白沙水文站现代化建设方案

王冰，司文青，赫超然

（1.河南省许昌水文水资源勘测局，河南 许昌 461000；2.河南省黄河流域水生态保护研究中心，河南 郑州 450003；3.河海大学商学院，江苏 南京 210000）

1 水文站基本情况

白沙水文站位于河南省禹州市花石乡白沙水库，1951 年设立，集水面积962 km2。 水文站建在淮河支流颍河上游,现有断面5处，分别为坝上、尾水渠、溢洪道、南干渠、新北干渠。白沙水库（坝上）控制水库水位、蓄水量变化，尾水渠控制出库流量，为水库防洪调度服务。南干渠和新北干渠为农业灌溉、企业供水提供服务。溢洪道主要作用是发生大水时泄洪。

该站（尾水渠）河段边坡已进行人工护砌，河槽已进行渠道化整治，通过对尾水渠断面2000 年以来典型年大断面进行套绘（见图1），断面基本稳定,无明显冲淤变化。通过对白沙水文站1956—2019年年径流量系列资料分析可知（见图2），该站多年年平均径流2.70 万m3。最大年径流量14.90 万m3，发生在1964年。2015—2019年尾水渠断水。

图1 尾水渠大断面图

图2 多年径流量柱状图

坝上基本水尺断面位于大坝左岸输水洞南15 m，设有自记水井（现已报废），现状水位依托直立式水尺人工观测。南干渠位于输水洞下200 m，为人工混凝土渠道，较顺直，渠道为浆砌块石，无冲淤塌陷现象。主要为灌区农业灌溉服务。利用测流桥进行测流，流量较小，无测洪任务。新北干渠位于大坝东头坝下，为人工浆砌渠道，较顺直，主要为企业供水，农业灌溉服务。利用测流桥进行测流，流量小，无测洪任务。溢洪道位于白沙水库溢洪道上游，溢洪道引水段底部高程为218.50 m，引水段长175 m，呈梯形断面，渠底宽70 m，两岸边坡1:0.75与原地面相连。溢洪道闸门上游是水库水面，下游几千米是一片连绵起伏的山丘，没有明显的河道边界，自白沙水库建库以来，溢洪道从未开闸放水。尾水渠位于白沙水库输水洞下游约400 m，断面宽约55 m，为浆砌块石断面，断面较顺直。河底高程188.40 m，两岸高程约191.30 m，是最常用的测流断面，测验河道顺直，为自然河道，两岸为浆砌块石护坡，河床为砂卵石，5-10月有水草影响水位流量关系。

2 水流特性及测站定位

2.1 水流特性分析

根据国家基本水文站精度划分标准，白沙水文站属二类站。结合1989年以来白沙水库(尾水渠)年平均流量分布情况，采用频率流量进行流量级划分。分别选取2003年和2004年作为该站的丰水代表年、2001年和2007年作为平水代表年、2002和2008年作为枯水年。

参照《河流流量测验规范》，低水流量采用各年平均流量频率的10%即0.32 m3/s 作为标准；中水流量采用上述标准，用各年平均流量频率的50%计算出的中水流量为1.10 m3/s，与测站实际流量年内分布差别较大，故结合测站特性，按多年最大流量频率的50%即62.70 m3/s作为标准，62.70 m3/s流量以上视为高水。按照此标准统计，见表1。由表可知62.70 m3/s 流量能够基本控制的天数占全年的比例在100%，故该站水流特性以中低水为主。

表1 流量天数统计表

2.2 测站定位

白沙水文站基本功能定位为水灾害防御为主，兼顾水资源管理及水生态保护。主要监测项目包括雨量、水位、流量、蒸发、水温、水质等。依据对上述典型年分析，该站以中低水流为主，因此测验任务在保证高洪流量监测的同时应梳理中低水监测要求，提升对水资源、水生态的服务支撑。

3 测验方案

根据测站新定位和测验任务新要求，充分考虑当前主流测报技术手段，分要素分时段确定测验方案如下：第一是降水，目前非汛期使用标准雨量器，汛期采用虹吸式自记雨量计及遥测雨量。该站属整编站具有常年观测任务，应考虑兼容固态降水设备，因此新建雨雪一体化遥测设备（含北斗通信系统）1 套，更新遥测雨量计作为备份。第二是水位，目前所有断面全部依托直立式水尺人工观测，虽能完整控制水位变化过程，但设备单一且自动化率极低，不满足全时段全量程全天候在线监测要求。因此在坝上、尾水渠、新北干渠及南干渠断面处分别增加雷达式水位计和视频自动识别水尺观测系统，同时结合人工水尺进行日常校测，以实现水位数据双备份及多备份。第三是流量，目前低水时为流速仪涉水测流，中高水主要依靠走航式ADCP。其中南干渠和新北干渠利用测流桥测流，尾水渠使用缆道，缆道测洪能力为500 m3/s。由于该站已渠道化进行河道整治，低水时也可采用水力学法推流，实现单指标在线推流。大洪水期间，可选用非接触水面测流设备，如电波流速仪、侧扫雷达等进行高洪流量监测。最终目的实现在线监测洪水标准以内各断面出库流量过程，超标洪水和应急流量监测时间驻测。第四是视频监控及通信传输方案，坝上基本水尺断面现有高清摄像头1处，视频数据本地存储，水情中心通过专线，访问测站硬盘录像机，读取视频数据。计划新建远程视频监控系统，实现安防及仪器运行状态监视功能，同时增加坝上、尾水渠、新北干渠、南干渠4处高清摄像头，以期对上下游河道水情及站院进行全天候监控。

目前，水位、流量等文本数据以GPRS通信为主、北斗通信为辅，远传至水文测控中心，本地同时存储。视频数据只在本地存储，水文测控中心通过专线方式，访问本地硬盘录像机，读取视频数据。计划升级测站网络，架设到测控中心专线，配备防火墙、路由器、交换机各1 台，组建安全、可靠、快速专用网络，提升视频数据传输效率，同时配备服务器1台，用于存储各种数据及部署应用软件。

4 结语

白沙水文站基础设施较为完善，已接入农网供电，供电基本有保障。附近移动、电信、联通等运营商信号全覆盖，已通过白沙水库管理局网络接入省水利网，基本满足各类通信数据传输要求。但依然存在不少问题：雨量项目采用虹吸式雨量器和翻斗式雨量器进行观测，无法满足降雪期自动监测测验任务要求。坝上、尾水渠、新北干渠、南干渠水位采用人工观测，现代化程度极低，不满足水位信息自动采集与传输要求。流量测验低水采用涉水测流，缆道属半自动化机械缆道，自动化程度较低，且操作台老化，不符合河南省水文现代化发展思路。除此外，进站道路未硬化，观测场老旧。虽然配有基础网络设备，但没有接入水利内网，无法使用遥测数据等内网数据，且未配备必要的网络安全设备，无法保证数据传输安全性。现有网络带宽低，延时高，不仅数据传输速率没有保障，而且不易管理维护。这些均是白沙水文站推行水文现代化需解决的困难。