缆道式雷达波自动测流系统在喀麦隆曼维莱水电站中的应用

张培甫 罗碧喜

曼维莱水电站水文站位于厂房尾水下游，地处恩特姆峡谷地带，两岸覆盖着浓密的原始丛林。该流域面积为26 350 km2，整个流域地形较为平坦，上游支流众多，多为平坦的沼泽地。流域地形可以分成两部分，从尼亚贝桑上游50 km的玛安到河源地形较缓，平均比降为1/1 800，从玛安到河口地形较陡，平均比降为1/300。该流域及附近前期有12个雨量站、5个气象站和2个水位站，水文资料较少，为满足电站安全建设对实时水文资料的需求，水文站建设迫在眉睫。

1 缆道式雷达波自动测流系统原理

缆道式雷达波自动测流系统的建设目标首先是要在测流断面上设定若干条实测垂线，利用缆道系统自动将雷达波测速探头布设在这些垂线上方实测水面流速，然后将采集到的垂线水面流速数据通过无线方式发送到流量计算设备（如测流计算机）中，流量计算设备根据水面流速系数计算出代表垂线的平均流速，再利用率定的雷达波实测水面流速与人工实测垂线平均流速的关系模型，计算出垂线平均流速。系统同时采集当前水位，通过水位面积关系得到过水面积，从而实现河道流量的实时在线监测，并按照水文资料整编要求输出成果。该系统可实现对缆道和测流设备的自动控制，水文数据信息的自动分析处理和传输；可将水位、垂线流速、工况参数、报警信息和其它水文参数实时远程传送到中心站，从而将该水文站建成全自动无人值守水位、流量实时在线监测遥测站。

2 测流断面选择

测流断面的初步选择原则是河段顺直、稳定，水流集中，无分流岔流、斜流、回水、死水等。顺直河段的长度应大于洪水时主河槽宽度的3倍以上。测流断面要求上下游比降大，水面波纹规整。河段内无巨大石块阻水，无巨大漩涡、乱流等现象，基于上述要求及现场实际情况拟在WSD8设置为测流断面。

3 垂线布设

测流断面上测速垂线的选择原则主要是考虑测速垂线布设在中泓位置，不影响航运，其垂线水面流速与垂线平均流速关系好。测流断面的选择原则是在不同水位下尽量减少中泓的摆动。“根据河流测验规范，探测的测深垂线数目，应能满足掌握水道断面形状的要求。”及现场断面实际情况，布设4条垂线。起点距位置为40、55、70、80 m。

4 仪器安装

雷达波测速探头等主要仪器安装采用缆道悬吊测流设备方式。安装结构如图1所示。雷达波测速探头安装在不锈钢野外机箱底部，野外机箱利用4个滑轮悬挂在2根主导轨钢丝绳上，采用循回牵引钢丝绳直接牵引，以控制雷达波测速探头移动到所测垂线上方。缆道钢丝绳通过5组导向轮控制连接，直流电机通过减速器直接连接到机箱上的驱动轮上。通过对直流电机正反转的控制，实现雷达波测速探头的前后移动。驱动轮转轴上安装光栅编码器，通过对光栅编码器输出脉冲的采集，计算驱动轮转数，从而计算出雷达波测速探头的前进（后退）距离，控制雷达波测速探头达到设定的测速垂线上方。

考虑到野外工作环境条件的制约（需防风、防雨、防潮、防锈、防晒、防蚊虫进入和通风散热），野外机箱采用不锈钢材料，设计成扁平厂房状，便于设备的安放和维护，内部空间以能安放需要的设备为条件，预留配重物安放位置，箱体体积要尽量小。为避免强风造成雷达波测速探头测量角度的变化产生的测量误差，在野外机箱内部安装倾斜计，系统控制器在雷达波测速探头测量前先测量倾斜角度，当发现倾斜角度超过设定值后，暂缓该次测量，等角度恢复到小于设定值后，再进行流量测验。

野外机箱内部的设备供电和数据通信采用无线连接方式，系统控制器直接用无线电台连接雷达波测速探头。雷达波测速探头的供电采用机箱上的太阳能电池板和内部安装的蓄电池。

雷达波测速探头安装在不锈钢材料的安装罩上，安装结构图如图2所示。安装罩斜面与水平方向成58°的倾斜角度（基于声学多普勒测量的最佳测量角度）。安装罩顶部翻边为横板，安装罩的横板架搁在野外机箱的底部板上。雷达波测速探头采用螺钉安装在安装罩上，这样雷达波测速探头和野外机箱连接为一个整体，且拆卸检修方便。

图2 雷达波测速探头安装结构图

雷达波测速探头内置有角度传感器，可实际测量倾斜角度，即使野外机箱在实际运行过程中有一定的偏斜角度，雷达测速探头也可以按倾斜的角度自动修正实测水面流速数据。

5 测设方式

缆道式雷达波自动测流系统采用无人值守模式，当需要测流时，系统控制器给直流电机上电，将雷达波测速探头开出移动到第1条垂线位置上方，然后通过电台给雷达波测速探头发送启动工作指令，雷达波测速探头收到指令后，开始进行水面流速测验，当完成第1条垂线水面流速测验后，系统控制器启动直流电机将雷达波测速探头开出移动到第2条垂线位置上方，并启动雷达测速探头开始进行第2条垂线水面流速测验。如此重复完成指定所有垂线水面流速的测验后，系统控制器记录当前雷达测速探头停止位置并给直流电机断电，然后将实测出的各条垂线水面流速数据和当前水位通过无线通讯模块发送到中心站，中心站流量计算设备接收到各条垂线的水面流速数据后，根据率定的垂线水面流速关系（0.855）计算出断面平均流速，根据实测的水位数据计算过水面积，从而实现流量的实时测验。系统控制器同时将遥测站蓄电池电压等工况信息一并发送到中心站。

完成一次系统测流后，雷达车会停留在最后一个断面处。当开始下一次测流后，雷达车会进行复位，修正雷达波测速探头的当前起点距位置，从而消除移动所产生的的累计误差。

根据实际水位情况，还可灵活修改测量模式，包括每日施测次数、施测时间等。主要分为常规定时施测模式；水位上涨超高模式；上涨超过高水设定值加密施测模式；临时手动加测模式。当洪水水位超过设定的警戒值，测站的通讯设备自动开机，接收中心水文站的远程召测；水位低于设定的警戒值后通讯设备自动关机，恢复定时通讯机制。强风停测模式，当室外风速较大，雷达波测速探头倾斜角度超过设定角度后，系统控制器停止水面流速测验；当风速较小，雷达波测速探头倾斜角度小于设定角度值后，系统控制器恢复雷达波测速探头正常工作。低水位停测模式：当水位低于设定的停测水位值后，系统控制器停止测流系统运行。当水位高于设定的停测水位值后，再恢复为常规定时施测模式；流量的测量模式参数设置在系统控制箱内部存储芯片上，可根据需要任意修改。

6 成果输出

流量的算法仍然采用传统的流速面积法。计算机是通过通讯模块收集实时垂线流速分布数据和水位数据，计算实时断面流速和流量，测流软件具有日/月流量、水位过程线和报表等功能。

中心站计算机接收到系统控制器发送的信息后会自动进行数据解析计算，并进行资料整编形成报表，方便用户使用，不用再进行繁琐的数据采集以及数据统计与计算。中心站软件不但有数据信息的直接反馈，还有过程线统计图的直观显示，操作简单方便，还能对信息数据源进行修改并保存用户需要统计与计算的新数据以及断面垂线分布、工作参数、岸边系数、天气参数、仪表参数、站点信息的设置修改与保存。

此软件还提供了查询功能，可对解析数据通过折线图的图表形式更加直观地了解水位流量变化信息，用户还可以对数据进行编辑与保存。

中心站计算机可以根据接收到的工况信息，生成施工日志格式文件。用户可以随时查询水文站工作情况。

7 结语

喀麦隆曼维莱尾水水文站无线缆道式雷达波自动测流系统的建设应用，使得在一些极端环境下传统方法无法实现的流量测验成为了可能，极大地补充了传统流量测量方法的空白。实现了全自动无人值守水位流量实时在线监测，对于解决陡涨陡落山区性河流高洪流量测验的危险性大、劳动强度高等问题具有重要借鉴意义，可在相关水文站建设中推广应用。