街口水文站自動監(jiān)測系統(tǒng)設計與建設的研究

上海自動化儀表有限公司針對新安江洪水流速大、漲落快等特點，以及街口斷面水位變幅大、漂浮物多等特性，組合應用多種監(jiān)測設備和軟件系統(tǒng)，建設街口水文站自動監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)不同的水位級和水情條件下雨量、水位、流量和泥沙含量數(shù)據(jù)的實時在線自動采集，傳輸，計算處理及入庫管理。街口水文站自動監(jiān)測系統(tǒng)可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態(tài)流量管控提供基礎數(shù)據(jù)支撐，亦可為山區(qū)性大江大河自動監(jiān)測系統(tǒng)建設提供參考和借鑒。

引言

健全水資源監(jiān)控體系是落實非常嚴格水資源管理制度 [1] 的重要保障措施之一，水資源配置、水權分配及監(jiān)督管理等工作對水文水資源監(jiān)測提出了更高的要求。新安江是浙皖兩省重要省界河流，從安徽省流入浙江省，是安徽省內僅次于長江、淮河的第三大水系，是浙江省非常大的入境河流。新安江既是全國第 1 開展水量分配的 53 條跨省江河 [2] 之一，也是全國中小流域生態(tài)補償機制建設四大試點流域之一，還是第 1 批實施生態(tài)流量管控的重要河湖之一，在新安江浙皖省界斷面建設水文站持續(xù)開展監(jiān)測工作十分必要，可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態(tài)流量管控提供實時數(shù)據(jù)支撐。街口斷面位于新安江浙皖交界處，是新安江水庫入庫水量控制斷面，集水面積接近安徽境內的全部，對安徽省境內入新安江水庫的水量控制率超過 95%。街口水文建設認真貫徹落實《水利部印發(fā)關于深化水文測改革指導意見的通知》（水文〔2016〕275 號）精神，建設自動監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)雨量、水位、流量等要素的實時在線監(jiān)測，兼顧并預留了水質水生態(tài)實時在線監(jiān)測的需求，測驗斷面所在河道較為順直，水域寬闊，非常大水面寬約為 260 m，斷面呈較規(guī)則的倒梯形，測驗條件較好。經水文調查，街口斷面防洪水位為109.00 m，非常高水位為 108.36 m（1996 年 6 月 30 日），10 年一遇通航水位為 107.30 m，新安江水電站調度后非常低水位為 95.00 m（發(fā)生于 2014 年），河底高程約為 75 m，調查非常大流量約為 1 200 m3/s；其上游臨近站屯溪水文站非常大流速約為 5.0 m/s，非常大含沙量約為 6.4 kg/m3，較大支流練江漁梁水文站非常大流速約為 4.5 m/s，非常大含沙量約為 16.5 kg/m3。街口斷面具有以下特性：1）具有明顯的山區(qū)性河流特性；2）斷面處于新安江水庫庫尾，河道水深較深，水位變幅較大；3）斷面受新安江水庫回水頂托，極易出現(xiàn)紊流，存在斷面不同位置水域流態(tài)具有較大差異的現(xiàn)象；4）枯水期由于流量較小，過水斷面大，導致斷面流速非常小。新安江洪水特點和街口斷面特性決定了其建設自動監(jiān)測系統(tǒng)的復雜性，難度較一般性河流要大。

1 自動監(jiān)測系統(tǒng)設計

街口水文站自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由水雨情自動監(jiān)測、流量泥沙自動監(jiān)測和現(xiàn)地應用軟件 3 個子系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)雨量、水位、流量、泥沙含量的在線采集，傳輸和計算處理，通過信道 GPRS 無線通訊傳輸?shù)教謹?shù)據(jù)中心，并通過專網轉發(fā)至相關單位。

1.1 水雨情自動監(jiān)測子系統(tǒng)

街口水文站水雨情自動監(jiān)測子系統(tǒng)由雨量計、氣泡式水位計、浮子式水位計、數(shù)據(jù)采集儀（RTU）、電源設備組成，實現(xiàn)雨量和水位數(shù)據(jù)的自動采集、固態(tài)存儲及自動傳輸。

針對斷面處于新安江水庫庫尾、河道水深較深、水位變幅大、汛期水位較高的特性，綜合比較浮子式、壓力式、氣泡式、超聲波、雷達、激光等水位計的性能 [3]，測站采用雙水位監(jiān)測方式，配備浮子式和氣泡式水位計各 1 套，確保數(shù)據(jù)完整、準確。浮子式和氣泡式水位計精度滿足規(guī)范要求，設備可靠性較高，使用維護方便，完全滿足街口斷面水位觀測的要求。系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)采集儀采集雨量計和氣泡式水位計數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過 RS-485 信號線轉發(fā)到工控機服務器。浮子式水位計通過格雷碼水位信號線直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機服務器。

1.2 流量泥沙自動監(jiān)測子系統(tǒng)

街口斷面在高水位時斷面寬約為 260 m，水深約為 35 m，低水位時斷面寬約為 210 m，水深約為20 m；汛期洪水量級大，水位變幅寬，漂浮物多，含沙量高，具有明顯的山區(qū)性河流特點，不同水位條件下的洪峰流量監(jiān)測對水量控制影響大。單一測流方式難以滿足不同水位級的流量測驗需求，測站配置了在線自動和纜道測流系統(tǒng)，采用多種測流設備相組合的方式實現(xiàn)流量測驗。

1.2.1 在線自動測流子系統(tǒng)

街口水文站在線自動測流子系統(tǒng)由 2 臺水平 ADCP（300 KHz）、1 套垂向 ADCP（600 KHz）、1 套 OBS-3A 測沙儀，以及通信和供電設備組成。2 臺水平 ADCP 分別安裝于左岸常水位上下的適當位置，下層水平 ADCP 安裝位置高程為91.00 m，上層水平 ADCP 安裝位置高程為 101.00 m，在線自動采集對應水層的各單元流速，2 臺水平 ADCP 之間的垂直距離為 10 m，避免了發(fā)射波束的相互干擾。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙監(jiān)測儀安裝在浮標上，位于水平 ADCP 波束射程以外的水面，垂直向下發(fā)射波束，采集 1 條垂線上的各個單元的流速。

工作原理：1）當水位在常水位 104.00 m 以下時，下層水平 ADCP 監(jiān)測得到單水層的各單元流速，垂向 ADCP 監(jiān)測得到在垂直方向上的各單元流速，將單水層和垂向的各單元流速經過軟件計算處理后，求出斷面過水流量；2）當水位在常水位104.00 m 以上時，下層水平 ADCP 監(jiān)測得到下水層的各單元流速，上層水平 ADCP 監(jiān)測得到上水層的各單元流速，垂向ADCP 監(jiān)測得到在垂直方向上的各單元流速，將上下 2 個單水層和垂向的各單元流速經軟件計算處理后求出斷面過水流量。軟件中流量計算處理方法采用流速-面積法 [4]。水平 ADCP 波束射程范圍內的斷面區(qū)域，垂向劃分為若干個子斷面，率定垂線上單層（104.00 m 以下時）或雙層（104.00 m 以上時）水平 ADCP 單元流速與該垂線平均流速的關系，通過水平ADCP 實時監(jiān)測的單元流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計算得到子斷面的平均流速，乘以子斷面面積得到子斷面的流量，通過累計相加得到水平ADCP 波束射程范圍內的斷面過水流量。水平 ADCP 波束射程范圍外的斷面區(qū)域，水平分割為若干水層，率定水平線上垂向 ADCP 測得的單元流速與該水平線的平均流速的關系，通過垂向 ADCP 實時監(jiān)測的單元流速求得水平線的平均流速，相鄰 2 根水平線平均流速計算得到該水層的平均流速，乘以該水層面積得到該水層的流量，通過累計相加得到水平 ADCP 波束射程范圍外的斷面過水流量。

1.2.2 纜道測流子系統(tǒng)

街口水文站汛期洪水量大，水位高，漂浮物多，影響水平和垂向 ADCP 的測流精度。因此配備了半自動纜道測流系統(tǒng)和流速儀人工流量測驗裝置，用于比測率定或補充監(jiān)測，此外還配有纜道式雷達波和纜道走航 ADCP 測流系統(tǒng)，借助纜道設施利用現(xiàn)代化測流裝置進行纜道測流。

1）街口水文站纜道式雷達波測流系統(tǒng)。采用多普勒雷達波測速傳感器，以非接觸方式監(jiān)測水流表面流速，借助水文站建設的纜道設施，在斷面上布設若干垂線，將斷面劃分成若干子斷面，監(jiān)測每條垂線的水面流速，配套測流軟件計算求出斷面過水流量。斷面過水流量計算采用流速-面積法，率定水面流速與垂線平均流速的關系，通過雷達波流速儀監(jiān)測的水面流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計算得到子斷面的平均流速，乘以子斷面面積得到子斷面的過水流量，通過累計相加得到全斷面的過水流量。纜道式雷達波測流系統(tǒng)適用于進行高洪測驗，特別適合在流速大、含沙量較高、漂浮物多的情況下，不方便采用流速儀和走航 ADCP 時的流量測驗 [5–6]。纜道式雷達波測流系統(tǒng)主要由懸掛在纜道行車上主機設備部分和在岸上的設備與軟件組成。

2）街口水文站纜道走航 ADCP 測流系統(tǒng)。利用水文站建設的纜道設施牽引走航 ADCP 進行測流，滿足漂浮物較少、泥沙含量不高時的全斷面測量，通過走航 ADCP 采集軟件矢量合成計算斷面過水流量。

1.2.3 測流系統(tǒng)使用

根據(jù)街口斷面的特性，在不同水位級或水情條件下，將測流子系統(tǒng)組合應用，實現(xiàn)流量監(jiān)測。

1）正常水情時期，河道流速正常，流態(tài)相對平穩(wěn)，使用 2 臺水平 ADCP 和 1 臺垂向 ADCP 進行單元流速在線自動監(jiān)測，經過軟件計算處理后，求得斷面過水流量。

2）洪水期時，流速大，含沙量高，影響水平和垂向 ADCP 的測驗精度，在系統(tǒng)中加入 OBS-3A 測沙儀監(jiān)測的泥沙含量和雷達波流速儀監(jiān)測的水面流速等數(shù)據(jù)，進行綜合分析計算，求出斷面過水流量。

3）枯水期時，河道過水斷面仍很大，流量較小，斷面流速小。使用纜道牽引走航 ADCP 進行全斷面監(jiān)測，此外還可以根據(jù)上游來水情況進行流量推算。

4）水平和垂向 ADCP 自動測流設備故障時，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 的方式進行人工流量測驗。

5）在各種水情情況下，選擇合適的時機，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 進行人工流量測驗，對水平和垂向ADCP、雷達波流速儀在線自動測流設備進行率定。

1.3 現(xiàn)地應用軟件子系統(tǒng)

現(xiàn)地應用軟件子系統(tǒng)包括：1）雙層水平 ADCP 流量監(jiān)測采集軟件。負責水平 ADCP 流量相關數(shù)據(jù)的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數(shù)設置等功能。2）垂向 ADCP 泥沙流量監(jiān)測采集軟件。負責垂向 ADCP 流量和泥沙含量數(shù)據(jù)的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數(shù)設置等功能。3）雷達波流量監(jiān)測采集軟件。負責雷達波流量相關數(shù)據(jù)的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數(shù)設置等功能。4）走航 ADCP 流量監(jiān)測采集軟件。負責走航 ADCP 測流操作及數(shù)據(jù)采集與處理。5）本地監(jiān)測系統(tǒng)綜合信息分析處理軟件。負責對各流量監(jiān)測采集軟件采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合計算分析及對本地數(shù)據(jù)庫的管理。各測流軟件具有雨量、水位、流速等信息的本地顯示，后期分析處理，信息應用，數(shù)據(jù)轉發(fā)，數(shù)據(jù)發(fā)布及其他一些可擴展的功能。

2 自動監(jiān)測系統(tǒng)功能與特性

街口水文站應用多種監(jiān)測設備和軟件系統(tǒng)構建了自動監(jiān)測系統(tǒng)，主要可以實現(xiàn)以下功能：1）對雨量、單元流速、水位和泥沙含量進行 24 h 連續(xù)在線監(jiān)測，采用定時自報或召測工作方式進行信息采集。監(jiān)測次數(shù)和工作方式可以本地設置，也可按時段或時間方式設定。2）實時采集斷面的流速、水位數(shù)據(jù)，根據(jù)實時采集的流速、水位和水位-面積關系，采用流速-面積法分析計算斷面過水流量。

3）可通過無線網絡將采集的雨量、水位、流速、流量、泥沙含量等信息傳輸?shù)教謹?shù)據(jù)平臺中心。

4）具有比測數(shù)據(jù)后處理功能，能存儲 1 a 以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)現(xiàn)地、遠程數(shù)據(jù)下載，設備故障、異常自動報警等功能。

5）可根據(jù)水位和流速變化情況，變換相應的參數(shù)配置 [7–9]。自動監(jiān)測系統(tǒng)主要具有以下性能特點：1）采用雨量計、浮子式水位計、氣泡式水位計、水平 ADCP、垂向 ADCP、泥沙儀與工控機服務器組成的雨量，水位，流量，泥沙含量自動監(jiān)測系統(tǒng)具有結構簡單，性能可靠，維護方便特點。2）具有良好的兼容性和可擴展性。3）采用水平和垂向 ADCP、纜道式雷達波流速儀及走航 ADCP 等多種技術手段進行流量監(jiān)測，保證流量監(jiān)測精度。

3 自動監(jiān)測系統(tǒng)應用情況

街口水文站自動測流系統(tǒng)于 2019 年 2 月建成驗收后投入試運行。2019 年實測非常小流量為 0 m3/s，實測非常大流量為7 500 m3/s，非常低水位為 99.37 m，非常高水位為 106.20 m，年平均水位為 102.10 m，大部分時間水位低于 104.00m。

1）纜道走航 ADCP 測流。自動監(jiān)測系統(tǒng)建設后，主要采用纜道牽引走航 ADCP 進行測流，前期走航 ADCP 施測 1 個測回時來回測次流量誤差較大，后經研究，配置了外接羅經，解決了該問題。經過 1 a 多的施測表明，該斷面纜道牽引走航ADCP 測流的適用范圍在 4 000 m3/s 以下，當流量超過 4 000 m3/s，流速過快，加之水面漂浮物非常多，纜道牽引走航ADCP難以施測，走航 ADCP 易被損毀，而此時纜道牽引普通流速儀測流偏角過大，易被漂浮物、水草等纏繞，亦難以施測。下一步大流量的監(jiān)測計劃采用測船搭載走航 ADCP 等方式進行多根垂線施測。

2）水平 ADCP 測流。2019 年大部分時間街口斷面水位低于 104.00 m，基本是采用下層水平 ADCP 進行監(jiān)測。從下層水平 ADCP 測次的回波來看，回波強度有時不穩(wěn)定，尤其是小流量時出現(xiàn)不連續(xù)、凸跳等情況，較大流量時回波強度相對較好，初步分析原因：街口斷面本身處于新安江水庫庫尾，日常流速較小甚至出現(xiàn)滯流，并且水流清澈，含沙量相對較小，使用的 ADCP 為 300 kHz，射程遠，穿透能力強，導致波束反射效果相對較差，回波強度不穩(wěn)定。小流量的測驗正在探索嘗試采用落差指數(shù)法等進行推流。

3）垂向 ADCP 測流。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙監(jiān)測儀安裝在浮標上，2019 年試運行一段時間后，發(fā)生了水毀，從發(fā)生水毀到修復后重新投入試運行約大半年時間，有效監(jiān)測數(shù)據(jù)相對較少，暫未開展數(shù)據(jù)分析。

4）雷達波系統(tǒng)測流。當斷面流量較大時采用纜道式雷達波施測表面流速，因大流量時暫無法采用纜道牽引走航 ADCP 施測，無法進行多條垂線的表面流速與平均流速的關系率定，因此暫采用雷達波流速儀監(jiān)測斷面中弘位置表面流速，表面流速與斷面平均流速的系數(shù)暫借用下游分水江水文站的系數(shù)0.6。但街口水文站與下游分水江水文站斷面特性差別較大，雷達波測流系統(tǒng)的系數(shù)下一步還需使用本站的實測數(shù)據(jù)進行率定。

4 結語

街口水文站組合應用多套測流設備和軟件系統(tǒng)，構建了測站自動監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)雨量、水位、流量和泥沙含量的自動采集，傳輸，計算處理及入庫等功能，尤其是不同水位級、水情條件下的流量在線監(jiān)測，可為山區(qū)性大江大河斷面自動監(jiān)測系統(tǒng)建設提供參考和借鑒。通過街口水文站自動監(jiān)測系統(tǒng)建設可提高新安江干流水量控制性，掌握新安江流域安徽省出境水量，可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態(tài)流量管控等提供基礎數(shù)據(jù)支撐?；诮挚跀嗝姹旧硖匦詮碗s，自動監(jiān)測系統(tǒng)涉及多種測流設備和計算軟件，系統(tǒng)的比測、分析研究工作還在繼續(xù)開展中，尚未取得足夠的數(shù)據(jù)得出非常終結論。上海自動化儀表有限公司下一步還需繼續(xù)開展大量的比測率定和分析研究工作，以提高在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的適用性和監(jiān)測成果的準確性。