全自动缆道测流系统在灵关水文站测验中的应用
2020-01-13
(四川雅安水文水资源勘测局，四川 雅安，625000)
1 测站概况
灵关水文站位于四川省宝兴县磨刀溪村以东，地理坐标：东经102°50′、北纬30°13′，是青衣江宝兴河流域的代表性测站，流域集水面积约为3036km2。灵关水文站建成于2010年1月1日，于当日开始雨量和水位等水文观测，同时进行河道流量测验及相关资料的收集，主要的测验项目包括降水、水位、流量等。该测站属于流量测验的三类精度站，在建立初期属于流域专用测站，并于2018年1月1日转为基本站。测验河段为1000m长的顺直河段，沙卵砾石河床，下游约300m处的弯道由本站中高水控制，以下为一急滩，由本站低水控制。急滩以下300m是沙场堆料场地，其对灵关水文站断面水位流量关系仅存在细微的影响。灵关水文站位于华能小关子电站、灵关电站以及华能铜头电站之间，水位流量关系受到上游电站闸门启闭的严重影响。测量结果表明，灵关水文站断面流速纵横向分布均属正常，该站测验河段两岸防洪堤已经砌好，调查测绘显示，大洪水工况下左、右岸均不发生漫滩。
2 全自动缆道测流系统工作原理
全自动缆道测流系统包括水文绞车、交流电变频设备、程序控制器(PLC)、信息储存卡、编码传感器、计算机辅助系统等构成部件，测流过程通常手动控制或由计算机全自动控制。在进行断面参数人工选择的基础上，根据测流需要设定垂线，并开启全自动运行程序，系统便会按照程序完成测点测流，并自动完成数据的采集和存储。全自动缆道测流系统使用程序控制器(PLC)代替继电器控制，降低了硬件发生故障的可能；用数据采集卡工业控制系统代替测速测算仪，确保了铅鱼定位精度及流速仪测流精度的提升；用串口变频器通讯代替模拟量控制方式，还可以在PLC程序控制和软件控制两种方式之间随机选择[1]。此外，全自动缆道测流系统还具有以下系统优势[2]：
(1)提前减速。确保测量精度，避免硬性停车对设备造成的损坏，控制铅鱼无序摆动，提升测流进度；
(2)垂线重测。全自动缆道测流系统为测流中如遇水草纠缠流速仪而出现测点流速异常时的垂线重测提供了可能；
(3)断面补测。若由于特殊原因未完成本次测流，待条件允许时可以继续从上次未测的垂线开始实施补测，无需重复之前的测流过程；
(4)紧急避让和水位修正。测流时如遇来船或漂浮物，则通过手动按钮控制铅鱼进行避让，绕过后，测流系统则自动重新定位和水位修正，恢复测流。
3 全自动缆道测流系统在灵关水文站测验中的应用
灵关水文站全自动缆道测流系统建成于2015年1月并投入使用，比测及分析的项目主要包括起点距、水深、流量等。比测结果基本符合《水文缆道测验规范》(SL 443-2009)的具体规定。
3.1 起点距比测
全自动缆道测流系统测距能够进行缆道主索垂弧度的自动修正，其修正主要依据标定分段系数进行，也就是采用实测法求得若干段线的修正系数，将其存入数据库，待系统运行时，运用软件修正各段的系数并求得起点距的精确值。
令测绳实际长度分别为：x1，x2，x3，…，xi；水平距离分别为：y1，y2，y3，…，yi；水平距离之差分别为：z1，z2，z3，…，zi；测绳长度距离差分别为：w1，w2，w3，…，wi；测验各段系数分别为：k1，k2，k3，…，ki。
由于，分段系数=水平距离差/测绳长距离差，则：
w1=x2-x1
z1=y2-y1
k1=z1/w1=(y2-y1)/(x2-x1)
由灵关水文站断面测量成果的分析结果可以确定，该测站起点距比测的河宽取13.5m，在测站河宽和断面情况确定的基础上，确定起点距比测垂线14根，并于断面处均匀分布。起点距比测资料主要根据经纬仪所定位数值及自动缆道测流系统系数配置分段数值加以确定，详见表1。
由表1比测分析结果可以看出，全自动缆道测流系统实测结果比经纬仪定位数值略小，最大绝对误差达到0.16m，垂线定位的误差并未超过河道宽度0.5%的范围，而且随着缆道主索跨度及垂度的增大，误差逐渐增大。铅鱼实测归零误差在0.15m～0.25m范围内，符合《流量测验规范》(GB 50179-2015)所规定的精度要求。
表1 灵关水文站起点距比测分析结果 单位：m
3.2 水深比测
灵关水文站测流断面和基本水尺断面重合，流量测验断面起点与主河槽距离11.5m～25.5m，主要为淤泥质河床。进行全自动测流缆道测深和测深杆施测水深的比测分析时，将水深比测的范围控制在0.25m～0.35m以内，标准水深值采用测深杆施测结果，比较全自动缆道施测水深的绝对误差与相对误差，结果详见表2。
表2 测深杆与全自动缆道测流系统水深测量结果对比
由表2结果可知，在14次比测过程中，测深杆与全自动缆道测流系统水深测量结果最大相对误差为-3.57%，平均值为-1.83%，最大绝对误差为-0.05m，平均值为-0.02m，绝对误差在±0.00～±0.05m范围内，符合《河道流量测验规范》(GB 50179-2015)的精度要求。全自动缆道测流系统所测水深值偏大，存在一定的测验误差，对于这一问题可以通过调节水深转换系数使其取值更接近水深实际而予以解决[3]。
3.3 实测流量对比分析
对于相同断面及水位条件，根据全自动缆道测流系统进行起点距的定位，并采用测深杆和全自动缆道同时进行水深测量。流量测验的测深和测速垂线按照1m的间隔布设，具体垂线数量依据断面流速分布情况而定。按照低中高水位级别所计算的流量总误差在1.5%～5.5%范围内，系统误差不足±1%，符合《河道流量测验规范》(GB 50179-2015)的规定。
4 结论
综上所述，全自动缆道测流系统测流主要由计算机实施全自动或手动测流控制，两种测流方式所生成的断面流量数据均符合相关规范规定，在灵关水文站测流中应用十分成功。结果表明，全自动缆道测流系统测验结果准确、技术先进，自动化操作、运行可靠，提升了灵关水文站水文测量结果的精确程度，实现了测站水文测验工作向自动化、智能化的转变，在水文测站测流方面值得推广。
