鉛魚測流系統在綏德水文站實際工作中的利弊分析

高 遠

（陜西省延安水文水資源勘測局，陜西 延安 716000）

1 綏德水文站概況

1.1 基本情況

綏德水文站位于陜西省綏德縣名州鎮薛家畔社區，屬國家重要水文站，設立于1959 年6 月，是大理河的出口水文站，其控制流域面積為3893 km2，占全流域面積的99.7%，距河口距離4.43 km。主要收集斷面以上大理河流域的各項水文特征，主要測驗項目有：水位、流量、泥沙、泥顆、降水、蒸發、墑情等，從而掌握該河段水量、沙量變化過程及規律，為當地和下游地區的國民經濟建設服務。

1.2 河流特性

大理河干流全長170 km，河床比降為3.16‰，流域面積為3906 km2。大理河流域有黃土梁土間河源丘陵溝壑區（簡稱河源區）和黃土梁峁丘陵溝壑區（簡稱丘陵區）兩個地貌類型區。流域內梁峁起伏，溝壑縱橫，溝壑密度為5 km/km2～6 km/km2，溝深為50 m～150 m。丘陵區地形破碎，土質疏松，溝壑密度較大，溝蝕、重力侵蝕活躍，是流域內主要產沙區。實測資料統計表明，大理河流域多年平均徑流量為14530 萬m3，徑流年際變化很大，年最大徑流總量達2.5 億m3，最小僅為0.92 億m3。多年平均輸沙量為3820 萬t，年均侵蝕模數為1.68 萬t/km2，局部地區高達3 萬t/km2。

1.3 氣候情況

大理河流域屬典型的溫帶大陸性季風氣候。冬季受蒙古冷高壓氣流控制，風多、氣寒、少雨雪；夏季受西太平洋副熱高壓和河西走廊、四川盆地低壓控制，酷熱、干旱、多暴雨；春季為過渡季節，據綏德縣氣象站實測資料，多年平均出現七級以上大風46.6 次，春季最多，占全年的41%；冬春多西北風，夏秋多東南風。多年平均氣溫9.7℃，年極端最高氣溫38.4℃，年極端最低氣溫-25.4℃，月平均氣溫以一月最低，為-7.5℃，七月最高為24℃。年日照2615.1 h，日照率59%。多年平均降水量為439.5 mm，7 月～9 月3 個月降水占全年降水量的60%左右。年平均無霜期165 d，絕對無霜期120 d，早霜最早9 月15 日。河流結冰期10 月上旬～次年3 月中下旬。

2 測流設施設備情況

2.1 吊箱測流

由于大理河流域內特殊氣候條件以及獨特的地質構造，大理河上出現的洪水表現出含沙量大，漲落速度快等特點，所以測流難度很大。自綏德水文站1956 年建站以來，主要的測流手段是吊箱測流。

吊箱測流是纜道測流的一種,是利用一個懸掛在主索上的吊箱(或稱纜車)來進行測驗。吊箱上裝配懸桿懸吊儀器的設備，工作人員在吊箱內進行測量操作。吊箱測流主要存在的不足之處主要有：（1）安全度差。吊箱測流歷來被喻為“鐵籠子”危險作業，雖然由于發展改進，但在洶涌的洪水上測流稍有疏忽就可能出現事故；（2）工作強度大。面對波濤起伏的洪水測流過程，工作人員一直處于高度緊張狀態，測深桿、采樣器、流速儀懸桿的操作除有相應技巧外還需要有足夠的力氣。

2.2 鉛魚測流系統

2017 年綏德水文站遭遇“7.26 洪水”。吊箱被洪水沖毀，為不耽誤測驗，綏德水文站利用其它水文站替換下來的一套老舊鉛魚測流系統應急測流。該套鉛魚測流系統的工作原理是利用掛在鉛魚頂端的無線信號發射器將流速儀轉數信號轉換成無線電信號發射出去，室內的無線信號接收器接收到流速信號后蜂鳴并計數，測流人員用秒表計時，從而完成測流。這套設備測流時存在的問題主要是：（1）設備只能發射測流信號，沒有其他的功能；（2）信號發射器與信號接收器距離較遠時信號不穩定，會出現信號丟失的情況；（3）信號發射器供電是靠外接一節9 V 電池，每次測流時都要裝上電池才能使用，不太方便；（4）在流速較小、流速儀轉速較慢時，流速儀的一組轉數信號有可能會發送三次無線電信號，所以信號接收器顯示的信號數會大于實際信號數；（5）流速儀轉速過快時，信號發射器會出現信號來不及發送從而漏掉轉數信號的情況等。

3 鉛魚測流系統的利弊

由于存在上述諸多不便，為提高測驗精度及效率，2018 年陜西省延安水文水資源勘測局對綏德水文站進行維修改造，更換了全新的鉛魚測流系統。

3.1 工作原理

改進后的測流系統是通過鉛魚、循環索、絞車、地線、大地、水體形成一個完整電流回路，由掛在鉛魚上的主控盒利用該回路將流速信號、水面信號、河底信號等直接傳輸到操作臺，在操作臺上集成完成測流作業。鉛魚測流系統簡易圖見圖1。

圖1 鉛魚測流系統簡易圖

3.2 優點

經過一個完整汛期的使用后，新的鉛魚測流系統對比舊的鉛魚測流系統主要優點有：

（1）操作臺集成了流速信號計數、計時、流速儀參數設置等功能，可以根據傳輸回來的信號直接測算出該測點的流速，不需要像從前一樣人工數信號和用秒表計時，既保證了計算的準確性，又節約了時間。

（2）起點距計算及顯示裝置更加先進。以前使用磁感應計數器時，齒輪轉一圈只有6 個感應點，兩個感應點之間的距離為10 cm，計數器的數要乘以0.1 m 才是正常的起點距，誤差較大，并且計數器只能累加計數，不論鉛魚向前或者向后運動時起點距一直是在增加，使用起來很不方便。新的起點距計算裝置將齒輪轉一圈的距離劃成60 等份，精度更高，同時還可以實現鉛魚向前增加計數、鉛魚返回減小計數的智能起點距計算，并且在操作臺上有專門的起點距顯示器，可以直接讀取起點距數據，測流更加方便。起點距顯示器有斷電記憶功能，下次啟動時可以直接使用，不用重新設置。

（3）鉛魚上的主控盒可內置電池，拆卸也很方便，定期更換電池就可以，不需要每次測流都安裝電池。

（4）由鉛魚、循環索、絞車、地線、大地、水體形成的完整電流回路是物理實體連接方式，傳輸信號更加穩定，干擾小，不會出現測驗信號丟失的現象。

（5）鉛魚上增加了水面信號和河底感應裝置。操作臺上有專門的水深顯示器，鉛魚地板接觸到水面時開始計數，河底感應裝置發回信號就結束計數，這樣就可以測量更深的水深，從而使得測量更大的流量成為可能，使鉛魚測流的上限進一步提高。

（6）循環鎖上增加了張力保護器。鉛魚到達河底后，循環索松弛，張力變小，保護器就會自動關閉鉛魚下降開關，不會出現循環索太松出槽的現象，從而保證設備和人身安全。

3.3 有待改進之處

新測流系統對比以前的測流系統在易用性、可靠性、安全性等方面都有很大提高，但在實際工作使用過程中還存在一些有待改進的方面，主要有：

（1）參數設置不便。操作臺上流速測算裝置中設置流速儀參數只能從0 開始慢慢加上去，不能用數字鍵直接設置；該裝置沒有記憶功能，兩架流速儀切換時，只能重新設置參數，不能提前錄入參數然后直接選取需要的流速儀型號。

（2）易受天氣影響。連續長時間干旱天氣時，大地含水量降低使得導電性變差，導致地線與水體之間通過大地傳輸信號時會受到影響，會出現信號丟失的情況；連續陰雨天氣時，循環索各處都會被淋濕，絕緣效果變差，信號回路也會受到影響，導致不能進行正常測驗。

（3）鉛魚上的河底感應裝置適應性差。綏德水文站的測驗斷面為淤泥質河底，洪水漲落急劇會造成河底沖刷或淤積，使得河底不平整。當鉛魚到達河底時，鉛魚底板不能及時彈起來，因而河底信號不能及時發回操作臺，會導致所測水深大于實際水深，測驗數據出現較大誤差。

（4）主控盒絕緣性能差。安裝在鉛魚上的主控盒有4 個接線柱都裸露在外邊，沒有做絕緣處理，在小水且水質較好時對測驗工作沒有影響，但是漲水時大理河的河水含沙量以及電解質含量變高，導電性也變好，主控盒入水后會出現短路的現象，測驗信號就會混亂，互相干擾，不能正常使用。而且主控盒用螺絲固定在鉛魚尾翼上，有四條導線連接在鉛魚上，使得拆卸不太方便，綏德水文站的主控盒就因無法取下，長時間暴露在室外導致內部溫度過高，出現了電池漏液現象，這對主控盒內部電路安全以及測驗工作的正常進行都造成了影響。

4 結論及建議

針對綏德水文站在實際工作過程中出現的問題提出以下建議：

（1）更換可拔插的主控盒，可以在無測驗任務時拆卸下來更好地保存，也方便更換電池。

（2）將主控盒的外接線柱進行密封和絕緣。

（3）完善循環索的絕緣裝置、進一步加強地線和水體之間的信號傳輸方式，使得信號回路在極端天氣下能更穩定的工作。

（4）更換合適的河底感應裝置，能更加靈敏地傳回河底信號。

（5）操作臺上的流速測算裝置進一步優化，能更加方便快捷地設置參數。