流域省界水資源水量自動監測試驗初步研究——以沙潁河豫皖省界界首站為例

應 玉

（1安徽淮河水資源科技有限公司 蚌埠 233001 2阜陽水文水資源局界首水文站 界首 236500）

1 問題提出

省界水量監測是水資源管理的一項基礎工作，是流域各省級行政區水量分配、取水總量控制管理的重要依據。

隨著經濟社會發展，以行政區域管理為目的的區域經濟發展對水資源管理的需求越來越高，特別是跨省級行政區界的水資源管理任務越來越突出，而現有的水文監測遠不能滿足流域機構對省界監測管理的要求。省界水量監測存在的問題主要有以下幾點：（1）水文站設備、設施陳舊，監測手段、方法落后；（2）監測管理現代化、信息化水平低；（3）信息處理的及時性、針對性與管理工作的需求不相適應。

針對水資源管理的迫切需求，必須加強水量監測分析工作。采用流量自動監測技術，實現水量監測現代化、自動化，可為水資源管理現代化提供有利保障。

2 自動監測試驗研究

目前，淮委水文局根據行業規范《二線能坡法測流規程》，結合淮河流域河道流量的特性，研發一套應用于天然河流的流量實時在線監測系統。2012年3月21日該系統安裝在沙潁河豫皖省界界首水文站，獲得良好效果，能夠為流域水量監測提供一種實用可行的選擇方案。

界首水文站是潁河主要控制站，屬國家重要水文站，一類精度站，也是潁河由河南省進入安徽境內第一水文站。該站為工程調度、防汛抗旱及防污治污服務，全年駐測，流量常規測驗方式為自動纜道測流。界首水文站距上游槐店閘30km，距下游耿樓閘20km，受上下游閘門啟閉影響，該站水位漲落和流量關系紊亂，為滿足水文測驗規范要求，每年測流次數多達400次左右。

2.1 試驗原理

該系統采用的是二線能坡法。

二線能坡法是以曼寧公式為基礎，借助水力學實驗方法，建立與曼寧公式具有相同結構形式的垂線流速公式；改天然河道中綜合糙率為分解糙率；并以二條實測垂線流速為已知條件反求能坡（水流能量坡度）參數，代替曼寧公式中比降與糙率的比值關系，從而使成果精度顯著提高，并借助等效流量原理，解決多種非恒定、非均勻流條件下流量計量問題。

通過實時水位信息和斷面特征信息，依據二條垂線的實測平均流速，能夠實現河道流量的實時在線監測。見圖1、圖 2。

2.2 試驗設備

該自動監測系統流速傳感器采用了美國link-quest公司生產的單聲路聲學多普勒 （ADCP）流速剖面儀（FlowScout2000型）。單聲路聲學多普勒流速剖面儀應用了美國最新的類似小型相控陣技術，可以同時跟蹤一條線上很多個不同的單元目標，對于測量的盲區，可以在最小盲區與任意大盲區之間做自動調整，保證各種實際流態都測得到；處理技術上采用了高速DSP處理技術，流速數據刷新頻率非常快，對河道流場與流量的變化情況提供了更細膩的判斷依據；在安裝方面，單聲路聲學多普勒流速剖面儀與水平雙聲路聲學多普勒流速剖面儀相比，體積小了許多，非常適合便攜式測量。

硬件設備上采用了平行四邊形的不銹鋼管起落架，起落架上部安裝一個儀器（ADCP）基座，下部與整體結構的基座（實心樓板）鋼鉸鏈接，整體結構的基座使用了超薄、窄長的水泥板預制件，空心預制樓板用水泥砂漿填實，利用其特殊的幾何形狀（長4.5m、寬60cm、厚12cm）和自重（680kg）兩大要素，使之起到相當于基座的作用。起落架最大長度14m，依靠自重和與基座的聯結并工作狀態時臥于河底時，浮筒位于起落架的最上部，距河床最大高度小于70cm，儀器檢修時，通過對起落架上的浮體充氣把儀器付出水面。詳見圖3。

2.3 試驗過程

由專業設備安裝工人把起落架安裝在樓板上，并裝好可浮起樓板和起落架的充氣囊，充氣備用。用漁船把漂浮在水面的起落架與樓板一起牽引到起點距130（或60）m的位置對樓板上的充氣囊施實放（充）氣，維持整個裝置以每分鐘1m的速度下沉到河床上。之后，對起落架的浮筒進行充放氣，使起落架自由升降，成功演示三次后，由專業技術人員開始在浮起的起落架前端的儀器安裝基座上安裝流速儀傳感器，可三維調解,使儀器保持與水面相平、向上仰角45度，然后再做信號上岸調試。

信號電纜、起落架上的氣囊的進、出氣管等順著起落架拉桿（空心）到達基座（預制樓板）后，順著鋼絲繩（與鋼絲繩綁在一起）上岸、挖槽深埋、進站房，實現流速信號有線自動采集。

3 試驗結果初步分析

流量自動監測系統與人工監測進行同步監測比對，該系統提供流量誤差統計功能，在系統中進行相應設置后，可獲取系統自動計算出人工流量和自動流量數據誤差值，現取一部分數據進行初步分析。

根據誤差值統計及初步分析，人工實測流量點均在自動監測流量過程線上，系統收集資料精度較高，試驗效果良好。因試驗仍處于調試階段，受較多因素影響，如人工施測時正處于閘門變動影響階段，會造成人工監測與自動監測流量誤差偏大等，這些問題都有待于進一步的分析研究。

4 結語與建議

實時流量自動監測系統的建設和運行，大大降低了測站職工的勞動強度，提高了水文行業的工作效率，能實時、精準、便捷、全天候掌握流量動態。系統的穩定運行不僅提升了流量監測的及時性和準確性，還為防汛抗旱、水資源監測提供有力保障。每隔5min的一組實測流量和遙測水位數據，實現了數據實時在線查詢與導出，并且系統能夠顯示出流量過程線和水位過程線，可以更為直觀地了解水位流量動態信息。

能坡法測流不但投資小、建設快，更重要的是使流量實現了在線測量，且不需要率定。本系統在界首水文站為初次建設，難免有不足之處，比如在安裝施工中所使用的水下設備體積較大、安裝步驟較為繁瑣。建議研制更為便捷的水下設備，以便于施工安裝，并提高其在水下復雜環境中的穩定性