天然河道自動流量監測貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統的研制與應用

徐志國 張白

天然河道自動流量監測貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統的研制與應用

徐志國 張白

隨著國家逐步加強對水資源的管控力度，并不斷加大對水資源監控方面的投入，很多新技術在水文測驗領域得到應用。以流量測驗為例，自動流量監測系統正逐步走進水文人的日常工作中。目前自動流量監測系統ADCP探頭部分安裝基本分為三大類：即貼底式（也稱坐底式）、水平式、非接觸式。本文主要講述一種多用在天然河道的自動流量監測貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統的研究與應用。貼底式安裝的水下ADCP探頭支架系統大多固定在水底河床上，當河道內水位較淺時，ADCP探頭的安裝、調試、維護以及姿態的調整等都可以涉水進行，但在大水特別是汛期高水位高流速時期就很難開展，影響了自動流量監測系統整體的正常運行和水文測報工作。

一、技術方案

本文所述支架系統研制的目的在于提供一種方式，將自動流量監測系統貼底式水下ADCP探頭由河底傳送到水面，以方便人員及時對ADCP探頭設備進行相關的安裝、調試、維護。并且該支架部分防磁、防腐、防銹，設計結構簡單牢固，運行可靠，運輸方便，建設安裝施工時間短，成本較低。

為達到研制目的，本支架系統設計有水下ADCP探頭支架系統、水下ADCP探頭支架沉浮系統和岸上沉浮裝置操控系統三部分組成。水下ADCP探頭支架系統部分由雙樁固定單元和支架懸臂單元組成，順流向安裝，雙樁固定單元通過活動關節與支架懸臂單元鏈接，ADCP探頭固定安裝于下游懸臂頂端梯形304材質的不銹鋼平板上，304不銹鋼材質保證了ADCP探頭正常工作時不受材料磁性的影響，確保其流速測量的精度。水下ADCP探頭通過線纜與岸上站房內儀表相連，懸臂部分數據傳輸線纜從懸臂活動關節處進入懸臂管壁內，直達懸臂頭部ADCP探頭固定安裝梯形平板。自活動關節處線纜外加穿保護套管和沉浮裝置高壓氣管一起貼河床上岸至站房內儀表箱，沿途根據河底起伏情況，在起伏點打樁對線纜和高壓氣管加以固定，以使其緊貼河床，避免被漂浮物損傷。ADCP探頭支架沉浮系統安裝在支架懸臂靠近ADCP探頭上游位置。水下ADCP探頭支架沉浮系統和岸邊站房內沉浮控制系統通過高壓氣管線相連，除懸臂部分外，其余高壓氣管從懸臂活動關節處同線纜一起貼河床上岸至站房內沉浮控制系統，沿途根據河底起伏情況，在起伏點打樁對線纜和高壓氣管加以固定，使管線緊貼河床，避免被漂浮物損傷，以保障其安全性。由于本支架系統是順水流安裝，受水阻面積小，所以最大程度上減少了水流對懸臂的沖擊作用。獨有的雙樁固定方式，保證了每次沉浮ADCP探頭都能保持原位。特有的8根流線型ADCP探頭保護圓鋼，既減少了對水流形態的干擾，也最大程度地保護了ADCP探頭的安全。沉浮裝置在淮河干流安徽蚌埠水文水資源勘測局吳家渡水文站經過嚴格的實驗測試，使該系統能夠在水中安全、可靠、穩定地運行。

二、安裝實施方法

1.水下ADCP探頭支架系統部分

由雙樁固定單元和支架懸臂單元組成，順流向安裝，雙樁固定單元通過活動關節與可沉浮的支架懸臂單元鏈接，雙樁固定單元安裝在上游來水方向，通過水面打擊工具將兩根鋼管樁打入河床，樁頭平行于河床表面，通過活動關節連接懸臂單元。ADCP探頭安裝于下游懸臂頂端梯形不銹鋼平板上，梯形平板小頭沖下游方向，以焊接或者用抱箍固定于懸臂頂端。平板正中有用以安裝固定ADCP探頭的304材質的十字抱箍支架，該十字抱箍支架可以橫向360度調整ADCP探頭的水平角度，也可以縱向90度調整ADCP探頭的俯仰角度。平板上游方向邊緣焊接有不銹鋼圓鋼，成圓弧朝下游方向作為ADCP探頭防護用。懸臂長度根據測站常年水位情況而定，以高出設定水位深度2m為宜，使ADCP探頭高出水面，便于檢修維護操作。

2.水下ADCP探頭支架沉浮系統

沉浮系統支架正中是一塊方板，方板四周焊接六根方管，將沉浮氣囊用U型卡及螺帽固定在焊接好的方管上面。沉浮裝置正中小平板放在水下支架圓管上面，靠近探頭保護圓鋼位置，用半片抱箍螺栓固定，然后連上高壓氣管即可。

3.岸上沉浮裝置操控系統

沉浮裝置岸上部分為一臺AC200V驅動經過設計改良的空壓機，空壓機通電工作后在達到設定壓力后會自動停機。經過多次多站點多斷面實驗，確定一罐壓縮空氣足夠浮起一個長度為11.5m的自動流量監測貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統。

三、系統的應用

至目前，本系統已在安徽省阜南縣淮河干流的王家壩站、河南省周口市沙潁河周口站、安徽亳州渦河黃莊站、安徽省全

椒縣全椒站等處安裝應用多年，系統整體運行穩定。現以安徽阜南王家壩站為例闡述其應用的具體情況。

王家壩水文站位于淮河中游豫皖兩省交界處，特殊的地理位置和復雜多變的水流特性，決定了該站在淮河防汛工作中舉足輕重的地位，其水情變化素來被稱為淮河防汛的晴雨表、抗洪的風向標。2012年采用了雙垂線貼底式ADCP二線能坡法在線流量監測系統，分別在測驗斷面起點距50m和140m位置河底用本文所述的貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統安裝了兩套美國Link-quest公司生產的平面陣列型多普勒流速剖面儀（FlowScout2000型），實時監測垂線流速，再通過實時水位和二線能坡法流量計算模型計算出實時流量，繼而實現了流量實時在線監測。該系統自安裝以來在歷年歷次例行檢修和偶發故障排除過程中運行穩定。

四、結語

此次研制的貼底式水下ADCP探頭自動沉浮支架系統由水下ADCP探頭安裝固定支架系統、水下ADCP探頭支架沉浮系統和岸上沉浮裝置操控系統三部分組成。水下ADCP探頭安裝固定支架系統固定安裝了ADCP探頭，并通過線纜傳輸實時數據。水下ADCP探頭支架沉浮系統安裝于水下支撐系統懸臂之上，通過高壓氣管與岸上沉浮系統控制部分相連。岸上沉浮裝置操控系統通過操控岸上沉浮裝置控制部分，輕松實現河底ADCP探頭設備自動浮出水面和自動回歸河底起始位置功能，為后續進行安裝、姿態調整、維護保養、更換等工作提供了便利。

該支架系統防腐、防銹性能良好，結構簡單牢固，運輸安裝簡單方便，出色的防磁和探頭安全防護性能可以保證水下ADCP探頭擁有一個良好的運行工作環境。由于本支架系統擁有結構性能可靠、安裝使用維護簡單方便等特點，可以為建設自動流量監測貼底式水下ADCP探頭安裝提供參考■

（作者單位：河南省周口水文水資源勘測局466000淮河水利委員會水文局（信息中心）233001）