湖北清江高坝洲水文站流量自动化监测实践

杜兴强　秦凯　杨成　包小鹏

摘要：传统流量测报方法受工程调度、水位流量以及测验断面形态等因素的影响，存在测量效率低下、施测误差较大等问题。通过近几年对湖北高坝洲水文站流量自动化监测的探索、实践、改进和完善，采取新建H-ADCP监测台、改进仪器安装方式、升级设施、优化流量率定和计算过程等措施，该站实现了高精度在线监测和自动报汛。应用实践表明：通过流量在线监测可获得河道流量的变化过程，大幅提高了水文成果精度，同时降低了员工劳动强度，对于水文监测信息化创新实践具有一定的指导意义。

关键词：流量测验;流量自动化监测;H-ADCP;高坝洲水文站;湖北

中图法分类号：P332.4 文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.004

1水文站概述

清江属于长江的一级支流，发源于湖北省恩施州利川市之齐岳山，流经利川、恩施、宣恩、建始、巴东、长阳宜都等7个县市，在宜都陆城汇人长江，全长423kmo高坝洲水文站位于清江下游，属于国家基本水文站网，清江河口流量控制站，流域面积约16700km？l。高坝洲水利枢纽工程（以下简称“高坝洲工程”）位于高坝洲水文站上游约2km，见图1。

该站流量施测主要受以下3个方面影响：①高坝洲工程调度频繁，一次来水过程仅持续0.5～2h，而采用传统的缆道转子式流速仪法施测流量，历时约1.5h。②长江宜昌水文站在汛期流量达15000m/s时，开始受回水顶托影响，呈现“同水位下流量差异极大、不同水位而流量相同”的特点，水位流量无关系可循，断面流场紊乱，传统流速仪施测流量误差较大。③测验断面呈“W”形，起点距80～159m之间有长约1000m、宽约79m的卵石洲，卵石洲顺河势呈“7”形，从上游约600m开始延伸至下游约400m处，将水流分成两股。一般情况下，右汉常年通流;水位上涨至39.50m时，左汉开始通流。

近30a来，高坝洲水文站测验工作受上游水利工程、汛期长江回水顶托以及所处的河道地形与大断面形状等影响，断面流量变化过程难以测到、测准，给水文资料收集、报汛以及整编工作带来了较大困难，亟待探索一种新的流量测验方式。

2流量自动化监测应用情况

水平多普勒流速剖面仪（H-ADCP）可实现在仪器安装位置一定范围内的多点流速施测，操作方便、快速高效、稳定可靠2。2009年，H-ADCP应用于高坝洲水文站，并开始探索自动化流量监测。

2009年5月，综合考虑测验断面的形状和水流状态，在测验断面左岸紧贴岸边修建了1座垂直滑道型混凝土H-ADCP试验监测台，如图2所示。支架位于起点距30.0m处，顶部通过栈桥与站房连接，在垂直支架上安装轨道，使用滑轮调节水下H-ADCP至代表高程点的位置;使用卡钳装置将H-ADCP紧固于轨道上，防止其授水流冲击而发生抖动。

流量监测系统采用Q-MONITOR流量通软件，最小单元长度设置为0.50m，最大剖面范围为90.00m，盲区1.00m，单元数量180个，盐度0，采样时间间隔60s，数据平均时段30s。

H-ADCP测验系统调试完成后，使用转子式流速仪进行流量测验结果比较。通过建立各水情条件下流速仪实测断面平均流速与H-ADCP指标流速V指标的相关关系模型，基于水位插补水道面积计算流量，并确定测验误差3。

（1）当水位在39.75～42.22m范围时，仪器安放在高程39.59m处，V指标采用1～25区间回放值，得到流量关系式为

（2）当水位在42.10～48.91m范围时，仪器安放在高程41.81m处，V指标采用5～20区间回放值，得到流量关系式为

式中，Q为流量，m/s;V指标为指标流速，m/s;A为断面面积，m？。按照每年汛前实测大断面点绘水位一面积曲线，摘取多个水位一面积节点用于H-ADCP流量计算;当断面发生冲淤变化时，及时施测大断面并更新水位一面积关系。流量摘录时，计算全部指标流速V指标对应的流量。经过各种水流条件下的比测和分析，其流量单次偏差计算、总体样板误差分析结果等指标均满足规范要求4，具体见表1～2。

高坝洲水文站成功实现了流量自动化监测，有效监测了流量的变化过程，大幅提高了水文成果精度，同时也降低了员工劳动强度。

3流量自动化监测改进措施

经过几年的运行和实践，H-ADCP流量在线监测系统在扩大流量自动监测的水位范围、提高监测成果精度以及全面实现测验数据的自动化计算等方面还需要改进和完善。

3.1新建H-ADCP监测台

当水文站水位处于小于39.50m的低水位级时，河道分为两汉，左汉为死水，右汊常年通流。在前期H-ADCP在線监测试验的基础，上，2017年初在右岸基上457m新建了1座H-ADCP监测台5，，如图3所示。将H-ADCP直接安装到右岸主洪道区——投影到该断面的起点距约为240m，使断面主流区、深泓区等主要水流包含在H-ADCP换能器测速剖面（从右岸往左岸）范围内，测得的流速具有更好的代表性，在线监测的水位范围更大。

3.2改进仪器安装方式和升降设施

仪器在水中测量时，受水力冲击影响，难以控制水下测量姿态角度的稳定性，纵摇、橫摇在测量过程中发生变化，测量精度受到影响。实践表明，仪器安装位置采用“凹槽式”设计（见图4）可降低水流对仪器的冲击，有效解决仪器在水下测量时姿态角度的稳定性问题。

通过改进H-ADCP升降设施，加装转动轮，采用轨道式电力自动升降替代原人工手摇式。当汛期暴雨过程中杂草、树枝、胶带等异物易缠绕仪器时，或因其他原因造成仪器故障而不能正常工作期间，使用轨道式电力自动升降设施，使对仪器的维护工作更便捷、安全，同时也增强了换能器上下升降过程中的稳定性。

33优化率定及计算过程

通过打破传统率定时采用单一的一次或二次式公式推导的固定模式，基于V与V实测样本数据，率定H-ADCP指标流速V;与断面平均流速Vn的曲线关系（见图5）。采用类似水位流量单一曲线的方法，率定出V、V关系节点。通过符号、适线、偏离数值三项检验以及误差和不确定度等计算，确定了该方法率定精度更高，在多次不同水流条件下同步比测发现，改进后的自动化监测流量误差接近为0。

改进了指标流速到断面流量的计算过程。由指标流速推算断面平均流速，再由水位推算面积，最终推算出断面流量的计算方式虽然简单，但累积数据量庞大，计算10d的数据需要大约2h，人工提取数据计算费时费力。H-ADCP流量计算软件可自动计算并实时显示当前测验的时间、水位、断面面积、指标流速平均流速和流量等各要素值（见图6）。

4流量自动报汛

流量监测系统包括测量设备、数据接收端、数据传输通道水情数据中心以及提供数据查询的PC端和移动APP端。测量设备向水流中发射脉冲声波，然后接收被水中颗粒物散射回来的声波，转换为指标流速数据。数据接收端通过RS232或RS-422串口，直接接收测量设备采集的指标流速并存储。通过H-ADCP流量计算软件将指标流速自动换算为流量成果数据，再利用服务提供商和用户之间建立的专用线路，将H-ADCP数据独立传输使用的移动专线作为主信道，以Internet公网为备用通道将数据发射至水情数据中心，实现了流量成果的自动报汛。

通过PC端和移动端APP登陆水情数据库，可随时查看实时监测的水文成果数据，实现了用户通过APP随时查询监测数据、及时了解最新水情的功能。

5结语

高坝洲水文站近几年通过对流量自动化监测的探索、实践、改进和完善，最终实现了高精度的流量在线监测和自动报汛。流量自动监测成功替代了费时费力的缆道转子式测流。改进后的流量自动化监测系统投产后，通过了各种水流条件下转子式流量对比测验复核验证，结果表明：在线监流量测精度高、成果可靠，且资料整理整编过程更简洁、高效。高坝洲水文站流量自动测报的经验可为类似受水利工程影响下的流量测验提供参考借鉴。

参考文献：

[1]黄先龙，褚明华，郑治军，等.“2016-7”清江流域洪水调度方案分析[J].人民长江，2017，48（4）：28-31.

[2]陳金浩，黄士稳，吕耀光.定点式声学多普勒流速仪的应用难点与误差分析[J].水文，2016，36（5）：69-73.

[3]GB50179-2015河流流量测验规范[S].

[4]SL337-2006声学多普勒流量测验规范[S].

[5]王俊.长江水文监测体系的创新实践[J].人民长江，2015，46（19）：26-29，34.

（编辑：李晓濠）