□陳楠（河南省水文水資源局）

水文監(jiān)測技術(shù)在明渠水量自動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用

□陳楠（河南省水文水資源局）

2011年11月，國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目在全國范圍內(nèi)實(shí)施。項(xiàng)目著重開展取用水戶特別是中型以上灌區(qū)渠首取水監(jiān)測工作。項(xiàng)目建設(shè)后水量監(jiān)測站點(diǎn)大量增加，為減輕項(xiàng)目運(yùn)維資金及人員壓力，項(xiàng)目建設(shè)中以先進(jìn)的測報(bào)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用在線自動(dòng)監(jiān)測的方案。文章著重介紹可利用在明渠水量自動(dòng)監(jiān)測站中的水位-流量關(guān)系法、垂線流速分布模型（單垂線）法兩種水文自動(dòng)監(jiān)測方案的基本原理、適用條件、測站結(jié)構(gòu)等相關(guān)技術(shù)要求。

水文；監(jiān)測；明渠；水量；自動(dòng)

1 引言

2012年9月，為實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，實(shí)現(xiàn)“三條紅線”的考核目標(biāo)，國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目在全國范圍內(nèi)實(shí)施。水利部、財(cái)政部明確項(xiàng)目按照“三年基本建成、五年基本完善”的總體部署，分兩個(gè)階段開展實(shí)施，一期項(xiàng)目已基本建成；二期項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)用水監(jiān)控比例，為了減輕日后運(yùn)行維護(hù)壓力，二期建設(shè)采用“無人值守、有人看護(hù)、巡測管理”模式進(jìn)行建設(shè)，在灌區(qū)渠首建設(shè)一批流量自動(dòng)監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、長期自記、自動(dòng)傳輸。

文章論述了水位-流量關(guān)系法、垂線流速分布模型（單垂線）法兩種可應(yīng)用在明渠流量自動(dòng)監(jiān)測中的水文監(jiān)測技術(shù)。

2 水位-流量關(guān)系法監(jiān)測方案

2.1 基本原理

根據(jù)渠道監(jiān)測河段的水位、斷面等資料，利用曼寧公式計(jì)算不同水位及下的斷面平均流速和流量，建立水位-流量關(guān)系曲線，再根據(jù)實(shí)測流量對(duì)計(jì)算的水位-流量關(guān)系進(jìn)行率定。

式中：Q-流量，m3/s；A-斷面平均流速，m2，A=f（h）；V-斷面平均流速，m/s；n-河床糙率；R-水力半徑（m），（R=A/X，即過水?dāng)嗝婷娣eA與濕周X之比）；I-水面比降。

2.2 適用條件

適用于人工渠道、水位-流量關(guān)系穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)斷面：測流斷面上下游渠道應(yīng)順直，無明顯擴(kuò)散或收縮；河床穩(wěn)定，坡度應(yīng)均勻，無沖淤變化；糙率應(yīng)一致，水流應(yīng)平穩(wěn)；水位要素糙率有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；不受下游建筑物回水影響。該方案具有工程造價(jià)低、安裝方便的特點(diǎn)，但易受環(huán)境影響，需要長期率定。

2.3 測站結(jié)構(gòu)組成

浮子式水位計(jì)、遙測終端機(jī)RTU、太陽能板、蓄電池、充電控制器、GPRS/CDMA、三防箱、簡易測井、防雷設(shè)備及接地系統(tǒng)、測井基礎(chǔ)等。

2.4 設(shè)備安裝

采用高度5m、直徑φ219 mm的鍍鋅鋼管作為簡易測井的井體，渠道底部澆筑0.50 m×0.50 m×0.50 m的基座（基座頂部與渠道底部高度一致），并澆筑連接法蘭盤的地腳螺栓。井體通過法蘭盤與基座相連。井體中上部應(yīng)使用安全拉線與地面固定（對(duì)于矩形斷面的渠道，井體下部應(yīng)通過抱箍固定在渠道一側(cè)的側(cè)壁）。井體下端背水面應(yīng)開槽以使渠道與側(cè)境內(nèi)水體連通。浮子水位計(jì)安裝井體的頂端，實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)監(jiān)測。設(shè)備安裝示意圖見圖1。

圖1設(shè)備安裝示意圖

浮子式水位計(jì)要求井體垂直，測井直徑足夠安裝水位計(jì)、浮子和平衡錘，并保證浮子和平衡錘吊索不纏繞，井內(nèi)要有防淤積措施。簡易井由于直徑小，防浪效果差，在井底應(yīng)增設(shè)格柵消浪裝置。

3 垂線流速分布模型（單垂線）法監(jiān)測方案

3.1 基本原理

采用坐底式安裝方法是在渠道監(jiān)測斷面的渠底部安裝一臺(tái)多普勒明渠流量計(jì)，監(jiān)測一條垂線的平均流速。根據(jù)斷面的垂線流速分布規(guī)律，推算垂線的平均流速，其模型公式如下：

3.2 適用條件

適用于中小河流和渠道的流量自動(dòng)測量。設(shè)備自身的測速能力限制了應(yīng)用，不適用過淺、流態(tài)紊亂和較高含沙量的河流；測流斷面處要有適宜安裝的地點(diǎn)，以減少人為及航運(yùn)等干擾因素；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，寬度在50 m以內(nèi)的人工渠道用一條測速垂線即可，對(duì)于寬度在50 m以上的寬淺河道，建議用兩條測速垂線。該方案設(shè)備價(jià)格昂貴，且需加裝水位監(jiān)測設(shè)備，工程造價(jià)偏高。

3.3 測站結(jié)構(gòu)組成

氣泡式水位計(jì)、明渠流量計(jì)、遙測終端機(jī)RTU和GPRS/CDMA主/備通訊設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，設(shè)備供電方式采用太陽能供電，配置100 W太陽能板一塊和100AH蓄電池。

3.4 設(shè)備安裝

氣泡水位計(jì)安裝參考浮子水位計(jì)安裝方法，氣管置入水下時(shí)，應(yīng)采用鋼管護(hù)套，管道較長時(shí)應(yīng)有足夠多的固定支撐，確保不被水流沖擊損壞；水上部分氣管應(yīng)沿垂直支撐桿固定。明渠流量計(jì)采用坐底式安裝，終端箱及電源系統(tǒng)安裝在岸上儀表支架。

明渠流量計(jì)安裝在水下水平支撐臂上。水下支撐系統(tǒng)采用不銹構(gòu)件與熱鍍鋅鋼管結(jié)合的方式，采用2 m鋼樁垂直嵌入河底，頂部略高于河底0.10 m左右，以活動(dòng)關(guān)節(jié)連接水平支臂一端。水平支臂的另一端連接一20 cm×40 cm的不銹鋼平臺(tái)，用以固定流速傳感器。水平支臂的長度可根據(jù)水深的大小選擇確定。工作狀態(tài)時(shí)，水平支臂依靠自重沉臥于河底，當(dāng)儀器需要檢修維護(hù)時(shí)，可以通過水平支臂將流速傳感器拉出水面。當(dāng)水深超過1 m時(shí)，應(yīng)考慮自動(dòng)沉浮裝置，以便在設(shè)備檢修時(shí)能夠自動(dòng)浮出水面。

由于單垂線或雙垂線監(jiān)測站的功耗較大，所配置的太陽能供電系統(tǒng)需要1～2塊100 AH的蓄電池組，并與RTU等儀器全部集成在三防箱內(nèi)，因此，必須為室外部分的設(shè)備提供牢固可靠的安裝平臺(tái)。岸上儀表的裝置建設(shè)在監(jiān)測斷面附近岸上（根據(jù)地形條件，不超過5 m范圍內(nèi)）。采用2根長10 m的標(biāo)準(zhǔn)電力水泥桿，直立在監(jiān)測斷面附近，埋深2 m。距地面6 m處安裝工作平臺(tái)，用于固定儀表箱。水下線纜上岸后與電源線、接地線一并進(jìn)入水泥桿內(nèi)部，接入儀表箱內(nèi)。

明渠流量監(jiān)測站的電源系統(tǒng)全部采用太陽能供電系統(tǒng)。太陽能板安裝在岸上支架的儀器安裝平臺(tái)上，蓄電池組和RTU、充電控制系統(tǒng)等集成在三防箱內(nèi)。

遙測數(shù)據(jù)終端RTU與三防箱配套使用，集成在三防箱內(nèi)。根據(jù)安裝的環(huán)境分為室內(nèi)三防箱和室外三防箱，根據(jù)安裝方式分為壁掛式和落地式。箱體采用鐵質(zhì)，外表涂防淺灰色防銹漆，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP54以上。

4 其他

水位-流量關(guān)系法監(jiān)測方案需要根據(jù)實(shí)測流量資料對(duì)理論的水位-流量關(guān)系進(jìn)行修正，垂線流速分布模型法監(jiān)測方案需要實(shí)測流量資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此渠道型水量自動(dòng)監(jiān)測站完工后需要進(jìn)行不同水位級(jí)的人工比測率定工作。采用人工觀測水位（水深），并符合《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50138-2010）》水位觀測要求。按照精測法布設(shè)測速垂線和測點(diǎn)，采用流速儀實(shí)測過水?dāng)嗝娓鳒y點(diǎn)流速，計(jì)算各垂線平均流速、相鄰垂線間平均流速及部分面積，進(jìn)而計(jì)算部分流量及過水?dāng)嗝媪髁浚徊捎枚囗?xiàng)式擬合水位-流量關(guān)系曲線公式，并進(jìn)行推流誤差評(píng)定及檢驗(yàn)，率定流量監(jiān)測的測速垂線、測點(diǎn)布設(shè)及施測符合流速儀法精測法要求，按照要求做好記錄，填寫流量測驗(yàn)成果表。每一流量系數(shù)，應(yīng)積累不少于30次的實(shí)測資料，均勻分布于流量系數(shù)相關(guān)要素的全變幅內(nèi)，至少應(yīng)覆蓋變幅的75%。如果斷面不穩(wěn)定，不是單一關(guān)系曲線，測次要增加。采用多項(xiàng)式進(jìn)行關(guān)系曲線擬合，應(yīng)符合要求，高水部分延長不應(yīng)超過實(shí)測值所占水位變幅的30%，低水部分延長不超過10%。推流誤差評(píng)定及檢驗(yàn)要求：高中低水率定測次應(yīng)不少于10次，系統(tǒng)誤差應(yīng)不大于±2%，隨機(jī)不確定度不大于±11%，對(duì)各條關(guān)系曲線的測點(diǎn)應(yīng)做符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。符號(hào)檢驗(yàn)α值采用0.25，適線檢驗(yàn)α值采用0.05，偏離檢驗(yàn)α值采用0.10，當(dāng)三種檢驗(yàn)均接受原假設(shè)時(shí)，認(rèn)定該關(guān)系曲線正確、可用。提交的最終水位-流量率定成果可參考《國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目灌區(qū)渠首取水在線監(jiān)測技術(shù)指南》相關(guān)要求。

［1］王文川，邱林，徐冬梅，等.工程水文學(xué)［M］北京：中國水利水電出版社，2013：39-40.

P332

B

1673-8853（2017）11-0033-02

陳楠（1983.7—），女，工程師，主要從事水文測驗(yàn)、水文水資源工程建設(shè)管理工作。

2017-9-19

編輯：符蕾