卡依爾特斯河水文纜道改造升級探討

王 強

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

1 前言

庫威水文站位于卡依爾特斯河下游，測站建設于1965年，控制流域面積1042 km2，卡依爾特斯河屬原地貌類型，河流深切，支流數目眾多，植被差，水源涵養能力不高，水土流失較為嚴重，降雨快速形成徑流，暴雨洪災頻發。受斷面沖淤和洪水陡漲陡落的影響，測站中高水位表現為復式繩套曲線，流量測次和測流時機方面要求較高。

卡依爾特斯河水流湍急，多漂浮物，行車架變形破壞可能性大。測站手動測流纜道承載索、循環索和起重索均橫穿窗戶而過，走向設計缺乏合理性，導致纜道房窗戶無法關閉，安全生產難以保證。原手動測流纜道流速儀進退、升降控制簡單，在雨季搶測洪峰期間只能手搖絞車完成測流，很難滿足繩套型水流關系測流多次定線的要求。

2 自動纜道測流系統的改造升級

為降低測流勞動強度、提升測站自動化水平和測流精度，卡依爾特斯河庫威水文站于2011年進行原手動測流纜道系統的升級改造，安裝了自動纜道測流系統。系統運行以來水文測流數據的完整性和真實性大大提升。

卡依爾特斯河庫威水文站水文自動纜道測流系統包括水文絞車交流變頻無級調速測控系統、纜道測距定位儀、無線測流系統、自動纜道測流控制臺、電動轎車、鉛魚、流速儀、系統軟件等部分，見圖1。該測流系統能自動實現包括測流鉛魚出車、回車、下降、提升等過程在內的無線變速控制，進行出車、回車位置的自動測量與顯示，并且針對全測流斷面進行流速的測量和計算。卡依爾特斯河庫威水文站自動纜道測流系統還具有全/半自動測流、手動測流、數據自動/人工錄入、測次流量報表計算和出具、自動生成斷面流速流量分布圖、測流動態跟蹤、夜間測流自動照明、變焦圖像監測、纜道泥沙采集、河床流量測算功能，自動測流控制臺還具有測點自動停車以及河底信號停車等功能。

自動纜道測流系統主要技術指標見表1～表2。

表1 絞車控制部分技術指標

表2 纜道測距光柵增量編碼傳感器技術指標

3 自動纜道測流系統運行情況

3.1 纜道綜合控制臺的運行

庫威水文站水文自動纜道測流綜合控制臺主要由水利部南京水利水文自動化研究所開發研制，控制臺采用交流變頻調速技術、纜道無線信號傳輸技術等，自動化程度較高，兼具水文絞車自動控制、鉛魚位置自動測量顯示、測點流量檢測和流速計算等功能，在自動纜道測流過程中，主要配合水文纜車和測流鉛魚完成各項測流任務。庫威水文站水文自動纜道測流綜合控制臺能在原纜道不改動的情況下主要通過控制臺交流變頻器進行絞車變速運行的控制，保證測流精度，提升自動化測流程度，有效縮短測流時間，測站水文測驗工作效率大大提升。

3.1.1 水文纜道測距定位儀的運行

庫威水文站水文自動纜道測距定位儀由水利部南京水文自動化儀器所為纜道定位測量專門研制，測距定位儀主要用在水文纜車行進過程中起點距與入水深度測量方面，可進行纜道主繩垂度、弧度，入水后起重繩偏角、無回差等的自動修正以及自動停車控制信號等的輸出，并實現與計算機的聯機運行。水文自動纜道測距定位儀包括起點距測量、水深測量部分，其感應循環輪和起重輪均通過光電增量編碼傳感器感應，為防止感應系統出現打滑故障，傳感器直接與絞車轉動軸同步轉動，轉輪直徑30 cm，并按200個/轉的頻率發出信號，則繩長系數為π×30/200=0.47，根據繩長系數測距定位儀可直接測算出對應存儲單元中繩索長度，進而確定起點距和水深等參數。

3.1.2 水文流速測算儀的運行

庫威水文站水文自動纜道流速測算儀包括2×16屏液晶顯示器、單片機、通信端口、信號接收器等部分，主要按明渠測流速面積法原理設計，通過轉子流速儀在水力推動下旋轉而實現測流。此外，水文流速測算儀通常只測量起點距并測算各測點流速，而斷面面積、流量等數據通過計算機得出。

3.2 水文纜道

庫威水文站水文自動纜道為卷筒開口式平衡省力游輪纜道，由水文絞車、鉛魚等裝置構成。

3.2.1 水文絞車

庫威水文站水文自動纜道測流取沙的主要部件就是水文絞車，其主要通過交流變頻調速技術控制，能實現對電機定子供電頻率及電機轉速的均勻改變，所輸出機械力矩在任何速度條件下均為衡矩，有效保證了水文絞車的穩定運行和測流鉛魚定位精度。當變頻調速系統處于低速運行狀態時，最大轉矩基本不變，適用于水文纜道低速運行情況[1]。在交流變頻工作模式下，調速范圍始終位于650 Hz以內，使得絞車系統自動變速、恒轉矩、恒功率功能順利實現。

3.2.2 測流鉛魚

測流鉛魚包括主體、尾翼、吊架等部件，根據測站泥沙、水深、流速、流量、河道跨度等選用150 kg型號。測流鉛魚使用過程中，可將流速儀、測距儀等測量器具運載至測點位置后穩定停放，確保測流項目順利完成。

4 自動纜道與手動纜道比測

庫威水文站自動纜道測流系統于2011年安裝，2013年升級改造為卷筒開口式纜道，測流穩定性進一步提升。自動纜道測流在基本斷面以上50 m進行，考慮到近幾年水位、流量變動趨勢范圍，于2013年5月～2016年5月進行了25次不同水位級自動纜道與手動纜道測流比測，最大、最小比測流量分別為514 m3/s、54.2 m3/s，水位變動幅度3.12 m。自動纜道與手動纜道比測成果見表3。

表3 庫威水文站自動纜道與手動纜道比測成果

5 結論

卡依爾特斯河庫威水文站水文纜道自動測流系統運行以來，充分發揮出其在水文資料檢測、采集、計量、控制、調整、管理等方面的技術優勢，水文自動化系統的建立為流域防汛抗旱、減災等工作提供了重要的數據技術支撐。隨著下游區間來水量的增大，含沙量將出現劇烈變化，此種情況下測流測深鉛魚在出水時其水面極板留有大量水跡，會導致水面信號長響，影響測流順利完成，為此，水面極板有待進一步改進。該自動纜道測流系統適宜的工作環境溫度為-10℃～43℃，而庫威水文站冬季平均溫度一般在-25℃左右，冬季河道封凍后基本采用人工打冰、測深桿、懸杯流速儀測流，自動纜道測流系統的應用受到環境溫度的限制，亟待改進和完善。