天津市水资源水量实时监测方法探索与实践

顾 琦

（天津市水务工程运行调度中心，天津 300074）

中共十九届三中全会审议通过《中共中央关于深化党和国家机构改革的决定》和第十三届全国人大一次会议批准《国务院机构改革方案》后，各地推进了政府行政管理职能的改革，水务、生态环保、自然资源、应急管理等部门加强了水资源监管，加大了对水资源水量实时监测信息的需求，使得水文服务经济社会发展的作用凸显，迫切需要取得及时可靠的水资源水量监测信息服务于各管理部门，使水文服务由立足水利向服务全社会转变。

1 现状与问题

天津市现有国家基本水文站30 处，主要分布于一级防洪河道上，测站控制主干河流，踞守断面，自动监测手段较低。天津水文多数测站长年来一直采用水力因素法推求流量并计算水量，即根据测得的流量数据和闸孔过流时水工建筑物不同闸门开启形式进行堰闸率定，以相关水力因素及过流流量系数建立相关关系，采用水力学公式法推求流量和水量。

近年来，新建水文水资源监测项目中中小河流监测系统设测站36处，共55个水位监测断面；水资源监控能力建设项目（一期）新设测站133处，共223个水位监测断面。测站基本覆盖了天津市主要排水河道，但新建测报站点仅建设了断面水位监测设施，水量仍需巡测流量再结合水利工程工情信息加以推求。

天津市大部分地区处于海河流域下游的滨海平原区，河流具有断面宽浅、水流相对较缓的特性。由于水文测验受水利工程调节、下游潮（洪）水顶托、冬季结冰、河道干涸等影响，天津地区河流的水位与流量不能形成单值化关系，所以上述国家基本水文站和地方专用测站所采用的以推流整编方法计算水量不能满足各管理部门对水资源水量监测信息的时效性需求。

2 技术调研与分析

针对天津水资源水量实时监测存在的问题，天津水文部门开展了相关监测技术的研究与探索。流量测验方法很多，但水资源水量实时监测必须是自动监测方法。流量测验方法选择首先与驻测、巡测或无人值守自动测流的测验方式相关，然后根据断面形态和河道冲淤变化、水位涨落率、测验人员、交通便利等情况进行优选。各常用测验方法的适用情况记述如下。

（1）流速仪法。当水流流速没有超出流速仪的使用范围时，可使用此法。

（2）水工建筑物法。适用于已有可利用水工建筑物的河道，包括适用于比降较大、有一定含沙量的河渠量水槽、量水堰。

（3）声学法。适用于含沙量较小、断面较稳定且可以安装声学流速仪或流量计的河道。

（4）电磁法。适用于水草丛生、漂浮物较多的河流。

（5）电功率法。适用于用水泵供排水且水泵工作曲线稳定的泵站测流。

（6）水表法（转子流量计）。适用于各种管径、净水的满管流量测量。

（7）电磁管道流量计法。适用于中小管径、各种天然水的满管流量测量，要求有较好的工作环境。

（8）农用水表法。适用于中小管径、各种天然水的满管流量测量。

（9）声学管道流量计法。从原理上可分为多普勒法声学管道流量计和时差法声学管道流量计，从适用范围上可分为满管和非满管流量计。

（10）走航式声学多普勒法。适用于河渠水流流量测验。

（11）电波（或雷达波）流速仪法。分洪、溃口洪水应急监测时可用此法。

（12）浮标法。防洪应急监测或水资源监测上，当水流速度或水深很小不能用其他方法测流时用此法。

（13）其他。分洪、溃口洪水紊流较为强烈时，可采用示踪剂稀释法、卫星遥感法、无人机航空测速法和无人机航空摄影法等。

通过对上述流量测验方法及仪器设备的系统设计建设，系统应用数据自动采集、固态存储、通信和计算机网络等技术，实现水资源水量的实时自动测报。目前，国内明渠流量在线监测采用最多的方法主要有水位流量关系法、非接触式流速仪法（电波或雷达波）、侧扫雷达测流法、定点式声学多普勒流速仪法、超声波时差法、量水槽（巴歇尔槽）等实时在线流量监测方法。

由于天津地区河流受工程调节影响，水位和流量不能形成单值化关系，所以水位流量关系法在本地区不适用；量水槽（巴歇尔槽）适合小型河渠使用，但建设成本巨大，不能满足水文水资源监测系统建设的经济实用原则。

3 技术探索与实践

近年来，随着监测技术的发展，天津市水文部门开始了水资源水量实时监测的探索与实践，尝试在个别水文测验断面试验性安装在线流量监测设施。

（1）侧向H-ADCP。在中小河流水文测报系统建设中，在多站点的水位自动平台上安装测流支架，外挂H-ADCP（侧向）在线流量监测设施，实现在线测流。侧向H-ADCP 只能测得某一层水的线流速分布，而且是近岸的一段，以此来代表全断面平均流速，会有较大误差。因此，应分析该流速与全断面平均流速间的关系，进行率定后方可推求断面流量。由于天津市河流断面宽浅，季节性有水，大部分时间干涸，所以该仪器适应性不强且需要做大量的率定工作。

（2）二线能坡法。金钟河水文站船闸改建成抽水泵站后，该船闸过流断面测流缆道被拆，水位观测平台因断面改造无法使用，无任何测验设施，仅靠泵站过水历时推流，误差大，不符合相关规范要求。通过试验性地安装应用二线能坡法流量在线监测系统，实现流量自动测报。该方法仪器安装在河底，仪器故障时维修较难，同时对仪器设施设备运行维护要求非常之高，否则会影响流量测验精度。

（3）双垂线法。在水资源监控能力建设二期项目中，共建设5处双垂线法在线测流设施，实现水资源水量自动监测，该系统目前正在试运行。该方法仪器安装在河底，运行维护要求同二线能坡法。

（4）非接触式雷达波测流法。2019 年，在青龙湾减河牛家牌桥建设非接触式雷达波自动测流设施1处。考虑本断面过水条件（高洪时中泓流速＞2 m/s）、建设难度及抗洪抢险对水文信息的需求，采用非接触式雷达波测流法建设了流量自动监测系统，实现流量实时信息的自动测报，可以满足抗洪抢险救灾对水文信息的时效性要求。但该方法在流速较小时受风力风向影响严重，测得水面流速误差较大，以致流量测报精度较差，不能满足水资源计量考核的需求。

（5）超声波时差法。2019年12月引滦调水由新开河向海河干流补水期间，在新开河耳闸船闸内试验性地安装超声波时差法流量自动监测设施，实现流量的实时自动测报，该设施目前正在试运行。超声波时差法测验精度较高，在引江工程计量中有大量应用，但该仪器设施对测验断面的安装要求较高。

通过新技术应用和探索实践，并通过和科研院所合作，天津水文部门开发和应用了一批高新科技成果。这些成果减轻了水文测站运行维护的难度，减少了运行维护的成本，保障了维护人员安全（减少涉水作业），提升了水资源水量实时监测能力。

4 设计方案及新技术应用

通过深入调研分析现代水文监测技术，借鉴先进单位建设经验，天津水文部门创新性地开展了“水资源水量实时监测站”建设方案的典型设计，设计主要内容如下。

（1）流量监测原理。用流速仪精简分析方法确定简测法测流的垂线流速测验位置，用多个声学多普勒流速仪代替转子流速仪，同时实时监测多条垂线平均流速，用面积流速法施测实时流量。

（2）设计原则。设计坚持经济实用、安全可靠、严格标准、技术先进、高度集成的原则。

（3）管理模式。监测站采用“自动采集、无人值守、委托看护、巡测校核、定期维护”的运行管理模式。

（4）监测项目。包括流速、水位、降水量、风力风向。其中，水位、流量、降水量是水资源管理的主要水文要素，水位是计算过流断面面积的水文要素，过流断面面积和流速是自动测报系统计算流量的相关因素，风力风向是流量成果可靠性的辅助项目。

（5）监测站设施。包括流量（流速）、水位、降水量、风力风向、视频监测设施。

（6）监测站主要构成。①岸上工作站流量采集设备专用机柜。该机柜是工作站的主要组成部分，内部集成含供电系统（市电和发电机）、照明设备、控制系统、数据采集和无线传输系统、绞车、仪器架、工具架等设备及管理规章、操作规程；外部安装太阳能和风力供电、视频防盗、标志牌、警示牌等设备。②岸上工作站多功能设备专用机柜。该机柜在有水文站房的测站内无需安装，内部集成含照明设备、安全设备、计算设备、保障设备及管理规章、操作规程；外部安装太阳能和风力供电设施，降水量、风力风向、视频水位观测设备，测站标志和简介牌等。③断面测验设施。含水尺等水位观测设施，定点式多普勒流速仪法固定安装设备和声学多普勒流速仪。④测验河段基础设施。含断面桩、断面标志牌、断面标志杆、水准点、断面保护标志、断面界桩、测站标志、观测道路等。⑤辅助设施。含设备专用机柜基础、防雷、围栏等。

在“水资源水量实时监测站”建设方案的典型设计中，应用了视频水位、防盗、矮桩式水尺、高度集成柜、多方式供电、防漂移、防结冰、可通航设计等水文监测新技术。

5 结语

水资源水量实时监测工作是水资源管理的基础，长期以来受资金、测验方法和仪器适用性等相关技术条件限制，天津市的水资源水量实时监测工作已相对滞后，监测精度、流量监测设备的运维等问题长期不能得到解决，限制了天津水文的现代化发展。笔者介绍了在此背景下的监测技术方法探索与实践，拟通过应用监测新技术进行创新性设计和建设，走出天津水资源水量实时监测之路。通过项目建设，为天津市水资源的统筹规划、综合治理、合理开发、优化配置、全面节约和有效保护发挥作用。