水文监测技术在明渠水量自动监测中的应用

□陈楠（河南省水文水资源局）

水文监测技术在明渠水量自动监测中的应用

□陈楠（河南省水文水资源局）

2011年11月，国家水资源监控能力建设项目在全国范围内实施。项目着重开展取用水户特别是中型以上灌区渠首取水监测工作。项目建设后水量监测站点大量增加，为减轻项目运维资金及人员压力，项目建设中以先进的测报与网络技术为基础，采用在线自动监测的方案。文章着重介绍可利用在明渠水量自动监测站中的水位-流量关系法、垂线流速分布模型（单垂线）法两种水文自动监测方案的基本原理、适用条件、测站结构等相关技术要求。

水文；监测；明渠；水量；自动

1 引言

2012年9月，为实行最严格的水资源管理制度，实现“三条红线”的考核目标，国家水资源监控能力建设项目在全国范围内实施。水利部、财政部明确项目按照“三年基本建成、五年基本完善”的总体部署，分两个阶段开展实施，一期项目已基本建成；二期项目计划进一步提高农业用水监控比例，为了减轻日后运行维护压力，二期建设采用“无人值守、有人看护、巡测管理”模式进行建设，在灌区渠首建设一批流量自动监测站，实现数据自动采集、长期自记、自动传输。

文章论述了水位-流量关系法、垂线流速分布模型（单垂线）法两种可应用在明渠流量自动监测中的水文监测技术。

2 水位-流量关系法监测方案

2.1 基本原理

根据渠道监测河段的水位、断面等资料，利用曼宁公式计算不同水位及下的断面平均流速和流量，建立水位-流量关系曲线，再根据实测流量对计算的水位-流量关系进行率定。

式中：Q-流量，m3/s；A-断面平均流速，m2，A=f（h）；V-断面平均流速，m/s；n-河床糙率；R-水力半径（m），（R=A/X，即过水断面面积A与湿周X之比）；I-水面比降。

2.2 适用条件

适用于人工渠道、水位-流量关系稳定的标准断面：测流断面上下游渠道应顺直，无明显扩散或收缩；河床稳定，坡度应均匀，无冲淤变化；糙率应一致，水流应平稳；水位要素糙率有较好的对应关系；不受下游建筑物回水影响。该方案具有工程造价低、安装方便的特点，但易受环境影响，需要长期率定。

2.3 测站结构组成

浮子式水位计、遥测终端机RTU、太阳能板、蓄电池、充电控制器、GPRS/CDMA、三防箱、简易测井、防雷设备及接地系统、测井基础等。

2.4 设备安装

采用高度5m、直径φ219 mm的镀锌钢管作为简易测井的井体，渠道底部浇筑0.50 m×0.50 m×0.50 m的基座（基座顶部与渠道底部高度一致），并浇筑连接法兰盘的地脚螺栓。井体通过法兰盘与基座相连。井体中上部应使用安全拉线与地面固定（对于矩形断面的渠道，井体下部应通过抱箍固定在渠道一侧的侧壁）。井体下端背水面应开槽以使渠道与侧境内水体连通。浮子水位计安装井体的顶端，实现水位自动监测。设备安装示意图见图1。

图1设备安装示意图

浮子式水位计要求井体垂直，测井直径足够安装水位计、浮子和平衡锤，并保证浮子和平衡锤吊索不缠绕，井内要有防淤积措施。简易井由于直径小，防浪效果差，在井底应增设格栅消浪装置。

3 垂线流速分布模型（单垂线）法监测方案

3.1 基本原理

采用坐底式安装方法是在渠道监测断面的渠底部安装一台多普勒明渠流量计，监测一条垂线的平均流速。根据断面的垂线流速分布规律，推算垂线的平均流速，其模型公式如下：

3.2 适用条件

适用于中小河流和渠道的流量自动测量。设备自身的测速能力限制了应用，不适用过浅、流态紊乱和较高含沙量的河流；测流断面处要有适宜安装的地点，以减少人为及航运等干扰因素；在实际应用时，宽度在50 m以内的人工渠道用一条测速垂线即可，对于宽度在50 m以上的宽浅河道，建议用两条测速垂线。该方案设备价格昂贵，且需加装水位监测设备，工程造价偏高。

3.3 测站结构组成

气泡式水位计、明渠流量计、遥测终端机RTU和GPRS/CDMA主/备通讯设备等，实现数据的无线传输，设备供电方式采用太阳能供电，配置100 W太阳能板一块和100AH蓄电池。

3.4 设备安装

气泡水位计安装参考浮子水位计安装方法，气管置入水下时，应采用钢管护套，管道较长时应有足够多的固定支撑，确保不被水流冲击损坏；水上部分气管应沿垂直支撑杆固定。明渠流量计采用坐底式安装，终端箱及电源系统安装在岸上仪表支架。

明渠流量计安装在水下水平支撑臂上。水下支撑系统采用不锈构件与热镀锌钢管结合的方式，采用2 m钢桩垂直嵌入河底，顶部略高于河底0.10 m左右，以活动关节连接水平支臂一端。水平支臂的另一端连接一20 cm×40 cm的不锈钢平台，用以固定流速传感器。水平支臂的长度可根据水深的大小选择确定。工作状态时，水平支臂依靠自重沉卧于河底，当仪器需要检修维护时，可以通过水平支臂将流速传感器拉出水面。当水深超过1 m时，应考虑自动沉浮装置，以便在设备检修时能够自动浮出水面。

由于单垂线或双垂线监测站的功耗较大，所配置的太阳能供电系统需要1～2块100 AH的蓄电池组，并与RTU等仪器全部集成在三防箱内，因此，必须为室外部分的设备提供牢固可靠的安装平台。岸上仪表的装置建设在监测断面附近岸上（根据地形条件，不超过5 m范围内）。采用2根长10 m的标准电力水泥杆，直立在监测断面附近，埋深2 m。距地面6 m处安装工作平台，用于固定仪表箱。水下线缆上岸后与电源线、接地线一并进入水泥杆内部，接入仪表箱内。

明渠流量监测站的电源系统全部采用太阳能供电系统。太阳能板安装在岸上支架的仪器安装平台上，蓄电池组和RTU、充电控制系统等集成在三防箱内。

遥测数据终端RTU与三防箱配套使用，集成在三防箱内。根据安装的环境分为室内三防箱和室外三防箱，根据安装方式分为壁挂式和落地式。箱体采用铁质，外表涂防浅灰色防锈漆，防护等级达到IP54以上。

4 其他

水位-流量关系法监测方案需要根据实测流量资料对理论的水位-流量关系进行修正，垂线流速分布模型法监测方案需要实测流量资料对模型参数进行优化。因此渠道型水量自动监测站完工后需要进行不同水位级的人工比测率定工作。采用人工观测水位（水深），并符合《水位观测标准（GB/T50138-2010）》水位观测要求。按照精测法布设测速垂线和测点，采用流速仪实测过水断面各测点流速，计算各垂线平均流速、相邻垂线间平均流速及部分面积，进而计算部分流量及过水断面流量；采用多项式拟合水位-流量关系曲线公式，并进行推流误差评定及检验，率定流量监测的测速垂线、测点布设及施测符合流速仪法精测法要求，按照要求做好记录，填写流量测验成果表。每一流量系数，应积累不少于30次的实测资料，均匀分布于流量系数相关要素的全变幅内，至少应覆盖变幅的75%。如果断面不稳定，不是单一关系曲线，测次要增加。采用多项式进行关系曲线拟合，应符合要求，高水部分延长不应超过实测值所占水位变幅的30%，低水部分延长不超过10%。推流误差评定及检验要求：高中低水率定测次应不少于10次，系统误差应不大于±2%，随机不确定度不大于±11%，对各条关系曲线的测点应做符号检验、适线检验和偏离检验。符号检验α值采用0.25，适线检验α值采用0.05，偏离检验α值采用0.10，当三种检验均接受原假设时，认定该关系曲线正确、可用。提交的最终水位-流量率定成果可参考《国家水资源监控能力建设项目灌区渠首取水在线监测技术指南》相关要求。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文学［M］北京：中国水利水电出版社，2013：39-40.

P332

B

1673-8853（2017）11-0033-02

陈楠（1983.7—），女，工程师，主要从事水文测验、水文水资源工程建设管理工作。

2017-9-19

编辑：符蕾