铅鱼测流系统在绥德水文站实际工作中的利弊分析

2020-11-20高远

陕西水利 2020年10期

高远

（陕西省延安水文水资源勘测局，陕西延安 716000）

1 绥德水文站概况

1.1 基本情况

绥德水文站位于陕西省绥德县名州镇薛家畔社区，属国家重要水文站，设立于1959 年6 月，是大理河的出口水文站，其控制流域面积为3893 km2，占全流域面积的99.7%，距河口距离4.43 km。主要收集断面以上大理河流域的各项水文特征，主要测验项目有：水位、流量、泥沙、泥颗、降水、蒸发、墒情等，从而掌握该河段水量、沙量变化过程及规律，为当地和下游地区的国民经济建设服务。

1.2 河流特性

大理河干流全长170 km，河床比降为3.16‰，流域面积为3906 km2。大理河流域有黄土梁土间河源丘陵沟壑区（简称河源区）和黄土梁峁丘陵沟壑区（简称丘陵区）两个地貌类型区。流域内梁峁起伏，沟壑纵横，沟壑密度为5 km/km2～6 km/km2，沟深为50 m～150 m。丘陵区地形破碎，土质疏松，沟壑密度较大，沟蚀、重力侵蚀活跃，是流域内主要产沙区。实测资料统计表明，大理河流域多年平均径流量为14530 万m3，径流年际变化很大，年最大径流总量达2.5 亿m3，最小仅为0.92 亿m3。多年平均输沙量为3820 万t，年均侵蚀模数为1.68 万t/km2，局部地区高达3 万t/km2。

1.3 气候情况

大理河流域属典型的温带大陆性季风气候。冬季受蒙古冷高压气流控制，风多、气寒、少雨雪；夏季受西太平洋副热高压和河西走廊、四川盆地低压控制，酷热、干旱、多暴雨；春季为过渡季节，据绥德县气象站实测资料，多年平均出现七级以上大风46.6 次，春季最多，占全年的41%；冬春多西北风，夏秋多东南风。多年平均气温9.7℃，年极端最高气温38.4℃，年极端最低气温-25.4℃，月平均气温以一月最低，为-7.5℃，七月最高为24℃。年日照2615.1 h，日照率59%。多年平均降水量为439.5 mm，7 月～9 月3 个月降水占全年降水量的60%左右。年平均无霜期165 d，绝对无霜期120 d，早霜最早9 月15 日。河流结冰期10 月上旬～次年3 月中下旬。

2 测流设施设备情况

2.1 吊箱测流

由于大理河流域内特殊气候条件以及独特的地质构造，大理河上出现的洪水表现出含沙量大，涨落速度快等特点，所以测流难度很大。自绥德水文站1956 年建站以来，主要的测流手段是吊箱测流。

吊箱测流是缆道测流的一种,是利用一个悬挂在主索上的吊箱(或称缆车)来进行测验。吊箱上装配悬杆悬吊仪器的设备，工作人员在吊箱内进行测量操作。吊箱测流主要存在的不足之处主要有：（1）安全度差。吊箱测流历来被喻为“铁笼子”危险作业，虽然由于发展改进，但在汹涌的洪水上测流稍有疏忽就可能出现事故；（2）工作强度大。面对波涛起伏的洪水测流过程，工作人员一直处于高度紧张状态，测深杆、采样器、流速仪悬杆的操作除有相应技巧外还需要有足够的力气。

2.2 铅鱼测流系统

2017 年绥德水文站遭遇“7.26 洪水”。吊箱被洪水冲毁，为不耽误测验，绥德水文站利用其它水文站替换下来的一套老旧铅鱼测流系统应急测流。该套铅鱼测流系统的工作原理是利用挂在铅鱼顶端的无线信号发射器将流速仪转数信号转换成无线电信号发射出去，室内的无线信号接收器接收到流速信号后蜂鸣并计数，测流人员用秒表计时，从而完成测流。这套设备测流时存在的问题主要是：（1）设备只能发射测流信号，没有其他的功能；（2）信号发射器与信号接收器距离较远时信号不稳定，会出现信号丢失的情况；（3）信号发射器供电是靠外接一节9 V 电池，每次测流时都要装上电池才能使用，不太方便；（4）在流速较小、流速仪转速较慢时，流速仪的一组转数信号有可能会发送三次无线电信号，所以信号接收器显示的信号数会大于实际信号数；（5）流速仪转速过快时，信号发射器会出现信号来不及发送从而漏掉转数信号的情况等。

3 铅鱼测流系统的利弊

由于存在上述诸多不便，为提高测验精度及效率，2018 年陕西省延安水文水资源勘测局对绥德水文站进行维修改造，更换了全新的铅鱼测流系统。

3.1 工作原理

改进后的测流系统是通过铅鱼、循环索、绞车、地线、大地、水体形成一个完整电流回路，由挂在铅鱼上的主控盒利用该回路将流速信号、水面信号、河底信号等直接传输到操作台，在操作台上集成完成测流作业。铅鱼测流系统简易图见图1。

图1 铅鱼测流系统简易图

3.2 优点

经过一个完整汛期的使用后，新的铅鱼测流系统对比旧的铅鱼测流系统主要优点有：

（1）操作台集成了流速信号计数、计时、流速仪参数设置等功能，可以根据传输回来的信号直接测算出该测点的流速，不需要像从前一样人工数信号和用秒表计时，既保证了计算的准确性，又节约了时间。

（2）起点距计算及显示装置更加先进。以前使用磁感应计数器时，齿轮转一圈只有6 个感应点，两个感应点之间的距离为10 cm，计数器的数要乘以0.1 m 才是正常的起点距，误差较大，并且计数器只能累加计数，不论铅鱼向前或者向后运动时起点距一直是在增加，使用起来很不方便。新的起点距计算装置将齿轮转一圈的距离划成60 等份，精度更高，同时还可以实现铅鱼向前增加计数、铅鱼返回减小计数的智能起点距计算，并且在操作台上有专门的起点距显示器，可以直接读取起点距数据，测流更加方便。起点距显示器有断电记忆功能，下次启动时可以直接使用，不用重新设置。

（3）铅鱼上的主控盒可内置电池，拆卸也很方便，定期更换电池就可以，不需要每次测流都安装电池。

（4）由铅鱼、循环索、绞车、地线、大地、水体形成的完整电流回路是物理实体连接方式，传输信号更加稳定，干扰小，不会出现测验信号丢失的现象。

（5）铅鱼上增加了水面信号和河底感应装置。操作台上有专门的水深显示器，铅鱼地板接触到水面时开始计数，河底感应装置发回信号就结束计数，这样就可以测量更深的水深，从而使得测量更大的流量成为可能，使铅鱼测流的上限进一步提高。

（6）循环锁上增加了张力保护器。铅鱼到达河底后，循环索松弛，张力变小，保护器就会自动关闭铅鱼下降开关，不会出现循环索太松出槽的现象，从而保证设备和人身安全。

3.3 有待改进之处

新测流系统对比以前的测流系统在易用性、可靠性、安全性等方面都有很大提高，但在实际工作使用过程中还存在一些有待改进的方面，主要有：

（1）参数设置不便。操作台上流速测算装置中设置流速仪参数只能从0 开始慢慢加上去，不能用数字键直接设置；该装置没有记忆功能，两架流速仪切换时，只能重新设置参数，不能提前录入参数然后直接选取需要的流速仪型号。

（2）易受天气影响。连续长时间干旱天气时，大地含水量降低使得导电性变差，导致地线与水体之间通过大地传输信号时会受到影响，会出现信号丢失的情况；连续阴雨天气时，循环索各处都会被淋湿，绝缘效果变差，信号回路也会受到影响，导致不能进行正常测验。

（3）铅鱼上的河底感应装置适应性差。绥德水文站的测验断面为淤泥质河底，洪水涨落急剧会造成河底冲刷或淤积，使得河底不平整。当铅鱼到达河底时，铅鱼底板不能及时弹起来，因而河底信号不能及时发回操作台，会导致所测水深大于实际水深，测验数据出现较大误差。

（4）主控盒绝缘性能差。安装在铅鱼上的主控盒有4 个接线柱都裸露在外边，没有做绝缘处理，在小水且水质较好时对测验工作没有影响，但是涨水时大理河的河水含沙量以及电解质含量变高，导电性也变好，主控盒入水后会出现短路的现象，测验信号就会混乱，互相干扰，不能正常使用。而且主控盒用螺丝固定在铅鱼尾翼上，有四条导线连接在铅鱼上，使得拆卸不太方便，绥德水文站的主控盒就因无法取下，长时间暴露在室外导致内部温度过高，出现了电池漏液现象，这对主控盒内部电路安全以及测验工作的正常进行都造成了影响。