唐春生， 李聶貴， 李 剛， 蔣新新

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局， 江蘇 南京 210029； 2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所， 江蘇 南京 210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210012)

流量是反映江河湖庫(kù)水量變化的基本水文資料，更是支撐防汛防旱、最嚴(yán)格水資源管理、生態(tài)河湖建設(shè)管理的重要水文要素，流量測(cè)驗(yàn)的目的是取得天然河流及水利工程調(diào)節(jié)控制后的各種徑流資料。伴隨水文現(xiàn)代化的推進(jìn)，傳統(tǒng)的人工測(cè)流正在逐步向自動(dòng)測(cè)流轉(zhuǎn)變，流量在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵，流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)主要有垂向聲學(xué)多普勒流速剖面儀(V-ADCP)測(cè)流、橫向聲學(xué)多普勒流速剖面儀(H-ADCP)測(cè)流、超聲波時(shí)差法測(cè)流、雷達(dá)波測(cè)流等幾種方法。2017年，連云港水文分局在小許莊水文站恢復(fù)部署了1套垂向式基于二線能坡法的聲學(xué)多普勒自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，本文結(jié)合該案例主要探討一下V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)警示標(biāo)志的應(yīng)用。

1 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)應(yīng)用形勢(shì)

隨著國(guó)外新技術(shù)和設(shè)備的引進(jìn)，自動(dòng)測(cè)流技術(shù)飛速發(fā)展，聲學(xué)多普勒流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在我國(guó)很多地區(qū)得到應(yīng)用[1-2]。該自動(dòng)測(cè)流是在河道岸邊利用自記臺(tái)、水工建筑物，或者在河底安裝一種可以發(fā)射和接收聲波的自動(dòng)測(cè)流設(shè)備，用來(lái)測(cè)驗(yàn)斷面的部分流速，然后根據(jù)比測(cè)率定得到代表流速與斷面平均流速的關(guān)系，之后便可以達(dá)到不間斷自動(dòng)測(cè)流的目的。該方法適用于測(cè)流斷面的河寬、水深、流速和含沙量等滿足自動(dòng)測(cè)流儀器的應(yīng)用條件，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地全自動(dòng)測(cè)量。目前，聲學(xué)多普勒流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有V-ADCP和H-ADCP兩種，其測(cè)流原理為：聲學(xué)多普勒傳感器發(fā)射的超聲波遇到水中和水一起流動(dòng)的懸浮物會(huì)產(chǎn)生反射，部分聲波反射至發(fā)射端被聲學(xué)多普勒流速測(cè)量傳感器接收，且反射回來(lái)的聲波頻率隨流速的大小而發(fā)生變化，根據(jù)頻率大小可計(jì)算出各層水流某一段上各點(diǎn)的矢量流速，通過(guò)比測(cè)率定建立穩(wěn)定的層流速與斷面平均流速的關(guān)系，測(cè)量水深并根據(jù)水深和儀器安裝高程算出水位，由“水位-過(guò)水面積關(guān)系表”得到過(guò)水面積，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀利用聲學(xué)多普勒流速測(cè)量傳感器提供的流速數(shù)據(jù)及水位數(shù)據(jù)采用“指標(biāo)流速法”實(shí)時(shí)計(jì)算流量，或用流量計(jì)算模型直接計(jì)算流量。由于V-ADCP采用垂向式安裝、代表垂線測(cè)流，與人工測(cè)流普遍使用的流速儀代表垂線法測(cè)流原理一致，因此得到了較為廣泛的的推廣應(yīng)用，江蘇省水文水資源勘測(cè)局在全省多處水文測(cè)站建設(shè)了V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，僅在連云港水文分局就安裝部署了5套，分別位于大興鎮(zhèn)、小許莊、臨洪、臨洪(東)、小吳場(chǎng)5個(gè)測(cè)流斷面。

V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)是在測(cè)流斷面的測(cè)速垂線起點(diǎn)距的河床[3-4]，采用混凝土塊或混凝土樁或其他材料進(jìn)行施工，構(gòu)造固定垂向式ADCP的基礎(chǔ)，為了便于安裝、調(diào)整、維護(hù)維修，一般在固定垂向式ADCP的基礎(chǔ)上安裝升降套件，從而可以方便地把V-ADCP傳感器從河底升至水面，從水面降至河底，V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝剖面示意圖如圖1所示。

圖1 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝剖面示意圖

2 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)應(yīng)用存在問(wèn)題

2015年，水文部門(mén)在薔薇河小許莊水文站、蘇魯省界斷面新沭河大興鎮(zhèn)水文站各建設(shè)安裝了1套基于二線能坡法的在線流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

小許莊水文站屬國(guó)家基本水文站，位于江蘇省東海縣房山鎮(zhèn)尚仁莊村，設(shè)立于1956年7月，集水面積477 km2，該站屬省級(jí)重要水文站，也是連云港市防汛調(diào)度的重要報(bào)汛站，擔(dān)負(fù)著薔薇河的水情測(cè)報(bào)任務(wù)。測(cè)驗(yàn)河段基本順直段長(zhǎng)度約1 000 m，測(cè)驗(yàn)斷面為復(fù)式斷面，總寬176 m，主槽寬60 m，兩岸灘地寬共90 m，灘地為雜草。斷面兩岸為黏土，河底為砂礓，河床沖淤變化不大。

大興鎮(zhèn)水文站屬國(guó)家基本水文站，位于山東省臨沭縣大興鎮(zhèn)大興一村，設(shè)立于1951年4月，集水面積5 108 km2，該站為石梁河水庫(kù)上游干流入庫(kù)控制站、國(guó)家級(jí)重要水文站，也是石梁河水庫(kù)防汛調(diào)度的重要報(bào)汛站及水文預(yù)報(bào)重要站。測(cè)驗(yàn)河段基本順直段長(zhǎng)度約1 100 m，測(cè)驗(yàn)斷面為復(fù)式斷面，總寬379 m，右岸60 m為灘地。斷面左岸為風(fēng)化砂巖，右岸為沙壤土，右岸有坍塌現(xiàn)象。河床沖淤變化較大，加上采砂影響，測(cè)驗(yàn)斷面河底高程有逐漸降低趨勢(shì)，中泓左右擺動(dòng)，中高洪水時(shí)斷面水流流向不正。

每套系統(tǒng)均配備2個(gè)ADCP傳感器及1個(gè)V-ADCP主機(jī)，ADCP傳感器固定安裝在河道斷面底部距兩岸約1/4處，因V-ADCP控制柜安裝在測(cè)站纜道房?jī)?nèi)，考慮到安裝成本，數(shù)據(jù)線纜沿河底從同側(cè)河堤上岸敷設(shè)至監(jiān)測(cè)站房。主機(jī)可以連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，或者連接測(cè)流控制器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。建成初期正常運(yùn)行，之后在很短的時(shí)間內(nèi)，由于河道疏浚以及行船拖拽等影響，小許莊和大興鎮(zhèn)水文站自動(dòng)測(cè)流設(shè)備均損壞，分析原因主要有：一是傳感器安裝在水下，水面以上沒(méi)有任何警示標(biāo)志，河道疏浚施工人員及船只駕駛?cè)藛T不知道水下有傳感器及過(guò)河線纜，因而造成與水下傳感器的碰擦；二是線纜從一側(cè)河堤上岸，右岸一側(cè)傳感器線纜穿過(guò)中泓從左岸側(cè)接入站房，行船在拖錨行駛的情況下會(huì)拽斷中泓底部的傳感器線纜。損壞的設(shè)備主要有：水下支持平臺(tái)、水下信號(hào)線纜、水下氣管以及ADCP傳感器等，其中大興鎮(zhèn)水文站右岸1個(gè)ADCP傳感器遭行船拖拽后丟失，ADCP傳感器單價(jià)約10萬(wàn)元，損失較大。上述2站V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝平面示意圖如圖2所示。

圖2 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖(恢復(fù)前)

3 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)警示標(biāo)志設(shè)置

小許莊水文站位于江水北調(diào)入連云港市的薔薇河樞紐工程下游，是外引水進(jìn)入市區(qū)的上游重要控制站，由于該站所處薔薇河河段為通航河道，為避免重蹈覆轍，以問(wèn)題為導(dǎo)向，充分吸取以往失敗教訓(xùn)，2017年與淮委水文局專家會(huì)商研討，為了保障水下設(shè)備安全，必須設(shè)置警示標(biāo)志提示過(guò)往船只避讓。有兩種方案：方案一是在水下傳感器位置設(shè)置2個(gè)警示樁，鋼管樁、混凝土樁等硬質(zhì)樁；方案二是在水下傳感器所在的河面位置設(shè)置2個(gè)警示漂浮物，浮球、浮筒等軟質(zhì)警示標(biāo)志。

方案一需要在河道內(nèi)打鋼管樁或混凝土樁，航道主管部門(mén)批準(zhǔn)手續(xù)難以辦理，施工較為麻煩，成本較高，由于該河道屬通航河道，一方面大噸位船只會(huì)撞壞鋼管樁或混凝土樁，另一方面硬質(zhì)的鋼管樁或混凝土樁會(huì)刮擦過(guò)往船只，對(duì)行船安全造成影響。方案二是在河底配重或打樁釘，水體內(nèi)用錨鏈連接水面浮球或浮筒，施工較為簡(jiǎn)便，成本很低，浮球、浮筒等軟質(zhì)漂浮物對(duì)行船安全不會(huì)造成影響。經(jīng)論證比選，決定采用方案二，在小許莊水文站測(cè)流斷面采取設(shè)置警示浮球方案。做法如下：

在水下傳感器下游10 m處安裝2個(gè)浮球標(biāo)志，標(biāo)志系統(tǒng)由浮球、錨鏈、水下固定物組成。浮球采用一次成型滾塑塑料制品，里面添加聚氨酯發(fā)泡材料，直徑120 cm。河底固定裝置采用配重或打樁釘，浮球與河底固定裝置采用直徑10 mm錨鏈，長(zhǎng)度略長(zhǎng)于水深。同時(shí)為了保證水下信號(hào)線纜和控制管線的安全，采用線纜兩邊上岸的方式。警示浮球安裝好后，筆者多次到該站見(jiàn)到行船行駛到該斷面時(shí)均主動(dòng)避讓，甚至2條船對(duì)駛在該斷面交匯時(shí)也避讓得非常好，均從2個(gè)浮球中間的河道行駛，從而確保了該自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的安全運(yùn)行，小許莊水文站V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)警示浮球示意圖如圖3所示，恢復(fù)之后V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝平面示意圖如圖4所示。

圖3 V-ADCP警示浮球示意圖

圖4 V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖(恢復(fù)后)

2018年，連云港水文分局先后在小吳場(chǎng)、臨洪、臨洪(東)3個(gè)測(cè)流斷面應(yīng)用2個(gè)警示浮球(筒)成果安裝部署了3套V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)，運(yùn)行至今測(cè)流系統(tǒng)均穩(wěn)定正常。

4 結(jié) 語(yǔ)

2019年9月，水利部印發(fā)《水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求》，針對(duì)流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備配置明確提出應(yīng)以在線或自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主總要求，V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)將會(huì)大量應(yīng)用，鑒于V-ADCP自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)警示標(biāo)志在連云港小吳場(chǎng)、臨洪、臨洪(東)3個(gè)測(cè)流斷面應(yīng)用效果良好，為自動(dòng)測(cè)流系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了保障，減少了經(jīng)濟(jì)損失，有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。