山东黄河流量测验设备及测验方法变迁

杨凤栋，陈学虞，庞 进，杨 峰，张 佳

（黄委山东水文水资源局，山东济南250100）

山东黄河流量测验设备及测验方法变迁

杨凤栋，陈学虞，庞 进，杨 峰，张 佳

（黄委山东水文水资源局，山东济南250100）

河流流量是描述某河流水文要素的重要参数，也是反映河流水量多少的重要指标。山东黄河流量测验方法自建国以来以流速面积法为主要测验方法，但由于测验设施、设备的不断发展变化，流量测验历时、精度和时效性也不断地发生着变化。本文通过分析山东黄河建国以来流量测验设备的发展变化，阐述科学技术发展及科技创新对水文测报技术发展的重要性。

山东黄河；流量测验；设施设备

1 渡河方式

山东黄河流量测验主要在测船或吊箱上进行。完成一次流量测验，测船或吊箱需要在选定的断面上从一岸移动到另一岸，测船或吊箱移动的方式叫做渡河方式。渡河方式、测流历时、测验精度随着渡河设施的改进而由繁至简、由长至短、由低至高。山东黄河流量测验渡河方式大致分为拉纤法、高吊缆法、机船法和水文缆道法四个阶段。

1.1 拉纤法

拉纤法是依靠人力将测船拉到断面上游，让测船在水流和船工的操控下从一岸移渡到另一岸的方法。

1.1.1 人工拉纤、一锚一点法

建国初期，流量、输沙率测验主要使用无动力木船、依靠人工拉纤的方式完成，即“人工拉纤、一锚一点”法。这种方法是施测流量时人工将木船拉到测验断面上游某合适位置（该位置能使测船在船员操控和水流作用下顺利漂移到施测垂线上游抛锚点）后停止拉纤，让木船在水流和船员的操控下漂向抛锚点抛锚定船，然后放松锚链（锚链一般长10～30m左右，在系锚处系有起锚绳）将船下滑到测验断面第1条垂线进行测验，测验完毕人工拽拉起锚绳起锚移动测船施测下一条垂线。因为起锚后测船在向岸边靠近的过程中被水流冲向断面下游1～3km或更远，测船离岸边越远下滑距离越大。测船靠岸后船上测验人员下船拉纤上行，将船再拉到断面上游另一适合施测下一条垂线的位置后停止拉纤，然后重复以上各步工作，施测第2条垂线。如此往复，一次流量10多条垂线需要移动10～20次船。施测一次流量一般需要十几个小时，如遇滑锚、淤锚，测验历时会更长。渡河方式落后，工作艰苦、安全无保障、测验精度差。

1.1.2 立式绞关长锚缆牵引（一锚三点）法

“人工拉纤、一锚一点”渡河方式使用了近三年。水文职工不断总结创新，1953年，黄河艾山、泺口两水文站职工首先使用了“立式绞关长锚缆牵引法”。这种方法是将锚缆加长，缠绕固定在测船头部的立式绞关上，起锚时人工推动绞关，起锚后测船又滑向断面下游。施测下一锚时，重复“人工拉纤、抛锚定位”的方法。这种方法一锚可以施测1～3条垂线，窄深河道的水文站3～4锚即可完成全断面流量测验。“立式绞关长锚缆牵引法”的使用替代了人力拽拉锚链起锚，锚缆的加长使一锚能施测3条垂线，较之“人工拉纤、一锚一点法”减少了两次拉纤过程，明显降低了劳动强度，缩短了测验时间，提高了流量的测验精度。

1.2 高吊缆水力绞关法

高吊缆法即在测验断面上游300m左右处靠近主槽的一岸堤坝上竖立1根高10m左右的木杆或钢管，用以悬吊测船，高吊缆通过船头导向轮、船尾导向滑轮缠绕在水力绞关轴上，测船在艄公的操控下借助缆索的牵挂和水流的冲击左右摆动。

立式绞关长锚缆牵引法使用过程存在两方面问题，一是测验时间稍长便出现河床泥沙淤埋锚犁和锚缆现象，二是人力推动立式绞关劳动强度大。1954年，高村水文站职工在实践中发明了高吊缆。用高吊缆牵引替代了立式绞关长锚缆牵引移渡测船进行测验，一次可摆进测船200～300m，一般水文站配合小型测船不用拉纤可以完成流量测验，缩短测流历时3/5，但仍用人力推立绞关起锚。1956年，艾山水文站职工研制了水力绞关替代了人推立式绞关。高吊缆、水力绞关的联合使用使测船逆行、左右移动、铅鱼升降及定位测验变得省时、省力、方便。较之“一锚三点法”又缩短了时间，降低了劳动强度，提高了测验精度。

高吊缆、水力绞关的使用解决了锚缆淤积问题，替代了人工推转绞关，进一步缩短了测流历时、降低了劳动强度、提高了测验精度。但高吊缆适用于窄深河道且有堤坝的测验河段，对于宽浅河道宜与“一锚三点”法配合使用完成测验。

1.3 机动船渡河

上世纪60年代末，开始使用机动测船或以机动测船牵引木测船配合长缆重犁水力绞关，采用一锚三点或多点法施测流量。首先，泺口、高村、孙口水文站先后配备了机动测船；70年代末，艾山、泺口、利津、陈山口水文站先后配备了钢板测船和冲锋舟；至2013年底山东测区各干流水文站全部配备了机动测船。使用机动测船后施测一次流量在100分钟左右，测验安全和资料精度进一步提高，但机动测船功耗大、费用高，船体对水流有一定扰动。

1.4 水文缆道

1964年，泺口、艾山、利津、陈山口4水文站建设使用了水文缆道。其中东平湖陈山口水文站最先使用了吊箱缆道，泺口水文站最先使用吊船缆道。1979、1980年孙口、高村水文站相继建成使用了吊船缆道，其中高村水文站缆道是黄河上单跨最大、支架最高的吊船缆道；1999年利津站建成使用了吊船吊箱两用缆道，该缆道是黄河上第一个利用高能电池作吊箱升降能源的半自动化缆道。2000年后，随着科技进步和水文投入的增加，渡河设施发生了质的变化。目前，高村、孙口、艾山3水文站均有吊船、吊箱缆道各1套，泺口水文站有自动化测流缆道和吊船缆道各1套，利津站有吊船吊箱两用缆道1套，陈山口水文站吊箱、自动化测流缆道各1套。

吊船缆道是利用水流冲力及缆道的牵引完成测船渡河测验。吊箱缆道基本实现了吊箱的水平、升降运行电动化，起点距测量自动化，只需要3人就能完成流量测验，实测一次流量仅需70分钟左右，大幅缩短了流量测验历时，减少了测验人员数量，特别是测验垂线定位准确使得测验精度大幅提高，自动化测流缆的建成进一步保证了大洪水期间的流量测验。

2 流速仪悬吊方式

流速仪悬吊方式及铅鱼大小，都直接影响流量的测验历时和质量。建国初期，山东测区流速仪悬吊设备经历了从无到有，从简陋到相对先进的发展过程。最早的流量测验没有悬吊设备，测速时将流速仪悬板捆在有刻度的木杆上或悬挂在木船的桅杆缆绳上进行测速。1953年后，水文职工自己研制的木质流速仪绞车普遍应用于各水文站流量测验。1955年后又将木质绞车改为带轴承的钢架绞车，这种绞车的起吊重量、悬臂长度较木质绞车有了大的改进，并且转动灵活。1970年前后，部分水文站配备了手摇、电动两用绞车。1990年前后，各水文站大型测船配备了电动水文绞车，中、小型测船配备了轻型钢架绞车，部分水文站使用了手摇悬杆。目前，各水文站均配备了变频调速绞车，实现了流速仪升降限位控制和水深测量自动化控制。

3 起点距定位

建国初期，流量测验中的测速、测深垂线位置是用经纬仪交会法、视距法和辐射线法确定。其中，经纬仪交会法是在岸上根据2个已知点坐标确定待定点位置的方法（图1）；视距法是在测流断面上用直接测量视距的方法确定待定点的位置。这两种方法是由技术人员在岸上测定，垂线位置不固定。辐射法是在岸边根据固定垂线位置沿水流方向埋设2组标志杆，由河中船上技术人员目测确定垂线位置的方法（图2）。50年代后期各水文站开始用六分仪采用后方交会法在测船上测定断面垂线位置（图3），这种方法测验人员能根据水流及河势变化情况随机确定垂线位置。迄今山东黄河多数站仍在使用六分仪交会法进行垂线定位。

目前，使用吊箱缆道测流的水文站均使用缆道定位系统进行定位，个别水文站开展了GPS定位试验研究。

图2 辐射线法测定断面垂线位置示意图

图3 六分仪交会法测定断面垂线位置示意图

4 水深测量

水深是计算流量的三大基本要素之一，其测量方法直接影响水深的精度。山东测区各水文站水深测量从建国初期至今主要使用的方法是简易木杆测深、测深锤测深、重铅鱼测深和测深杆测深。目前常用的方法是重铅鱼和测深杆法测深；部分站研制了智能悬杆和铅鱼测深，并成功应用于中、低水时期的流量测验；适用于黄河水深测量的数字化测深方法正在山东测区各水文站试验推广。

5 流量计算方法

随着计算工具的变化，流量记载计算方法在不断变化。上世纪70年代以前主要使用算盘、流速和起点距查算表计算流量。船上测验人员将实测的水深和起点距角度报给记载人员，记载计算人员在船舱内听电铃记载流速仪转数、掐秒表记载测速历时，依据查算表查出流速及起点距数值后用算盘计算流量。其后计算器、微型电脑不断推广应用，并替代算盘应用于流量计算。1999年后，计算机普遍应用于山东黄河各水文站流量的记载计算，测验人员将实测数据输入计算机后，计算机就会输出符合规范要求的流量记载计算表及各项流量特征值，效率高、出错少，表格清晰统一，为资料储存和后处理提供了方便。

6 现代化流量测验技术

随着科学技术的不断发展创新，流量测验技术装备和测验技术也在不断地发展、提高。目前常用的有H-ADCP在线流量监测设备、走航式智能型相控阵ADCP、非接触雷达测流系统及自动化测流缆道，这些先进的流量监测设备已在我国江河流量测验中得到广泛应用。但因黄河是一条多徙善变、泥沙多的河流，水中悬沙瞬时变化及河床表层泥沙连续移动，这些先进仪器在黄河流量测验中均受到不同程度的制约。目前，走航式ADCP与常规流速仪的比测试验在山东测区已取得成功，黄河流量测验现代化即将成为现实。

7 结语

建国六十多年来流量测验设施设备发生了重大变化，测验水平得到长足发展。渡河方式从人工拉纤到吊船缆道、电动吊箱缆道、自动化测流缆道，一次流量测验历时从十几个小时减少到1h左右，水深、垂线间距开始使用现代化仪器测量，流量计算方法实现了程序化等等，走航式ADCP开始用于流量监测。这些变化大幅度减轻了水文职工的劳动强度，缩短了流量测验历时，提高了单次流量测验精度及代表性、可靠性，同时也对水文职工的技术素质、文化水平、操作技能提出了更高的要求。随着科学技术的不断创新发展，水文监测仪器设备和测验方式方法也将会不断发展变化，监测技术、质量和时效性也会相应提高。

TV11

A

1672-2469（2015）10-0024-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.08

杨风栋（1961年—），男，高级工程师。