街口水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)的研究

上海自動(dòng)化儀表有限公司針對(duì)新安江洪水流速大、漲落快等特點(diǎn)，以及街口斷面水位變幅大、漂浮物多等特性，組合應(yīng)用多種監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件系統(tǒng)，建設(shè)街口水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同的水位級(jí)和水情條件下雨量、水位、流量和泥沙含量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)采集，傳輸，計(jì)算處理及入庫管理。街口水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，亦可為山區(qū)性大江大河自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供參考和借鑒。

引言

健全水資源監(jiān)控體系是落實(shí)非常嚴(yán)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(quán)分配及監(jiān)督管理等工作對(duì)水文水資源監(jiān)測(cè)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(nèi)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(bǔ)償機(jī)制建設(shè)四大試點(diǎn)流域之一，還是第 1 批實(shí)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(shè)水文站持續(xù)開展監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)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(nèi)的全部，對(duì)安徽省境內(nèi)入新安江水庫的水量控制率超過 95%。街口水文建設(shè)認(rèn)真貫徹落實(shí)《水利部印發(fā)關(guān)于深化水文測(cè)改革指導(dǎo)意見的通知》（水文〔2016〕275 號(hào)）精神，建設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)雨量、水位、流量等要素的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，兼顧并預(yù)留了水質(zhì)水生態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的需求，測(cè)驗(yàn)斷面所在河道較為順直，水域?qū)掗?，非常大水面寬約為 260 m，斷面呈較規(guī)則的倒梯形，測(cè)驗(yàn)條件較好。經(jīng)水文調(diào)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(diào)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(diào)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?dāng)嗝娲?，?dǎo)致斷面流速非常小。新安江洪水特點(diǎn)和街口斷面特性決定了其建設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，難度較一般性河流要大。

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

街口水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)、流量泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)地應(yīng)用軟件 3 個(gè)子系統(tǒng)組成，以實(shí)現(xiàn)雨量、水位、流量、泥沙含量的在線采集，傳輸和計(jì)算處理，通過信道 GPRS 無線通訊傳輸?shù)教謹(jǐn)?shù)據(jù)中心，并通過專網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至相關(guān)單位。

1.1 水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

街口水文站水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由雨量計(jì)、氣泡式水位計(jì)、浮子式水位計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀（RTU）、電源設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)雨量和水位數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)及自動(dòng)傳輸。

針對(duì)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(dá)、激光等水位計(jì)的性能 [3]，測(cè)站采用雙水位監(jiān)測(cè)方式，配備浮子式和氣泡式水位計(jì)各 1 套，確保數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確。浮子式和氣泡式水位計(jì)精度滿足規(guī)范要求，設(shè)備可靠性較高，使用維護(hù)方便，完全滿足街口斷面水位觀測(cè)的要求。系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)采集儀采集雨量計(jì)和氣泡式水位計(jì)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過 RS-485 信號(hào)線轉(zhuǎn)發(fā)到工控機(jī)服務(wù)器。浮子式水位計(jì)通過格雷碼水位信號(hào)線直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)服務(wù)器。

1.2 流量泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

街口斷面在高水位時(shí)斷面寬約為 260 m，水深約為 35 m，低水位時(shí)斷面寬約為 210 m，水深約為20 m；汛期洪水量級(jí)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(diǎn)，不同水位條件下的洪峰流量監(jiān)測(cè)對(duì)水量控制影響大。單一測(cè)流方式難以滿足不同水位級(jí)的流量測(cè)驗(yàn)需求，測(cè)站配置了在線自動(dòng)和纜道測(cè)流系統(tǒng)，采用多種測(cè)流設(shè)備相組合的方式實(shí)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)。

1.2.1 在線自動(dòng)測(cè)流子系統(tǒng)

街口水文站在線自動(dòng)測(cè)流子系統(tǒng)由 2 臺(tái)水平 ADCP（300 KHz）、1 套垂向 ADCP（600 KHz）、1 套 OBS-3A 測(cè)沙儀，以及通信和供電設(shè)備組成。2 臺(tái)水平 ADCP 分別安裝于左岸常水位上下的適當(dāng)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(dòng)采集對(duì)應(yīng)水層的各單元流速，2 臺(tái)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(cè)儀安裝在浮標(biāo)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(gè)單元的流速。

工作原理：1）當(dāng)水位在常水位 104.00 m 以下時(shí)，下層水平 ADCP 監(jiān)測(cè)得到單水層的各單元流速，垂向 ADCP 監(jiān)測(cè)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(jīng)過軟件計(jì)算處理后，求出斷面過水流量；2）當(dāng)水位在常水位104.00 m 以上時(shí)，下層水平 ADCP 監(jiān)測(cè)得到下水層的各單元流速，上層水平 ADCP 監(jiān)測(cè)得到上水層的各單元流速，垂向ADCP 監(jiān)測(cè)得到在垂直方向上的各單元流速，將上下 2 個(gè)單水層和垂向的各單元流速經(jīng)軟件計(jì)算處理后求出斷面過水流量。軟件中流量計(jì)算處理方法采用流速-面積法 [4]。水平 ADCP 波束射程范圍內(nèi)的斷面區(qū)域，垂向劃分為若干個(gè)子斷面，率定垂線上單層（104.00 m 以下時(shí)）或雙層（104.00 m 以上時(shí)）水平 ADCP 單元流速與該垂線平均流速的關(guān)系，通過水平ADCP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的單元流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計(jì)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(jì)相加得到水平ADCP 波束射程范圍內(nèi)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(cè)得的單元流速與該水平線的平均流速的關(guān)系，通過垂向 ADCP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)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(jì)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(cè)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(cè)流精度。因此配備了半自動(dòng)纜道測(cè)流系統(tǒng)和流速儀人工流量測(cè)驗(yàn)裝置，用于比測(cè)率定或補(bǔ)充監(jiān)測(cè)，此外還配有纜道式雷達(dá)波和纜道走航 ADCP 測(cè)流系統(tǒng)，借助纜道設(shè)施利用現(xiàn)代化測(cè)流裝置進(jìn)行纜道測(cè)流。

1）街口水文站纜道式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)。采用多普勒雷達(dá)波測(cè)速傳感器，以非接觸方式監(jiān)測(cè)水流表面流速，借助水文站建設(shè)的纜道設(shè)施，在斷面上布設(shè)若干垂線，將斷面劃分成若干子斷面，監(jiān)測(cè)每條垂線的水面流速，配套測(cè)流軟件計(jì)算求出斷面過水流量。斷面過水流量計(jì)算采用流速-面積法，率定水面流速與垂線平均流速的關(guān)系，通過雷達(dá)波流速儀監(jiān)測(cè)的水面流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計(jì)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(jì)相加得到全斷面的過水流量。纜道式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)適用于進(jìn)行高洪測(cè)驗(yàn)，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(shí)的流量測(cè)驗(yàn) [5–6]。纜道式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)主要由懸掛在纜道行車上主機(jī)設(shè)備部分和在岸上的設(shè)備與軟件組成。

2）街口水文站纜道走航 ADCP 測(cè)流系統(tǒng)。利用水文站建設(shè)的纜道設(shè)施牽引走航 ADCP 進(jìn)行測(cè)流，滿足漂浮物較少、泥沙含量不高時(shí)的全斷面測(cè)量，通過走航 ADCP 采集軟件矢量合成計(jì)算斷面過水流量。

1.2.3 測(cè)流系統(tǒng)使用

根據(jù)街口斷面的特性，在不同水位級(jí)或水情條件下，將測(cè)流子系統(tǒng)組合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測(cè)。

1）正常水情時(shí)期，河道流速正常，流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，使用 2 臺(tái)水平 ADCP 和 1 臺(tái)垂向 ADCP 進(jìn)行單元流速在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過軟件計(jì)算處理后，求得斷面過水流量。

2）洪水期時(shí)，流速大，含沙量高，影響水平和垂向 ADCP 的測(cè)驗(yàn)精度，在系統(tǒng)中加入 OBS-3A 測(cè)沙儀監(jiān)測(cè)的泥沙含量和雷達(dá)波流速儀監(jiān)測(cè)的水面流速等數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析計(jì)算，求出斷面過水流量。

3）枯水期時(shí)，河道過水?dāng)嗝嫒院艽?，流量較小，斷面流速小。使用纜道牽引走航 ADCP 進(jìn)行全斷面監(jiān)測(cè)，此外還可以根據(jù)上游來水情況進(jìn)行流量推算。

4）水平和垂向 ADCP 自動(dòng)測(cè)流設(shè)備故障時(shí)，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 的方式進(jìn)行人工流量測(cè)驗(yàn)。

5）在各種水情情況下，選擇合適的時(shí)機(jī)，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 進(jìn)行人工流量測(cè)驗(yàn)，對(duì)水平和垂向ADCP、雷達(dá)波流速儀在線自動(dòng)測(cè)流設(shè)備進(jìn)行率定。

1.3 現(xiàn)地應(yīng)用軟件子系統(tǒng)

現(xiàn)地應(yīng)用軟件子系統(tǒng)包括：1）雙層水平 ADCP 流量監(jiān)測(cè)采集軟件。負(fù)責(zé)水平 ADCP 流量相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、本地顯示及入庫、測(cè)流參數(shù)設(shè)置等功能。2）垂向 ADCP 泥沙流量監(jiān)測(cè)采集軟件。負(fù)責(zé)垂向 ADCP 流量和泥沙含量數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、本地顯示及入庫、測(cè)流參數(shù)設(shè)置等功能。3）雷達(dá)波流量監(jiān)測(cè)采集軟件。負(fù)責(zé)雷達(dá)波流量相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算、本地顯示及入庫、測(cè)流參數(shù)設(shè)置等功能。4）走航 ADCP 流量監(jiān)測(cè)采集軟件。負(fù)責(zé)走航 ADCP 測(cè)流操作及數(shù)據(jù)采集與處理。5）本地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合信息分析處理軟件。負(fù)責(zé)對(duì)各流量監(jiān)測(cè)采集軟件采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算分析及對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫的管理。各測(cè)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(yīng)用，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)發(fā)布及其他一些可擴(kuò)展的功能。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能與特性

街口水文站應(yīng)用多種監(jiān)測(cè)設(shè)備和軟件系統(tǒng)構(gòu)建了自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1）對(duì)雨量、單元流速、水位和泥沙含量進(jìn)行 24 h 連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，采用定時(shí)自報(bào)或召測(cè)工作方式進(jìn)行信息采集。監(jiān)測(cè)次數(shù)和工作方式可以本地設(shè)置，也可按時(shí)段或時(shí)間方式設(shè)定。2）實(shí)時(shí)采集斷面的流速、水位數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的流速、水位和水位-面積關(guān)系，采用流速-面積法分析計(jì)算斷面過水流量。

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

4）具有比測(cè)數(shù)據(jù)后處理功能，能存儲(chǔ) 1 a 以上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載，設(shè)備故障、異常自動(dòng)報(bào)警等功能。

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

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用情況

街口水文站自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)于 2019 年 2 月建成驗(yàn)收后投入試運(yùn)行。2019 年實(shí)測(cè)非常小流量為 0 m3/s，實(shí)測(cè)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(shí)間水位低于 104.00m。

1）纜道走航 ADCP 測(cè)流。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)后，主要采用纜道牽引走航 ADCP 進(jìn)行測(cè)流，前期走航 ADCP 施測(cè) 1 個(gè)測(cè)回時(shí)來回測(cè)次流量誤差較大，后經(jīng)研究，配置了外接羅經(jīng)，解決了該問題。經(jīng)過 1 a 多的施測(cè)表明，該斷面纜道牽引走航ADCP 測(cè)流的適用范圍在 4 000 m3/s 以下，當(dāng)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(cè)，走航 ADCP 易被損毀，而此時(shí)纜道牽引普通流速儀測(cè)流偏角過大，易被漂浮物、水草等纏繞，亦難以施測(cè)。下一步大流量的監(jiān)測(cè)計(jì)劃采用測(cè)船搭載走航 ADCP 等方式進(jìn)行多根垂線施測(cè)。

2）水平 ADCP 測(cè)流。2019 年大部分時(shí)間街口斷面水位低于 104.00 m，基本是采用下層水平 ADCP 進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從下層水平 ADCP 測(cè)次的回波來看，回波強(qiáng)度有時(shí)不穩(wěn)定，尤其是小流量時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)、凸跳等情況，較大流量時(shí)回波強(qiáng)度相對(duì)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(duì)較小，使用的 ADCP 為 300 kHz，射程遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，導(dǎo)致波束反射效果相對(duì)較差，回波強(qiáng)度不穩(wěn)定。小流量的測(cè)驗(yàn)正在探索嘗試采用落差指數(shù)法等進(jìn)行推流。

3）垂向 ADCP 測(cè)流。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙監(jiān)測(cè)儀安裝在浮標(biāo)上，2019 年試運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)生了水毀，從發(fā)生水毀到修復(fù)后重新投入試運(yùn)行約大半年時(shí)間，有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，暫未開展數(shù)據(jù)分析。

4）雷達(dá)波系統(tǒng)測(cè)流。當(dāng)斷面流量較大時(shí)采用纜道式雷達(dá)波施測(cè)表面流速，因大流量時(shí)暫無法采用纜道牽引走航 ADCP 施測(cè)，無法進(jìn)行多條垂線的表面流速與平均流速的關(guān)系率定，因此暫采用雷達(dá)波流速儀監(jiān)測(cè)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(dá)波測(cè)流系統(tǒng)的系數(shù)下一步還需使用本站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定。

4 結(jié)語

街口水文站組合應(yīng)用多套測(cè)流設(shè)備和軟件系統(tǒng)，構(gòu)建了測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)雨量、水位、流量和泥沙含量的自動(dòng)采集，傳輸，計(jì)算處理及入庫等功能，尤其是不同水位級(jí)、水情條件下的流量在線監(jiān)測(cè)，可為山區(qū)性大江大河斷面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供參考和借鑒。通過街口水文站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)支撐?；诮挚跀嗝姹旧硖匦詮?fù)雜，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及多種測(cè)流設(shè)備和計(jì)算軟件，系統(tǒng)的比測(cè)、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(jié)論。上海自動(dòng)化儀表有限公司下一步還需繼續(xù)開展大量的比測(cè)率定和分析研究工作，以提高在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用性和監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性。