智能水文缆道在某水文站的应用

崔花瑞，李连云

(河南省安阳水文水资源勘测局，河南 安阳 455000)

0 引言

全面提升水文监测、预测预报和服务支撑能力，使水文成为水利行业监管的“尖兵”和“耳目”，是新时代对水文工作提出的新要求。目前，水文监测中流量测验大部分仍然采用涉水、船测及半自动缆道方式进行，人工观测费时费力、效率低下，容易出现人为误差和错误，且无法自动整编和分析，信息共享困难，与水文自动化、现代化目标极不适应，服务水利、服务社会的水文效益无法得到充分发挥。因此，为满足新时代水利和经济社会发展对水文工作的需求，只有不断深化改革，进一步加强技术创新，全面推进水文现代化建设来解决。山东省潍坊水文局积极推进水文现代化建设，将先进的水文测报技术应用于生产实践中，以无人值守和快速获取水文信息为目的，与安阳某测控设备有限公司合作，共同完成了黄山水文站水文缆道升级改造。升级改造后的水文缆道以互联网+为依托，采用转子式流速仪和电波流速仪测流设备，在无人值守状态下，自动完成天然河流流量测验的测、整、报全过程，极大地提升了黄山水文站水文测报水平和信息服务能力。

1 流域概况

弥河发源于临朐沂山西麓天齐湾，主要支流有五井石河、石河、南阳河、丹河等，河道蜿蜒曲折向西流，至临朐九山附近又转向东北，经青州(益都)于寿光上口镇(广陵乡)分3股入渤海。其中东北流的一股，河槽较为宽广，为弥河主河道，至潍坊市寒亭区央子港入海。其余两股为岔流，由南半截河村北流入海。河长206 km，流域面积3 847.50 km2，河道平均比降3.20/1 000。河源至冶源水库为弥河上游，河长56 km，经行于山丘区，河道比降为10.40/1 000，是山东省的暴雨中心，洪水暴涨暴落。

黄山水文站位于弥河上游的山东省潍坊市临朐县寺头镇(石家河乡)西黄山村，其下游15 km是在弥河上发挥着重要的控制性作用的冶源水库。该站于1988年1月设立，控制流域面积375 km2，干流长度41.30 km，是冶源水库入库控制站，也是泰沂山北水文区域代表站。该站系统收集历年的水文资料，研究区域内的水文变化规律，为各级防汛抗旱和水资源管理部门提供技术支撑。

2 智能水文缆道建设

黄山水文站所建的智能缆道以互联网+为依托，选择转子式流速仪和电波流速仪，搭载水文缆道实现流量测验设备的再创新，形成远程自动化流量测验新模式，完成该站高中低水流量测验工作，并实现河道流量采集、传输、接收、处理、整编、查询全过程自动化。

2.1 转子流速仪

转子式流速仪是水文测验中的常规仪器，使用广泛。即在一定的速度范围内，流速仪转子的速度n与水流速度v呈简单的线性关系。经验计算公式：

v=a+bn

(1)

式(1)中：v为水面流速；a表示仪器常数；b表示水力螺距；n为转子的转率。

说明n和v在一定的流速范围内呈近似的线性关系，并非数学上的线性关系，当流速超出规定的范围，此经验公式不成立，因此流速仪按照测速范围分为不同的型号。特点为转子式流速仪结构简单，使用便利，容易掌握。流速测量准确，性能可靠；种类齐全，适用范围广，能适应大多数河流的流速流量测验任务。但由于受其机械构件的影响，在河流漂浮物较多或水草较多的情况下，容易缠绕流速仪或破坏转子机械部件。准确性为转子式流速仪被公认为是在天然水流中测量流速的最标准仪器，所有新的流速测量仪器都可以与转子流速仪进行比测来判断新仪器的流速测量准确性。

2.2 电波流速仪

电波流速仪是一种利用多普勒原理的测速仪器，泛指向水面发射与接收无线电波，利用其频率变化与流体速度成正比的关系而制成的仪器。电磁波频率高达10GHz，属微波波段，也可以称为微波多普勒测速仪。因其在空气中衰减很慢，可以在空气中很好地传播，在使用时仪器不必接触水体即可测的水面流速，属非接触式测量。其原理为多普勒效应，速度计算可依据公式：

v=C/f02cosθfD=KfD

(2)

式(2)中：v为水面流速；C为电波在空气中的传播速度；fD为电波的多普勒频移；f0为发射的雷达波频率；θ为发射波与水流方向的夹角。

特点为电波流速仪是国内唯一正式使用的非接触式流速仪，特点就是可以不接触水体，远距离测量水流体，测流速度快。测流时不受水面、水内漂浮物影响，也不受水质、流态等影响，而且流速越快、漂浮物越多、波浪越大，反射信号越强，越有利于电波流速仪工作，适合于洪水期的测量。与传统的流速仪相比，电波流速仪只需测表面流速，具有测量范围大、测流速度快且不受漂浮物影响等特点。

准确性为电波流速仪主要用于河流表面测速，反映不出河流深部的流场形态，测到的是水面波浪迎波面或是水面漂浮物的反射波，波浪和漂浮物的速度并不等于水面流速，其差值因各种水流和漂浮物而不同。波浪和漂浮物除了随水流运动外，自身也有运动，也会造成一些附加误差，影响最大的是风速风向，其造成的流速误差不可忽视，因此测流时需要记录风向风速。

改建后的缆道，功能齐全可操作性强，测量数据可以通过多种形式对外交互传输。红外监控装置满足夜间测流工作，实时预览功能可以实时监视测量数据，随时可以完成对可疑测点数据重测、补测等操作。实现了在局域网环境下集测、报、整、算为一体，并通过网络实现远程控制，全面实现无人值守远程自动测流的目标。软件设计采用模块化结构，更具备可靠性、实用性、可扩展性。各项技术指标按照有关水文测验规范、水文行业技术标准要求控制，测量数据和计算成果达到水文行业部颁标准和规范要求。

3 台风“利奇马”登陆山东半岛

2019年8月11日，第9号超强台风“利奇马”登陆山东半岛，为新中国成立以来所罕见。受其影响，8月10日6时至12日15时潍坊市普降暴雨、大暴雨，局部降特大暴雨，弥河流域、丹河流域的青州、临朐、昌乐均超过300 mm。其中青州371.50 mm，临朐361.30 mm，昌乐340.80 mm，其他县市区在126.50～284.60 mm；最大点降雨量在临朐县曾家沟雨量站552.80 mm。

受此次降雨影响，弥河、丹河、潍河、渠河均发生不同程度洪水。11日凌晨，弥河上游黄山水文站暴雨如注，河水陡涨，水位自8月10日20时开始起涨，起涨水位137.68 m，相应流量2.41 m3/s，洪水携带着泥沙奔腾而下，含沙量增大，漂浮物增多，在黄山水文站水、电、通信全部中断情况下，智能水文缆道改用发电机组供电不间断测流，11日6时30分出现最高水位142.78 m，实测洪峰流量2 210 m3/s，为该站建站以来最大洪水，洪水标准达50年一遇。此次洪水涨水历时10小时30分钟，水位变幅5.10 m，流量变幅2 208 m3/s，整个洪水过程共完成38次测流，其中采用转子式流速仪测流22次，电波流速仪测流16次。

4 智能水文缆道发挥的作用

黄山水文站智能双系统水文缆道，在本次洪水测验中发挥了重要的保证作用。在恶劣的监测条件下，在河流漂浮物多、人员偏少的情况下，自动化、现代化、智能化测验设施设备为水文监测提供了重要保障，该站智能测流缆道双系统全天候运行，测得了完整的洪水过程，测流及时、完整、准确。

经过此次洪水检验，该套智能水文缆道突出了6个优点：一是智能化、自动化程度高，人工干预少，故障率低，只要事先设定好参数，测流缆道便自动完成一次测流过程，随即打印输出流量成果；二是界面清楚，河道断面、过水面积、垂线布设、测点测深布设以及可视设备运行清晰，一目了然，便于掌握测验与设备运行的系统性；三是保障了水文监测人员人身安全，监测人员不用出屋，室内即可操控(包括远程操控)；四是能够全天候运行，在河道漂浮物多的情况下启用电波流速仪测流，当漂浮物很少时启用转子流速仪测流，测流几乎不受洪水情况限制；五是测验精度高，通过电波流速仪和转子流速仪比测，流量精度符合测验规范要求；六是时效性强，系统自动生成的测验成果能通过网络自动传输上报，能够满足新时期各级领导指挥防汛决策的快速要求。

5 结语

智能水文缆道搭载转子流速仪和非接触式电波流速仪，测流速度快、精度高、适用范围广，可以实现河道流量采集、传输、接收、处理、整编、查询全过程自动化，解决了天然河流流量在线监测难题，改善了水文水资源监测系统的技术装备水平和监测能力,提高水文信息的时效性，缩短水文情报预报的预见期，为各级防汛部门科学调度决策赢得宝贵时间。全面实现信息共享，为防汛抗旱、水资源管理、水生态文明建设提供更加及时准确的水文服务，同时节约人力，大大提高职工工作效率，减轻职工劳动强度，为水文体制改革、全面实现巡测提供了技术支撑。该系统的应用使水文自动化、信息化、智能化水平得到大幅提升，补齐水文工作在线测流短板，为水利工程监管提供了技术支撑，也为新时代水利和经济社会发展提供了有力的支撑。