天津市水資源水量實時監(jiān)測方法探索與實踐

顧 琦

（天津市水務工程運行調(diào)度中心，天津 300074）

中共十九屆三中全會審議通過《中共中央關于深化黨和國家機構改革的決定》和第十三屆全國人大一次會議批準《國務院機構改革方案》后，各地推進了政府行政管理職能的改革，水務、生態(tài)環(huán)保、自然資源、應急管理等部門加強了水資源監(jiān)管，加大了對水資源水量實時監(jiān)測信息的需求，使得水文服務經(jīng)濟社會發(fā)展的作用凸顯，迫切需要取得及時可靠的水資源水量監(jiān)測信息服務于各管理部門，使水文服務由立足水利向服務全社會轉變。

1 現(xiàn)狀與問題

天津市現(xiàn)有國家基本水文站30 處，主要分布于一級防洪河道上，測站控制主干河流，踞守斷面，自動監(jiān)測手段較低。天津水文多數(shù)測站長年來一直采用水力因素法推求流量并計算水量，即根據(jù)測得的流量數(shù)據(jù)和閘孔過流時水工建筑物不同閘門開啟形式進行堰閘率定，以相關水力因素及過流流量系數(shù)建立相關關系，采用水力學公式法推求流量和水量。

近年來，新建水文水資源監(jiān)測項目中中小河流監(jiān)測系統(tǒng)設測站36處，共55個水位監(jiān)測斷面；水資源監(jiān)控能力建設項目（一期）新設測站133處，共223個水位監(jiān)測斷面。測站基本覆蓋了天津市主要排水河道，但新建測報站點僅建設了斷面水位監(jiān)測設施，水量仍需巡測流量再結合水利工程工情信息加以推求。

天津市大部分地區(qū)處于海河流域下游的濱海平原區(qū)，河流具有斷面寬淺、水流相對較緩的特性。由于水文測驗受水利工程調(diào)節(jié)、下游潮（洪）水頂托、冬季結冰、河道干涸等影響，天津地區(qū)河流的水位與流量不能形成單值化關系，所以上述國家基本水文站和地方專用測站所采用的以推流整編方法計算水量不能滿足各管理部門對水資源水量監(jiān)測信息的時效性需求。

2 技術調(diào)研與分析

針對天津水資源水量實時監(jiān)測存在的問題，天津水文部門開展了相關監(jiān)測技術的研究與探索。流量測驗方法很多，但水資源水量實時監(jiān)測必須是自動監(jiān)測方法。流量測驗方法選擇首先與駐測、巡測或無人值守自動測流的測驗方式相關，然后根據(jù)斷面形態(tài)和河道沖淤變化、水位漲落率、測驗人員、交通便利等情況進行優(yōu)選。各常用測驗方法的適用情況記述如下。

（1）流速儀法。當水流流速沒有超出流速儀的使用范圍時，可使用此法。

（2）水工建筑物法。適用于已有可利用水工建筑物的河道，包括適用于比降較大、有一定含沙量的河渠量水槽、量水堰。

（3）聲學法。適用于含沙量較小、斷面較穩(wěn)定且可以安裝聲學流速儀或流量計的河道。

（4）電磁法。適用于水草叢生、漂浮物較多的河流。

（5）電功率法。適用于用水泵供排水且水泵工作曲線穩(wěn)定的泵站測流。

（6）水表法（轉子流量計）。適用于各種管徑、凈水的滿管流量測量。

（7）電磁管道流量計法。適用于中小管徑、各種天然水的滿管流量測量，要求有較好的工作環(huán)境。

（8）農(nóng)用水表法。適用于中小管徑、各種天然水的滿管流量測量。

（9）聲學管道流量計法。從原理上可分為多普勒法聲學管道流量計和時差法聲學管道流量計，從適用范圍上可分為滿管和非滿管流量計。

（10）走航式聲學多普勒法。適用于河渠水流流量測驗。

（11）電波（或雷達波）流速儀法。分洪、潰口洪水應急監(jiān)測時可用此法。

（12）浮標法。防洪應急監(jiān)測或水資源監(jiān)測上，當水流速度或水深很小不能用其他方法測流時用此法。

（13）其他。分洪、潰口洪水紊流較為強烈時，可采用示蹤劑稀釋法、衛(wèi)星遙感法、無人機航空測速法和無人機航空攝影法等。

通過對上述流量測驗方法及儀器設備的系統(tǒng)設計建設，系統(tǒng)應用數(shù)據(jù)自動采集、固態(tài)存儲、通信和計算機網(wǎng)絡等技術，實現(xiàn)水資源水量的實時自動測報。目前，國內(nèi)明渠流量在線監(jiān)測采用最多的方法主要有水位流量關系法、非接觸式流速儀法（電波或雷達波）、側掃雷達測流法、定點式聲學多普勒流速儀法、超聲波時差法、量水槽（巴歇爾槽）等實時在線流量監(jiān)測方法。

由于天津地區(qū)河流受工程調(diào)節(jié)影響，水位和流量不能形成單值化關系，所以水位流量關系法在本地區(qū)不適用；量水槽（巴歇爾槽）適合小型河渠使用，但建設成本巨大，不能滿足水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)建設的經(jīng)濟實用原則。

3 技術探索與實踐

近年來，隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，天津市水文部門開始了水資源水量實時監(jiān)測的探索與實踐，嘗試在個別水文測驗斷面試驗性安裝在線流量監(jiān)測設施。

（1）側向H-ADCP。在中小河流水文測報系統(tǒng)建設中，在多站點的水位自動平臺上安裝測流支架，外掛H-ADCP（側向）在線流量監(jiān)測設施，實現(xiàn)在線測流。側向H-ADCP 只能測得某一層水的線流速分布，而且是近岸的一段，以此來代表全斷面平均流速，會有較大誤差。因此，應分析該流速與全斷面平均流速間的關系，進行率定后方可推求斷面流量。由于天津市河流斷面寬淺，季節(jié)性有水，大部分時間干涸，所以該儀器適應性不強且需要做大量的率定工作。

（2）二線能坡法。金鐘河水文站船閘改建成抽水泵站后，該船閘過流斷面測流纜道被拆，水位觀測平臺因斷面改造無法使用，無任何測驗設施，僅靠泵站過水歷時推流，誤差大，不符合相關規(guī)范要求。通過試驗性地安裝應用二線能坡法流量在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)流量自動測報。該方法儀器安裝在河底，儀器故障時維修較難，同時對儀器設施設備運行維護要求非常之高，否則會影響流量測驗精度。

（3）雙垂線法。在水資源監(jiān)控能力建設二期項目中，共建設5處雙垂線法在線測流設施，實現(xiàn)水資源水量自動監(jiān)測，該系統(tǒng)目前正在試運行。該方法儀器安裝在河底，運行維護要求同二線能坡法。

（4）非接觸式雷達波測流法。2019 年，在青龍灣減河牛家牌橋建設非接觸式雷達波自動測流設施1處。考慮本斷面過水條件（高洪時中泓流速＞2 m/s）、建設難度及抗洪搶險對水文信息的需求，采用非接觸式雷達波測流法建設了流量自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)流量實時信息的自動測報，可以滿足抗洪搶險救災對水文信息的時效性要求。但該方法在流速較小時受風力風向影響嚴重，測得水面流速誤差較大，以致流量測報精度較差，不能滿足水資源計量考核的需求。

（5）超聲波時差法。2019年12月引灤調(diào)水由新開河向海河干流補水期間，在新開河耳閘船閘內(nèi)試驗性地安裝超聲波時差法流量自動監(jiān)測設施，實現(xiàn)流量的實時自動測報，該設施目前正在試運行。超聲波時差法測驗精度較高，在引江工程計量中有大量應用，但該儀器設施對測驗斷面的安裝要求較高。

通過新技術應用和探索實踐，并通過和科研院所合作，天津水文部門開發(fā)和應用了一批高新科技成果。這些成果減輕了水文測站運行維護的難度，減少了運行維護的成本，保障了維護人員安全（減少涉水作業(yè)），提升了水資源水量實時監(jiān)測能力。

4 設計方案及新技術應用

通過深入調(diào)研分析現(xiàn)代水文監(jiān)測技術，借鑒先進單位建設經(jīng)驗，天津水文部門創(chuàng)新性地開展了“水資源水量實時監(jiān)測站”建設方案的典型設計，設計主要內(nèi)容如下。

（1）流量監(jiān)測原理。用流速儀精簡分析方法確定簡測法測流的垂線流速測驗位置，用多個聲學多普勒流速儀代替轉子流速儀，同時實時監(jiān)測多條垂線平均流速，用面積流速法施測實時流量。

（2）設計原則。設計堅持經(jīng)濟實用、安全可靠、嚴格標準、技術先進、高度集成的原則。

（3）管理模式。監(jiān)測站采用“自動采集、無人值守、委托看護、巡測校核、定期維護”的運行管理模式。

（4）監(jiān)測項目。包括流速、水位、降水量、風力風向。其中，水位、流量、降水量是水資源管理的主要水文要素，水位是計算過流斷面面積的水文要素，過流斷面面積和流速是自動測報系統(tǒng)計算流量的相關因素，風力風向是流量成果可靠性的輔助項目。

（5）監(jiān)測站設施。包括流量（流速）、水位、降水量、風力風向、視頻監(jiān)測設施。

（6）監(jiān)測站主要構成。①岸上工作站流量采集設備專用機柜。該機柜是工作站的主要組成部分，內(nèi)部集成含供電系統(tǒng)（市電和發(fā)電機）、照明設備、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)、絞車、儀器架、工具架等設備及管理規(guī)章、操作規(guī)程；外部安裝太陽能和風力供電、視頻防盜、標志牌、警示牌等設備。②岸上工作站多功能設備專用機柜。該機柜在有水文站房的測站內(nèi)無需安裝，內(nèi)部集成含照明設備、安全設備、計算設備、保障設備及管理規(guī)章、操作規(guī)程；外部安裝太陽能和風力供電設施，降水量、風力風向、視頻水位觀測設備，測站標志和簡介牌等。③斷面測驗設施。含水尺等水位觀測設施，定點式多普勒流速儀法固定安裝設備和聲學多普勒流速儀。④測驗河段基礎設施。含斷面樁、斷面標志牌、斷面標志桿、水準點、斷面保護標志、斷面界樁、測站標志、觀測道路等。⑤輔助設施。含設備專用機柜基礎、防雷、圍欄等。

在“水資源水量實時監(jiān)測站”建設方案的典型設計中，應用了視頻水位、防盜、矮樁式水尺、高度集成柜、多方式供電、防漂移、防結冰、可通航設計等水文監(jiān)測新技術。

5 結語

水資源水量實時監(jiān)測工作是水資源管理的基礎，長期以來受資金、測驗方法和儀器適用性等相關技術條件限制，天津市的水資源水量實時監(jiān)測工作已相對滯后，監(jiān)測精度、流量監(jiān)測設備的運維等問題長期不能得到解決，限制了天津水文的現(xiàn)代化發(fā)展。筆者介紹了在此背景下的監(jiān)測技術方法探索與實踐，擬通過應用監(jiān)測新技術進行創(chuàng)新性設計和建設，走出天津水資源水量實時監(jiān)測之路。通過項目建設，為天津市水資源的統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、合理開發(fā)、優(yōu)化配置、全面節(jié)約和有效保護發(fā)揮作用。