智慧分区流量测验方法在基本水文站的应用及研究

高利伦

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 墨脱水文站位置概况

雅鲁藏布江是中国最长的高原河流，位于西藏自治区境内，也是世界上海拔最高的大河之一。雅鲁藏布江发源于西藏西南部喜马拉雅山北麓的杰马央宗冰川，上游称为马泉河，由西向东横贯西藏南部，绕过喜马拉雅山脉最东端的南迦巴瓦峰转向南流，经巴昔卡出中国境。其水能蕴藏量丰富，在中国仅次于长江。

从派乡到墨脱县希让村长220多km的河段内，河床下降了2 200 m，平均1 km内跌落约10 m。奔腾的江流在迂回曲折的峡谷中奔流，蕴藏着充沛的水力资源，而这大拐弯峡谷的地貌形成，又为丰富水力资源的开发利用提供了难能可贵的条件。经初步计算，大拐弯峡谷中的水力资源占整个雅鲁藏布江水力资源的2/3以上。

基本水文站位于墨脱县德兴乡境内，距离下游雅鲁藏布江大拐弯出口希让村40 km左右，在这40 km河段，只有雅鲁藏布江一级支流白马西路河汇入，在目前经济社会条件下，汇入口下游交通十分不便，不具备水文站工作人员生活生产条件。出于可操作性的前提，墨脱站基本可以充当大拐弯的出口门户水文站，对了解整个大拐弯的水情信息具有较好的作用。

2 墨脱基本水文站概况

基本站的外业人员居住站房与测验站房分开布置，站内有常规缆道一座，供流速仪流量测验使用，枯水期声学多普勒流速剖面仪（ADCP）亦可缆道水平运行模式下使用。水文站还布置有简易跨河缆索一根，供雷达波流量测验使用；远程自动记录水位计一台，可以自动提供整时水位数据，数据通过GPRS传输到手机终端；自动记录水位计一台（非远程传输），用以数据校正及保障数据不因客观原因导致数据缺损。

图1 基本水文站位置Fig.1 Location of basic hydrological station

3 基础站大断面描述

由于墨脱县没有国家水准控制点，目前基本站高程采用假定基面高程。根据12年实测资料，在大断面控制处，年水位变幅为14.02 m，枯水期河面宽度在160 m。根据基本站建站前初步勘察测量，枯水期表面最大流速为3 m/s左右，洪水期最大推算流速为8 m/s以上。大断面枯水位以下为砂砾石河床，枯水常年水位以上河底为巨型块石。洪水期水面常有巨型浮木。大断面图见图2。

图2 墨脱基本水文站大断面图Fig.2 Large section of Motuo basic hydrological station

4 基本站常年水情

根据站点建设前初步勘察及结合雨情初步推算，雅鲁藏布江流量变幅很大，从枯水期的800 m3/s到洪水期超过10 000 m3/s，流量变动幅度极大。每年的枯水期从10月份到次年3月份，在此期间水位变化不大；从4月份开始，水位逐步上涨，流量也随之增大；到6月份，整个流域进入雨季，河水出现暴涨暴落的情况，丰水期来临，此种情况一直持续到9月份；从9月份开始，水位逐渐回落。

5 基本站流量测验仪器配备情况及测流过程

基本站按照建站规范要求，配备了常规缆道，并且为缆道配备了智能控制台，该设备具有技术先进、运行可靠、操作简便等特点，符合水利部水文缆道建设规划，适用于大中型河流的传统流量测验，为基本站流速仪流量测验提供了设备基础。

水文缆道智能测控台主要由水文绞车交流变频无级调速控制、PLC可编程控制系统、智能缆道测距和无线测流等组成,可实现对测流铅鱼的出车、回车、下降、提升的无级变速控制和自动减速停车控制，出车、回车和下降、提升的位置测量、显示，以及在全断面范围内的流速测量和计算等功能。控制台设有测点自动减速停车、水面信号复位和河底信号返弹停车功能。智能缆道测流系统示意图见图3。

图3 墨脱基本站缆道示意图Fig.3 Cableway of Motuo basic hydrological station

ADCP是一种新型流量测验设备，可以测量距其一定范围内的许多点的流速。一台ADCP可以替代许多台机械式电磁式流速仪，能测量河道流速的三维分量：Vx、Vy、Vz。ADCP基于公式（1）计算流量：

式中：Q为流量；s为河流某断面面积；u为河流断面某点处流速矢量；ξ为作业船航迹上的单位法线矢量；ds为河流断面上微元面积。

雷达波无线测流机器人的雷达波流速传感器安装在水面上方50 m内，面向来水方向发射雷达波，方向尽量与水流一致，俯仰角通常设为45°。此种测流方法是基于浮标测流原理，整合雷达测速技术和机械的远程智能控制资源而设计的一种流量自动测验仪器。雷达波流量测验示意图见图4。

图4 雷达波测流机器人流量测验示意图Fig.4 Flow measurement by radar wave measurement robot

由于墨脱县城条件差，能源供应十分落后，基本站为测流系统配备了专用发电机。发电机发电带动缆道控制系统及缆道循环系统，流速仪借助缆道平台，在大断面不同的垂线上升降，测量垂线点流速，进行流量测验。ADCP测船也是借用缆道的单水平运行模式，浮动于水面，以探头发射短波信号，进行流量测验。雷达波测流机器人自带充电动力系统，可通过雷达波专用缆道，在不与水接触的情况下，完成流量测验。

6 各流量测验仪器优缺点及对比

利用流速仪进行流量测验是我国水文测验的传统方法，其技术成熟、单点测验精度高，可以适应较大的流量测验区间。但受控于垂线及垂线测点的密度分布有限，加上紊流状态下流速分布的不均匀性，其测流精度不高，测次之间的中误差较大。此外，由于全是机械物理运转，单次测验耗时较长。

ADCP测验精度高、测验历时短、不同的运动轨迹不影响测流效果。ADCP的缺点为在大断面过流量超过一定量后，水流流态进入高度紊流状态，ADCP测验就会出现盲区，使测验质量大大降低。此外，ADCP仪器贵重，在洪水期江面有浮木等情况下，容易造成仪器损伤。

雷达波测流以非接触方式测流流速，不受空气温度、湿度、降雨、水深、浑水、水面漂浮物影响，适合山区性河流、洪水期和特殊水情下的流量测验。但雷达波测流也存在着缺点：由于其基于浮标测流的原理，测验精度较低，尤其在枯水期，河面流速误差更大，导致测验精度比丰水期低。此外，雷达波测验过程是将雷达波测验机器人悬挂于河面以上，受到河谷季风的影响较大，尤其是在墨脱基本站的春季，河道季风盛行，雷达波机器人测验流量受到很大的限制。

各个仪器测流的对比见表1。

表1 各流量测验仪器对比Table 1 Comparison of some flow measurement instruments

其中，流速仪测流历时最长，测验过程最为复杂；测流机器人由于不与水面接触，虽然历时较ADCP长，但是，不依赖外部动力源，测流过程简捷迅速；ADCP历时最短，测验精度也是最高。

7 流量测验智慧分区描述

根据基本站的水雨情、仪器的优缺点、测验成本及测验过程的外部因素影响，把大断面按照每个水文年里不同时期的水位流量特征进行分区，在不同的断面区间选择合适的流量测验仪器，对大断面进行智能化分区，使整个流量测验过程效率更高、精度更高。

在枯水期，此时期历时较长，水位变幅不大，测验精度要求高，此区域定义为C区，这个区域流量测验的仪器选择ADCP测船，测船精度高，可以辨识水位微小变化下的流量变化。

枯水期过后，水位上涨，但变幅不大，河道水流向更加紊乱发展，但是还没有达到丰水期的超级紊流，ADCP测船依然可以发挥作用，定义此区间为D区。

随着降雨增加、水位上涨、水流紊乱度提高，ADCP的测验功能逐渐丧失，这个时段选择传统的流速仪进行流量测验。由于水位变动幅度适中，流速仪能达到很好的测验效果，定义这个区域为B区，在这个区域，智能缆道系统将发挥主要作用。

随着雨季的来临，降雨大幅增加、河水暴涨，并且出现非常洪水。由于流速仪要深入水下，提升、下降等过程增加了测验难度及测验风险，因此最好选择一种不与水流接触的测验仪器。这个适合测流机器人的区域定义为A区。在这个区域，河面相对更为宽阔、水面流速大，测速雷达的精度更高，流量精度在这个区域也要高于其他区域。

分区描述见表2。根据测流整体因素考虑，将大断面不同水位的流量测验以分区的形式划归到不同测验仪器的使用上，分区情况如图5所示。

表2 仪器与大断面分区对照表Table 2 Corresponding relation between instrument and section zoning

图5 墨脱基本水文站大断面分区图Fig.5 Section zoning of Motuo basic hydrological station

8 结语

笔者基于生产实践，将常用流量测验仪器与水文站大断面之间建立联系，使得流量测验这一常用的野外工作得以智慧化地实现，同时也为雅鲁藏布江大拐弯的出口提供了一个智慧化的水文量测系统。