(rèn)識，深圳市治理深圳河辦公室開展了治理深圳河定期連續(xù)水文測驗及分析工作。長江水利委員會水文局于2005年通過競標(biāo)取得了深圳河定期連續(xù)水文測驗及分析任務(wù)的項目，并在其后承接了多項其他測驗項目。在項目部成立伊始，就確立了采用新儀器新設(shè)備與傳統(tǒng)儀器相結(jié)合的思路，投入了大量資金調(diào)配購置了相應(yīng)的新儀器新設(shè)備。

深圳河定期連續(xù)水文測驗及分析任務(wù)的主要目的是為深圳河未來研究、設(shè)計及運行管理積累雨量、潮位、流量、泥沙等水文資料，以滿足未來工作的需要，為治理深圳河第四期工程的數(shù)學(xué)模型計算、驗證及方案研究及設(shè)計提供所需的流速、流向、泥沙與水質(zhì)參數(shù)等資料。

深圳河流域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)海洋性氣候，雨量豐沛而集中。4～10月份為汛期，其中4～6月份為前汛期，7～9月份為后汛期。主要受災(zāi)害性臺風(fēng)及熱帶低壓槽影響，常伴有暴雨和暴風(fēng)潮，加之城市化面積逐漸增加，使其具有產(chǎn)流快、匯流時間短的特點。風(fēng)暴潮也會使深圳灣潮位抬高，導(dǎo)致深圳河河水宣泄不暢，特別是臺風(fēng)來襲可使兩岸發(fā)生洪澇災(zāi)害。

深圳河水文測驗項目部承擔(dān)3個潮流站，2個潮位站，6個徑流站的測驗工作。其中有一個感潮徑流站，潮流站需每月完成7個全潮測驗工作。

2 新儀器新設(shè)備在水文測驗項目中的應(yīng)用情況

深圳河水文測驗項目部直接投入日常運行的新儀器新設(shè)備共有48臺套，它們分別是走航式ADCP；WinH-ADCP（水平式）；GPS；OBS-3A＋CTD；LISST-100X激光粒度分析儀；激光粒度分布儀；SBY1-1壓力式波浪儀；激光測距儀；全站儀；STALKER ProⅡ SVR電波流速儀；（ZSX-3）型流速流向儀；水位、水溫、降水固態(tài)存儲自記儀等。

ADCP是上世紀(jì)九十年代引進(jìn)的水體流量測驗的新儀器，該儀器優(yōu)于傳統(tǒng)的流量測量方法，且具有能夠測量不同水層的三維流速和水深及流向等，測量快速高效、不干擾水體、極少受天氣影響，提高了流量測量的精度和時效性，大大降低了工作人員的勞動強度，極大提高了勞動生產(chǎn)效率。深圳河水文測驗項目部潮流站采用走航式ADCP驗證代表潮，WinH-ADCP（水平式）聲學(xué)多普勒流速儀代表垂線法在線實時監(jiān)測采集流速、水深、流向等參數(shù)，每隔10min采集一個剖面流速數(shù)據(jù)，通過代表垂線流速推求全斷面平均流速。要求每月完成7個全潮測驗工作，每個全潮測驗要根據(jù)潮位持續(xù)的時間連續(xù)工作30h以下，每1h要施測1次潮流量，若用傳統(tǒng)的機(jī)械式流速儀測流，則工作人員的勞動強度將非常巨大，并且因為落憩、漲急、漲憩、落急的持續(xù)時間較短，潮位或者流量變化大而測流時間跨度長影響測量精度?，F(xiàn)在采用ADCP動船法施測1次潮流量僅僅只需10min即可完成，配合WinH-ADCP（水平式）全時段監(jiān)測，因此ADCP不失為全潮測驗的很好選擇。

OBS-3A濁度儀最主要的優(yōu)點就是操作簡單，能夠快速、實時、連續(xù)測量，且基本不受天氣條件的制約。該儀器通過發(fā)射紅外線，接收紅外輻射光學(xué)后向散射量監(jiān)測懸浮物質(zhì)，并將取得的信息保存在存儲器當(dāng)中，通過計算機(jī)專用軟件可以對濁度儀進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)輸出處理等控制儀器測量。測量范圍：濁度：0～4 000 NTU；泥漿：0～5kg／m3，由于儀器收集的資料是濁度值，因此推求懸移質(zhì)含沙量還必須采集標(biāo)定水樣分析含沙量，通過采集標(biāo)定水樣時刻的懸移質(zhì)含沙量與采集的濁度值建立相關(guān)關(guān)系推求懸移質(zhì)含沙量。深圳河水文測驗項目部采用OBS-3A濁度儀進(jìn)行潮流站的在線實時監(jiān)測采集濁度值，收集整10min的代表垂線點濁度值，每月采取率定樣本推算出點含沙量，建立點含沙量與斷面平均含沙量的經(jīng)驗公式，再根據(jù)流量過程推算出逐時的輸沙率（含沙量）過程。在每個全潮測驗中，落憩、漲急、漲憩和落急、落憩、漲急、漲憩和落急時段安排8次懸沙測驗（采取水樣、施測垂線流速）。當(dāng)邊防區(qū)夜間不能作業(yè)情況下，每個潮型測驗日當(dāng)中，則分別在落憩、漲急、漲憩和落急時段安排4次懸沙測驗。由此也可以反映出高科技含量的新儀器新設(shè)備的優(yōu)越性。

電波流速儀是利用多普勒效應(yīng)，即電磁波在不同介質(zhì)表面發(fā)生反射，當(dāng)波源、媒質(zhì)之間發(fā)生相對運動時，引起電磁波頻率改變的原理。該儀器采用無接觸測流，不受含沙量、漂浮物影響，具有操作安全，測量時間短、速度快、效率高等優(yōu)點。其測速范圍0.20～18（m／s）；施測精度±0.03（m／s）；計時精度0.1（S）；最大測程100（m）。深圳河水文測驗項目部徑流站所屬的布吉河（草鋪）站流速最大，其實測最大水面流速是5.4 m／s，小于儀器最大測速18 m／s的要求，平原河口站的水面最寬，為30 m，與斷面夾角按60°計算測程距離是50 m，小于儀器最大測程100 m的要求，因此深圳河水文測驗項目部所屬各站均符合儀器的所有性能要求。深圳河水文測驗項目部僅僅8個工作人員，而徑流站有6個之多，各站在地理位置上分布較遠(yuǎn)，在降水產(chǎn)生徑流需要測流時，多數(shù)時間也同時在測潮，用其他儀器測流則因人員少，流速大等原因而無法開展，并且深圳河流域降水時，匯流迅速、水位暴漲暴落，峰頂持續(xù)時間很短，漂浮物多，用其他儀器測流則很不合適。現(xiàn)在當(dāng)中、高水測流時采用電波流速儀施測流速。

SBY1-1型壓力式波浪儀的工作原理是，在一定水深范圍內(nèi)，海面波高的變化引起水壓的變化，因此，在某一深度上可以用壓力傳感器測出其壓力的變化，并由壓力的變化反推出表面波的變化。該儀器采用德國進(jìn)口的陶瓷電容壓力傳感器和316L不銹鋼外殼，具有精度高、穩(wěn)定性好、抗腐蝕、抗磨損和抗沖擊性好等優(yōu)點。其技術(shù)指標(biāo)：波高測量范圍：（0～10）m，（0～20）m，波高測量誤差：（0.2＋5%測量值）m；標(biāo)定結(jié)果為2cm，波周期測量范圍：（3～30）S，波周期測量誤差：±0.25S，采樣頻率：4Hz，采樣時間長度：20min。深圳河水文測驗項目部于2009年12月到2010年2月在深圳河河口附近布置2臺連續(xù)含沙量及波浪測量儀，施測時間為期3個月。數(shù)據(jù)的儲存和收集：測量頻率為4Hz。每1h整點計錄20min期間所測的4Hz全信號，共4 800個數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將用于計算波浪的周期、波長及波高。

LISST-100X的基本工作原理基于光散射的Mie氏理論：照射在顆粒上的校直的激光束將其大部分能量散射到特定的角度上，顆粒越小散射角越大，顆粒越大散射角越小。在不同的角度上將散射的結(jié)果記錄下來，將這些包含粒度分布信息的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并傳輸?shù)诫娔X中，通過專用軟件用Mie衍射理論對這些信號進(jìn)行處理，就能準(zhǔn)確地得到所測試樣品的粒度分布。該儀器能較好的測量懸移質(zhì)顆粒粒徑，性能較穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)，操作簡單，可在野外、室內(nèi)進(jìn)行工作。粒度測量范圍：1.25～250μm（B型）；2.5～500μm（C型）。

水位、水溫、降水固態(tài)存儲自記儀能實現(xiàn)本地實時水文數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳送與監(jiān)測，具有實時數(shù)據(jù)顯示的功能，是一種高可靠性、低功耗適合野外惡劣工作環(huán)境的水文數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備。深圳河水文測驗項目部所屬各站均采用水位、水溫、降水固態(tài)存儲自記儀進(jìn)行本地實時水文數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳送，實現(xiàn)無人值守，大大減輕了工作強度，節(jié)省了人力，減少了錯誤，并且數(shù)據(jù)傳遞迅速、快捷，不僅提高了水文資料質(zhì)量，而且提高了工作效率，有效提高了水文信息采集的現(xiàn)代化程度。深圳河水文測驗項目部所屬各站水位、水溫、降水資料整理均采用固態(tài)存儲采集數(shù)據(jù)整理，并編制水位、水溫、降水月報。

水文測驗儀器設(shè)備現(xiàn)代化水平的提高，為水文更好服務(wù)社會奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)及技術(shù)支撐，在深圳河水文測驗中，我們充分發(fā)揮了新儀器新設(shè)備的優(yōu)勢，及時有效地提供了滿足合同要求和用戶滿意的優(yōu)質(zhì)成果，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。