白沙水文站現代化建設方案

王冰，司文青，赫超然

（1.河南省許昌水文水資源勘測局，河南 許昌 461000；2.河南省黃河流域水生態保護研究中心，河南 鄭州 450003；3.河海大學商學院，江蘇 南京 210000）

1 水文站基本情況

白沙水文站位于河南省禹州市花石鄉白沙水庫，1951 年設立，集水面積962 km2。 水文站建在淮河支流潁河上游,現有斷面5處，分別為壩上、尾水渠、溢洪道、南干渠、新北干渠。白沙水庫（壩上）控制水庫水位、蓄水量變化，尾水渠控制出庫流量，為水庫防洪調度服務。南干渠和新北干渠為農業灌溉、企業供水提供服務。溢洪道主要作用是發生大水時泄洪。

該站（尾水渠）河段邊坡已進行人工護砌，河槽已進行渠道化整治，通過對尾水渠斷面2000 年以來典型年大斷面進行套繪（見圖1），斷面基本穩定,無明顯沖淤變化。通過對白沙水文站1956—2019年年徑流量系列資料分析可知（見圖2），該站多年年平均徑流2.70 萬m3。最大年徑流量14.90 萬m3，發生在1964年。2015—2019年尾水渠斷水。

圖1 尾水渠大斷面圖

圖2 多年徑流量柱狀圖

壩上基本水尺斷面位于大壩左岸輸水洞南15 m，設有自記水井（現已報廢），現狀水位依托直立式水尺人工觀測。南干渠位于輸水洞下200 m，為人工混凝土渠道，較順直，渠道為漿砌塊石，無沖淤塌陷現象。主要為灌區農業灌溉服務。利用測流橋進行測流，流量較小，無測洪任務。新北干渠位于大壩東頭壩下，為人工漿砌渠道，較順直，主要為企業供水，農業灌溉服務。利用測流橋進行測流，流量小，無測洪任務。溢洪道位于白沙水庫溢洪道上游，溢洪道引水段底部高程為218.50 m，引水段長175 m，呈梯形斷面，渠底寬70 m，兩岸邊坡1:0.75與原地面相連。溢洪道閘門上游是水庫水面，下游幾千米是一片連綿起伏的山丘，沒有明顯的河道邊界，自白沙水庫建庫以來，溢洪道從未開閘放水。尾水渠位于白沙水庫輸水洞下游約400 m，斷面寬約55 m，為漿砌塊石斷面，斷面較順直。河底高程188.40 m，兩岸高程約191.30 m，是最常用的測流斷面，測驗河道順直，為自然河道，兩岸為漿砌塊石護坡，河床為砂卵石，5-10月有水草影響水位流量關系。

2 水流特性及測站定位

2.1 水流特性分析

根據國家基本水文站精度劃分標準，白沙水文站屬二類站。結合1989年以來白沙水庫(尾水渠)年平均流量分布情況，采用頻率流量進行流量級劃分。分別選取2003年和2004年作為該站的豐水代表年、2001年和2007年作為平水代表年、2002和2008年作為枯水年。

參照《河流流量測驗規范》，低水流量采用各年平均流量頻率的10%即0.32 m3/s 作為標準；中水流量采用上述標準，用各年平均流量頻率的50%計算出的中水流量為1.10 m3/s，與測站實際流量年內分布差別較大，故結合測站特性，按多年最大流量頻率的50%即62.70 m3/s作為標準，62.70 m3/s流量以上視為高水。按照此標準統計，見表1。由表可知62.70 m3/s 流量能夠基本控制的天數占全年的比例在100%，故該站水流特性以中低水為主。

表1 流量天數統計表

2.2 測站定位

白沙水文站基本功能定位為水災害防御為主，兼顧水資源管理及水生態保護。主要監測項目包括雨量、水位、流量、蒸發、水溫、水質等。依據對上述典型年分析，該站以中低水流為主，因此測驗任務在保證高洪流量監測的同時應梳理中低水監測要求，提升對水資源、水生態的服務支撐。

3 測驗方案

根據測站新定位和測驗任務新要求，充分考慮當前主流測報技術手段，分要素分時段確定測驗方案如下：第一是降水，目前非汛期使用標準雨量器，汛期采用虹吸式自記雨量計及遙測雨量。該站屬整編站具有常年觀測任務，應考慮兼容固態降水設備，因此新建雨雪一體化遙測設備（含北斗通信系統）1 套，更新遙測雨量計作為備份。第二是水位，目前所有斷面全部依托直立式水尺人工觀測，雖能完整控制水位變化過程，但設備單一且自動化率極低，不滿足全時段全量程全天候在線監測要求。因此在壩上、尾水渠、新北干渠及南干渠斷面處分別增加雷達式水位計和視頻自動識別水尺觀測系統，同時結合人工水尺進行日常校測，以實現水位數據雙備份及多備份。第三是流量，目前低水時為流速儀涉水測流，中高水主要依靠走航式ADCP。其中南干渠和新北干渠利用測流橋測流，尾水渠使用纜道，纜道測洪能力為500 m3/s。由于該站已渠道化進行河道整治，低水時也可采用水力學法推流，實現單指標在線推流。大洪水期間，可選用非接觸水面測流設備，如電波流速儀、側掃雷達等進行高洪流量監測。最終目的實現在線監測洪水標準以內各斷面出庫流量過程，超標洪水和應急流量監測時間駐測。第四是視頻監控及通信傳輸方案，壩上基本水尺斷面現有高清攝像頭1處，視頻數據本地存儲，水情中心通過專線，訪問測站硬盤錄像機，讀取視頻數據。計劃新建遠程視頻監控系統，實現安防及儀器運行狀態監視功能，同時增加壩上、尾水渠、新北干渠、南干渠4處高清攝像頭，以期對上下游河道水情及站院進行全天候監控。

目前，水位、流量等文本數據以GPRS通信為主、北斗通信為輔，遠傳至水文測控中心，本地同時存儲。視頻數據只在本地存儲，水文測控中心通過專線方式，訪問本地硬盤錄像機，讀取視頻數據。計劃升級測站網絡，架設到測控中心專線，配備防火墻、路由器、交換機各1 臺，組建安全、可靠、快速專用網絡，提升視頻數據傳輸效率，同時配備服務器1臺，用于存儲各種數據及部署應用軟件。

4 結語

白沙水文站基礎設施較為完善，已接入農網供電，供電基本有保障。附近移動、電信、聯通等運營商信號全覆蓋，已通過白沙水庫管理局網絡接入省水利網，基本滿足各類通信數據傳輸要求。但依然存在不少問題：雨量項目采用虹吸式雨量器和翻斗式雨量器進行觀測，無法滿足降雪期自動監測測驗任務要求。壩上、尾水渠、新北干渠、南干渠水位采用人工觀測，現代化程度極低，不滿足水位信息自動采集與傳輸要求。流量測驗低水采用涉水測流，纜道屬半自動化機械纜道，自動化程度較低，且操作臺老化，不符合河南省水文現代化發展思路。除此外，進站道路未硬化，觀測場老舊。雖然配有基礎網絡設備，但沒有接入水利內網，無法使用遙測數據等內網數據，且未配備必要的網絡安全設備，無法保證數據傳輸安全性。現有網絡帶寬低，延時高，不僅數據傳輸速率沒有保障，而且不易管理維護。這些均是白沙水文站推行水文現代化需解決的困難。