四川省中小河流水文监测中流量自动测验技术浅谈

2018-05-15，，

四川水利 2018年2期

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(四川省水文水资源勘测局，成都，610036)

自2010年以来，四川省先后建成自动雨量站2586个、自动水位雨量站244个，目前新建的208个水文站正在紧锣密鼓的进行中。中小河流水文站主要是对雨量、水位及流量三大要素的监测，总体思路是水位、雨量实现全自动监测，而流量则采取自动监测与人工测验相结合的方式实现。

1 技术背景

1.1 技术原理

在四川省中小河流水文自动监测系统中，降雨量均采用翻斗式雨量传感器实现自动采集，水位通常根据各测验河段情况选用气泡、雷达、浮子等水位传感器实现水位数据自动采集，流量数据则通过声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)和电波流速仪等实现指标流速自动采集，再由流量自动处理终端实现在站流量解算，最终达到流量自动监测的目的。

1.2 技术特点

目前，国际、国内应用于河道流量自动监测的设备主要有接触式与非接触式两大类。

接触式分为层指标流速与垂线指标流速的采集。层指标流速采集设备有水平声学多普勒流速剖面仪(H-ADCP)、时差法超声波流速仪等；垂线指标流速采集有河底安装声学多普勒流速剖面仪(V-ADCP)等。这些设备长期固定在水下某一特定位置监测代表流层(垂线)的指标流速，根据测时水位的过水断面面积计算得到断面流量。

对于H-ADCP来讲，由于传感器固定于河岸水下某一特定位置，其监测的是所在位置那一水平代表流层的水层流速，当水位上涨或下降到一定位置时，所监测的层指标流速将发生改变。这种改变的规律性，通常要通过大量的率定分析才能获得，实践中存在较大的困难，同时，因受传感器的波束角与波束开角限制，该设备对测验断面形状也有一定要求。因此，该设备仅适用于一定水位变幅范围内的流速自动监测。

对于V-ADCP来讲，由于传感器需安装于河床底部具有代表性的垂线位置，监测该位置的垂线指标流速，而四川省大多数中小河流具有比降大、流速大、河床冲淤变化较大、洪水中夹带较多的推移质及各种暗浮等特性，该设备安装于河底时，其传感器、数据通讯电缆等在水下的安全得不到保障，因此未选用V-ADCP。

非接触式是利用电波流速仪采集水流表面流速，由于该设备是利用多普勒效应向水面发射电磁波，电磁波在遇到与水流速度密切相关的波浪质点运动速度时产生散射，在电磁波有效发射距离范围内，部分反射的电磁波产生频率偏移的回波被传感器接收，由多普勒频率方程换算成水流表面流速。由此可见，电波流速是靠电磁波借助于水面波浪产生的回波来监测水面流速，并且电磁波的发射距离也是有限的。特别是在低水时，电磁发射距离过远、流速过小而导致在水面波浪很小的情况下，电磁波所产生的散射较多，回波较少，所采集的水面流速就会失真，由多普勒频率方程所换算的水流表面流速也就失去代表性。因此，该设备对河道水面波浪与测量距离等是有一定的要求。而四川省中小河流在中高水时所具有的大比降、大流速，随水流产生的大波浪等特点，满足电波流速仪的运行条件，再借助于辅助设施安装，就可长期在线监测测验河段的水面指标流速。

以上两种测流方式，其原理不同，适应边界条件也不同。根据上述两类水流速自动监测设备的工作原理与运行条件，再加上合理地应用稳定的水位～流量关系推流，发挥各种技术手段的优势，对其进行合理组合、取长补短，方可实现河道流量全变幅自动监测。

1.3 技术方案

针对四川省中小河流特性以及已建水情信息组网结构，结合逐渐应用的水流速自动监测设备H-ADCP和电波流速仪的工作原理和特性，在枯水利用水位～流量关系查线法获取流量，中低水利用H-ADCP层流速自动监测、中高水利用电波流速仪水面流速自动监测(如图1所示)，按流速面积法获得断面流量。采取这三种流量获取手段相结合的技术方案，达到河道全变幅流量自动监测的目的。

这三种流量获取手段的启用与相互间的切换，由自动流量处理终端根据水位变化情况及预设的运行机制实现自动控制。

2.集成与应用

2.1 技术路线

H-ADCP和电波流速仪的主要功能是自动采集层指标流速与水面垂线指标流速，将指标流速带入事先率定的公式计算断面平均流速，再依据监测时的水位和监测断面换算的断面面积计算而得断面流量。

由于全省新建208个中小河流水文站，各水文站自动采集数据又以一采三发的方式向县(区)、市(州)、省中心平台中发送水情数据，为确保数据的唯一性，采取由各水文站现地自动计算断面流量，再由数据采集终端(RTU)通过信息传输信道，将实时水位、流量等水文要素上传到在线中心站为实时流量获取的最佳方案。

结合不同的测验河段特性，分为三种组合方式：H-ADCP &电波流速仪、单电波流速仪、单H-ADCP，实现水文站自动流量测验。

2.1.1 H-ADCP &电波流速仪

当测验断面适合H-ADCP运行条件，同时在测验河段有条件借用或架设专用过河缆道的条件下，在同一流量监测河段按H-ADCP与电波流速仪双配置的流速采集设备方案实现河道指标流速自动采集(如图1所示)。

图1 H-ADCP &电流流速仪

2.1.2 单电波流速仪

该配置是当流量监测断面因枯季水位非常低，且会出现断流情况，而高水流速、泥沙又比较大的测验河段时，仅借助跨河桥梁、架设专用过河设施或支架固定安装一个或多个电波流速仪，实现水面垂线指标流速自动监测的一种配置方案。

2.1.3 单H-ADCP

该配置是指在无法借用或不允许架设专用过河设施，且测验河段常年过水情况、水位变幅等相关因素都能满足H-ADCP监测条件的测验河段，仅采取单一的H-ADCP实现代表层指标流速的自动监测。

2.2 运行机制

2.2.1 水位～流量关系线

水位～流量关系线法是在枯季水位低至如图2所示状态时，H-ADCP或电波流速仪所测指标流速已经不具有代表性、自动监测设备出现故障、水位变幅达不到实时监测要求等情况下，则采取水位～流量关系查线法获取断面流量。

图2 H-ADCP枯水监测状态

2.2.2 H-ADCP实时监测

当水位上涨至H-ADCP所监测代表流层的层流速具有代表性的水位区域时，启用H-ADCP进行层指标流速自动监测(如图3所示)，然后采用流速面积法换算断面流量，从而达到流量自动采集的目的。

图3 H-ADCP层流速监测状态

2.2.3 电波流速仪实时监测

随着水位上涨至中水以上时，水面流速加快，河流水面随之产生波浪，其流态逐渐开始满足电波流速仪自动监测条件，由于H-ADCP传感器所处位置较低，其监测指标层流速失去代表性后，则启用电波流速仪进行水面指标流速自动监测(如图4所示)。

图4 电波流速运行状态

2.3 技术手段

2.3.1 设备集成

水文站自动监测设备由采集与控制、信息传输、电源供电及传感器四部分组成，分别在室内与室外监测断面(点位)集成安装。

自动采集与控制设备包括数据采集终端(RTU)、流量自动处理终端(FTU)；信息传输设备包括通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，简称GPRS通信)和北斗卫星数传终端；电源供电设备包括蓄电池与充电控制器等，集成于专用机柜内；太阳能电池、北斗卫星天线等安装于室外，采用相应的电缆按电器接线要求电连接。

按《降水量观测规范》要求，结合水文站具体情况安装雨量传感器，并与RTU通过信号电缆电连接；按《水位观测标准》要求，选择适合测验断面与河流特性的水位传感器安装，与RTU通过专用电缆实现电连接。

对于H-ADCP来讲，由于新建水文站的水位及水流特性均未掌握，为便于后期比测率定时调整H-ADCP传感器安装位置以及设备维护，其安装支架需结合测验断面具体情况，以能对传感器安装位置进行调整的方式，制作与之适应的倾斜式或垂直式导轨。通常情况下，无论采用何种导轨，H-ADCP轴线一般应与水流主流方向垂直，H-ADCP剖面范围宜覆盖整个过水断面，条件不满足时也应过中泓。同时，传感器固定支架要求必须牢固稳定，当水流冲击时不能产生弹动与震动。一般来讲，传感器初设入水深度是在有效监测水位区间距水面0.6倍位置处，与FTU通过专用电缆实现电连接，实施在线监测代表水流层的层指标流速。

对于电波流速仪来讲，可分为单点、移动多点、固定多点法。单点法一般是借助于水文缆道行车(或铅鱼)、跨河桥梁、专用支架等安装电波流速仪传感器，以短距离无线通讯或有线方式与FTU实现数据传输，在具有代表性的固定点位实施单垂线水面流速在线监测，获取断面指标流速。

移动多点法通常采用以下两种方案实现自动监测：一种方案是将电波流速仪安装于水文缆道行车上，以短距离无线通讯方式与FTU实现数据传输，随行车按预定点位移动实施多垂线水面指标流速监测，这种方案主要是在铅鱼无法入水进行高水流量测验时，以替代传统的浮标法高水流量测验；另一种方案是架设专用电波流速仪缆道，将电波流速仪安装在专用行车上，由控制终端通过短距离无线通讯模块自动控制行车按预定测验方案，对多个预设点位逐点进行水面指标流速在线监测。控制终端通过信号电缆与FTU实现数据交换。

固定多点法通常借助于跨河桥梁或专用横缆(电波流速仪专用缆道)，确定多条(一般是3条)垂线位置安装电波流速仪传感器，以短距离无线通讯或电缆直接连接方式与FTU实现数据传输，实施固定多点的水面指标流速在线监测；其点位的确定一般是在测验断面的左、中、右选取具有代表性的垂线位置，或是根据测验河段水面流态初定，后期通过与人工流量测验进行分析率定后，再对电波流速仪监测垂线位置重新调整。

2.3.2 采集控制

水文站雨量、水位、指标流速等的自动监测，均由数据采集终端(RTU)按预设的运行机制自动控制。RTU每5min在雨量、水位传感器上采集实时监测数据，并将采集的水位数据传送给流量自动处理终端(FTU)，再由FTU根据测流水位及预设的运行机制判断，是否启动相应的流速传感器。

当符合启用条件时，则控制流速传感器(电波流速仪或H-ADCP等)采集指标流速数据，依据事先设定的参数和方法计算出符合水文测验相关规范要求的断面流量；当不具备启用条件时，则根据实时采集水位通过预先置入的水位～流量关系直接推求流量。然后将实时流量、测流水位、流速传感器工况信息等写入输出缓冲区，由RTU通过查询方式获取，再由RTU按照四川水文测报系统技术规约编报，经信息传输通道(GPRS或北斗卫星)将实时采集的雨量、水位、流量等信息传送到在线中心站。

2.3.3 比测率定方案

(1)水位～流量关系线：在建站初期，采用比降面积与曼宁公式等方法，初拟一条水位～流量关系线，后期利用转子旋浆流速仪、走航式ADCP等标准流量测验设备，由人工在不同水位级进行实时施测、整编分析，再对初拟关系线进行修正。

(2)H-ADCP：利用水文缆道或走航式ADCP在不同水位级上进行流量实测，然后与H-ADCP同步实时监测流量进行统计分析，推求其流速回归方程的回归系数，并将其置入流量自动处理终端。

表1 H-ADCP常用的流速回归方程

其回归系数需通过多次反复分析率定，并对置入流量自动处理终端的回归系数进行修正直至得到基本稳定的水位流量关系。

(3)电波流速仪单点法：如果测站建设有水文缆道，一般优先考虑采用水文缆道转子流速仪法进行比测率定，分析流速回归系数。在不同水位级进行移动多点同步多次流量测验，分别计算各单次断面流量，通过统计分析推求其单点垂线流速系数、综合流速系数，再根据测验断面流速分布，找出具有代表性的测点位置，并将电波流速仪定位于分析确定的单点水面指标流速监测点位，同时将率定系数置入流量自动处理终端，从而实现电波流速仪单点自动监测。

(4)电波流速仪移动多点法和固定多点法：同样需要进行垂线流速系数、综合流速系数的率定，其率定方法如前所述。在无水文缆道的站点，也可采用走航式ADCP或其他满足流量测验规范要求的方法进行比测率定。