卡依尔特斯河水文缆道改造升级探讨

王 强

(阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500)

1 前言

库威水文站位于卡依尔特斯河下游，测站建设于1965年，控制流域面积1042 km2，卡依尔特斯河属原地貌类型，河流深切，支流数目众多，植被差，水源涵养能力不高，水土流失较为严重，降雨快速形成径流，暴雨洪灾频发。受断面冲淤和洪水陡涨陡落的影响，测站中高水位表现为复式绳套曲线，流量测次和测流时机方面要求较高。

卡依尔特斯河水流湍急，多漂浮物，行车架变形破坏可能性大。测站手动测流缆道承载索、循环索和起重索均横穿窗户而过，走向设计缺乏合理性，导致缆道房窗户无法关闭，安全生产难以保证。原手动测流缆道流速仪进退、升降控制简单，在雨季抢测洪峰期间只能手摇绞车完成测流，很难满足绳套型水流关系测流多次定线的要求。

2 自动缆道测流系统的改造升级

为降低测流劳动强度、提升测站自动化水平和测流精度，卡依尔特斯河库威水文站于2011年进行原手动测流缆道系统的升级改造，安装了自动缆道测流系统。系统运行以来水文测流数据的完整性和真实性大大提升。

卡依尔特斯河库威水文站水文自动缆道测流系统包括水文绞车交流变频无级调速测控系统、缆道测距定位仪、无线测流系统、自动缆道测流控制台、电动轿车、铅鱼、流速仪、系统软件等部分，见图1。该测流系统能自动实现包括测流铅鱼出车、回车、下降、提升等过程在内的无线变速控制，进行出车、回车位置的自动测量与显示，并且针对全测流断面进行流速的测量和计算。卡依尔特斯河库威水文站自动缆道测流系统还具有全/半自动测流、手动测流、数据自动/人工录入、测次流量报表计算和出具、自动生成断面流速流量分布图、测流动态跟踪、夜间测流自动照明、变焦图像监测、缆道泥沙采集、河床流量测算功能，自动测流控制台还具有测点自动停车以及河底信号停车等功能。

自动缆道测流系统主要技术指标见表1～表2。

表1 绞车控制部分技术指标

表2 缆道测距光栅增量编码传感器技术指标

3 自动缆道测流系统运行情况

3.1 缆道综合控制台的运行

库威水文站水文自动缆道测流综合控制台主要由水利部南京水利水文自动化研究所开发研制，控制台采用交流变频调速技术、缆道无线信号传输技术等，自动化程度较高，兼具水文绞车自动控制、铅鱼位置自动测量显示、测点流量检测和流速计算等功能，在自动缆道测流过程中，主要配合水文缆车和测流铅鱼完成各项测流任务。库威水文站水文自动缆道测流综合控制台能在原缆道不改动的情况下主要通过控制台交流变频器进行绞车变速运行的控制，保证测流精度，提升自动化测流程度，有效缩短测流时间，测站水文测验工作效率大大提升。

3.1.1 水文缆道测距定位仪的运行

库威水文站水文自动缆道测距定位仪由水利部南京水文自动化仪器所为缆道定位测量专门研制，测距定位仪主要用在水文缆车行进过程中起点距与入水深度测量方面，可进行缆道主绳垂度、弧度，入水后起重绳偏角、无回差等的自动修正以及自动停车控制信号等的输出，并实现与计算机的联机运行。水文自动缆道测距定位仪包括起点距测量、水深测量部分，其感应循环轮和起重轮均通过光电增量编码传感器感应，为防止感应系统出现打滑故障，传感器直接与绞车转动轴同步转动，转轮直径30 cm，并按200个/转的频率发出信号，则绳长系数为π×30/200=0.47，根据绳长系数测距定位仪可直接测算出对应存储单元中绳索长度，进而确定起点距和水深等参数。

3.1.2 水文流速测算仪的运行

库威水文站水文自动缆道流速测算仪包括2×16屏液晶显示器、单片机、通信端口、信号接收器等部分，主要按明渠测流速面积法原理设计，通过转子流速仪在水力推动下旋转而实现测流。此外，水文流速测算仪通常只测量起点距并测算各测点流速，而断面面积、流量等数据通过计算机得出。

3.2 水文缆道

库威水文站水文自动缆道为卷筒开口式平衡省力游轮缆道，由水文绞车、铅鱼等装置构成。

3.2.1 水文绞车

库威水文站水文自动缆道测流取沙的主要部件就是水文绞车，其主要通过交流变频调速技术控制，能实现对电机定子供电频率及电机转速的均匀改变，所输出机械力矩在任何速度条件下均为衡矩，有效保证了水文绞车的稳定运行和测流铅鱼定位精度。当变频调速系统处于低速运行状态时，最大转矩基本不变，适用于水文缆道低速运行情况[1]。在交流变频工作模式下，调速范围始终位于650 Hz以内，使得绞车系统自动变速、恒转矩、恒功率功能顺利实现。

3.2.2 测流铅鱼

测流铅鱼包括主体、尾翼、吊架等部件，根据测站泥沙、水深、流速、流量、河道跨度等选用150 kg型号。测流铅鱼使用过程中，可将流速仪、测距仪等测量器具运载至测点位置后稳定停放，确保测流项目顺利完成。

4 自动缆道与手动缆道比测

库威水文站自动缆道测流系统于2011年安装，2013年升级改造为卷筒开口式缆道，测流稳定性进一步提升。自动缆道测流在基本断面以上50 m进行，考虑到近几年水位、流量变动趋势范围，于2013年5月～2016年5月进行了25次不同水位级自动缆道与手动缆道测流比测，最大、最小比测流量分别为514 m3/s、54.2 m3/s，水位变动幅度3.12 m。自动缆道与手动缆道比测成果见表3。

表3 库威水文站自动缆道与手动缆道比测成果

5 结论

卡依尔特斯河库威水文站水文缆道自动测流系统运行以来，充分发挥出其在水文资料检测、采集、计量、控制、调整、管理等方面的技术优势，水文自动化系统的建立为流域防汛抗旱、减灾等工作提供了重要的数据技术支撑。随着下游区间来水量的增大，含沙量将出现剧烈变化，此种情况下测流测深铅鱼在出水时其水面极板留有大量水迹，会导致水面信号长响，影响测流顺利完成，为此，水面极板有待进一步改进。该自动缆道测流系统适宜的工作环境温度为-10℃～43℃，而库威水文站冬季平均温度一般在-25℃左右，冬季河道封冻后基本采用人工打冰、测深杆、悬杯流速仪测流，自动缆道测流系统的应用受到环境温度的限制，亟待改进和完善。