小清河水文设施在线流量监测方案比选

赵 琳，冯 洋，任泽俭

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014；2.山东润鲁工程咨询有限公司，山东 济南 250109）

小清河是济南市的泄洪通道，上游水源来自济南市的泉群，流经济南、滨州、潍坊、淄博、东营等市，在潍坊市羊口镇以东入渤海，其地势南高北低，遇到强降雨容易造成洪涝灾害。2019 年小清河流域受“利奇马”台风的影响，出现强降雨，部分地区发生严重洪涝灾害，暴露出不少问题。水文流量监测能力不足是重要的缺陷之一。为了密切监控小清河汛情，提高水文监测能力和预报能力，需对小清河原有水文设施在线流量监测系统进行提升和完善[1-3]。

1 在线流量监测方案比较

1.1 流速仪缆道在线流量监测

流速仪缆道是最常用的水文流量监测系统，近些年陆地水文逐渐采用雷达技术测流，结合流速仪缆道，设计特色行车，并集成雷达波测速设备，适用于多种流速的测流，形成流速仪缆道耦合雷达在线流量监测系统，它的构造与流速仪缆道相似，不过测速设备、信号传输方式、行车等有所不同。

1.2 雷达波测流系统

1）固定点雷达在线流量监测。固定点雷达有单探头和多探头之分。其中，多探头的固定点雷达测速系统传感器分为主雷达感器和分雷达传感器。主雷达传感器集成雷达测速传感器及雷达水位传感器，主控单元安装于主雷达测速传感器端，具备分控单元控制、信息采集与传输、参数显示及设置、充电控制等功能，含本地无线通讯模块。雷达波测速传感器自动记录流速、瞬时水位、测速垂线、设备状态等信息，通过4G 或GPRS 模块传输至中心站。

2）移动雷达在线流量监测。移动雷达在线流量监测，需要建设塔架和钢索，配置供电电源与避雷接地系统，通过系统控制器可以控制雷达测速行车在钢索上自动行走。自行走式雷达测速行车集成驱动电机、雷达测速传感器支架、雷达测速控制器、无线通讯模块、电池、充电接口等。系统控制器可以控制行车前进或后退、进行参数设置及显示、采集传感器数据并传输、实现小车的充放电等功能，同固定点雷达测速系统一样，可以获取流速、瞬时水位、测速垂线、设备状态等信息，通过4G 或GPRS 模块传输至中心站。

3）侧扫雷达在线流量监测。侧扫雷达是采用侧扫方式工作的雷达波在线流量监测方案，传感器安装在专用支架上，配有专用天线、仪器箱、供电系统、专用软件等。侧扫雷达的控制主机按指定时间间隔自动获取探测范围内水面流向及流速数据，实现监测数据的采集、存储并发送至中心站。

4）H-ADCP 在线流量监测。ADCP 属于声学多普勒测速传感器，具有测速精度高、适用于多种水深的优点，常用于流量设备率定，安装方式有移动式和固定式，而固定式又分水平式和垂直式。

1.3 声学时差法在线流量监测

声学时差法一般用于规则断面。安装超声波流量计配备水位感应计，可以测量出当前水位；根据水位和断面性质，计算出断面面积；超声波换能器安装于箱涵侧壁，通过换能器和测流软件计算平均流速；通过流量模型，可以建立起层流速与断面平均流速的关系，推算出断面流量，以实现流量的快速测量[4]。通过无线方式将流量信号传输至中心站。

1.4 方案比选

在线流量监测方案对比如表1：

表1 在线流量监测方案对比表

2 自动测流方式的适用性分析

不同测站根据不同的断面水深、宽度、流速以及水质情况选择适宜的测流方案。

1）流速仪测流。该法是接触式测流，在水文流量测验中是评定其他测流方法精度的标准方法，适用于中低水流量监测。如果断面位于河道洪水涨落过程中漂浮物较多，高洪水流速过大，采用流速仪测流将存在很大的安全隐患，可以使用水文缆道耦合雷达波在线流量监测系统。

2）雷达波流量测量。作为一种非接触式流量测量方法，该法对水质要求不高，不易受到水面漂浮物的影响。它适用于多种天然河流和河道。固定点雷达测速传感器可以安装在跨河桥上或河岸上，测量水面流速的速度快，还可以人工设定测量频次，适合高洪水时使用。但是，在低水量和小流速的条件下，雷达波速度传感器将出现0流速，因此它不适合测量小流速。侧扫雷达对设备的使用环境要求不高，可以安装在岸上，进而完成表面流速的测量，可以提供长期连续的数据，但成本较高，而且它对河宽和水深有一定的要求，例如河宽不能大于侧扫雷达的剖面范围。

3）H-ADCP 测流方式。此法也是接触式测流方式，对河道性状有一定的要求，如测流断面河床稳定、无明显冲淤变化、测流断面流态稳定、流速分布均匀，层流速分布有规律、断面水位面积关系稳定等，在洪水期间受漂浮物影响、水体中气泡、泥沙干扰，而且底沙、树等对仪器会有损害，需要定期清淤、维护成本高。可适用于符合使用条件的水文站或人工渠道。

4）声学时差法流量计。此法比较适合在中速、含沙量低、不易淤积、断面规则的水体中进行测流，不适用于过宽或断面变化太大的河道，对上下游直管段的长度有特殊要求。

3 小清河水文设施流量在线监测方案

小清河干流大部分主河道通过灾后重建与综合治理后，河槽形状会更规则、河床会更稳定，而小清河支流的河槽形状大都不规则。结合小清河流域各水文测站测流断面情况、供电与交通条件等，根据上述研究分析，流量在线监测方案为：3 个水文站采用水文缆道合并缆道雷达在线流量监测方案，6 个水文站采用移动雷达在线流量监测方案，22 个水文站采用固定点雷达在线流量监测方案，2 个水文站采用侧扫雷达在线流量监测方案，2 个水文站采用H-ADCP 在线流量监测方案，1 处汇入河道的管道断面附近安装2 声道时差法超声波流量计。