趙 琳，馮 洋，任澤儉

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014；2.山東潤魯工程咨詢有限公司，山東 濟南 250109）

小清河是濟南市的泄洪通道，上游水源來自濟南市的泉群，流經(jīng)濟南、濱州、濰坊、淄博、東營等市，在濰坊市羊口鎮(zhèn)以東入渤海，其地勢南高北低，遇到強降雨容易造成洪澇災害。2019 年小清河流域受“利奇馬”臺風的影響，出現(xiàn)強降雨，部分地區(qū)發(fā)生嚴重洪澇災害，暴露出不少問題。水文流量監(jiān)測能力不足是重要的缺陷之一。為了密切監(jiān)控小清河汛情，提高水文監(jiān)測能力和預報能力，需對小清河原有水文設施在線流量監(jiān)測系統(tǒng)進行提升和完善[1-3]。

1 在線流量監(jiān)測方案比較

1.1 流速儀纜道在線流量監(jiān)測

流速儀纜道是最常用的水文流量監(jiān)測系統(tǒng)，近些年陸地水文逐漸采用雷達技術測流，結合流速儀纜道，設計特色行車，并集成雷達波測速設備，適用于多種流速的測流，形成流速儀纜道耦合雷達在線流量監(jiān)測系統(tǒng)，它的構造與流速儀纜道相似，不過測速設備、信號傳輸方式、行車等有所不同。

1.2 雷達波測流系統(tǒng)

1）固定點雷達在線流量監(jiān)測。固定點雷達有單探頭和多探頭之分。其中，多探頭的固定點雷達測速系統(tǒng)傳感器分為主雷達感器和分雷達傳感器。主雷達傳感器集成雷達測速傳感器及雷達水位傳感器，主控單元安裝于主雷達測速傳感器端，具備分控單元控制、信息采集與傳輸、參數(shù)顯示及設置、充電控制等功能，含本地無線通訊模塊。雷達波測速傳感器自動記錄流速、瞬時水位、測速垂線、設備狀態(tài)等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

2）移動雷達在線流量監(jiān)測。移動雷達在線流量監(jiān)測，需要建設塔架和鋼索，配置供電電源與避雷接地系統(tǒng)，通過系統(tǒng)控制器可以控制雷達測速行車在鋼索上自動行走。自行走式雷達測速行車集成驅(qū)動電機、雷達測速傳感器支架、雷達測速控制器、無線通訊模塊、電池、充電接口等。系統(tǒng)控制器可以控制行車前進或后退、進行參數(shù)設置及顯示、采集傳感器數(shù)據(jù)并傳輸、實現(xiàn)小車的充放電等功能，同固定點雷達測速系統(tǒng)一樣，可以獲取流速、瞬時水位、測速垂線、設備狀態(tài)等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

3）側掃雷達在線流量監(jiān)測。側掃雷達是采用側掃方式工作的雷達波在線流量監(jiān)測方案，傳感器安裝在專用支架上，配有專用天線、儀器箱、供電系統(tǒng)、專用軟件等。側掃雷達的控制主機按指定時間間隔自動獲取探測范圍內(nèi)水面流向及流速數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲并發(fā)送至中心站。

4）H-ADCP 在線流量監(jiān)測。ADCP 屬于聲學多普勒測速傳感器，具有測速精度高、適用于多種水深的優(yōu)點，常用于流量設備率定，安裝方式有移動式和固定式，而固定式又分水平式和垂直式。

1.3 聲學時差法在線流量監(jiān)測

聲學時差法一般用于規(guī)則斷面。安裝超聲波流量計配備水位感應計，可以測量出當前水位；根據(jù)水位和斷面性質(zhì)，計算出斷面面積；超聲波換能器安裝于箱涵側壁，通過換能器和測流軟件計算平均流速；通過流量模型，可以建立起層流速與斷面平均流速的關系，推算出斷面流量，以實現(xiàn)流量的快速測量[4]。通過無線方式將流量信號傳輸至中心站。

1.4 方案比選

在線流量監(jiān)測方案對比如表1：

表1 在線流量監(jiān)測方案對比表

2 自動測流方式的適用性分析

不同測站根據(jù)不同的斷面水深、寬度、流速以及水質(zhì)情況選擇適宜的測流方案。

1）流速儀測流。該法是接觸式測流，在水文流量測驗中是評定其他測流方法精度的標準方法，適用于中低水流量監(jiān)測。如果斷面位于河道洪水漲落過程中漂浮物較多，高洪水流速過大，采用流速儀測流將存在很大的安全隱患，可以使用水文纜道耦合雷達波在線流量監(jiān)測系統(tǒng)。

2）雷達波流量測量。作為一種非接觸式流量測量方法，該法對水質(zhì)要求不高，不易受到水面漂浮物的影響。它適用于多種天然河流和河道。固定點雷達測速傳感器可以安裝在跨河橋上或河岸上，測量水面流速的速度快，還可以人工設定測量頻次，適合高洪水時使用。但是，在低水量和小流速的條件下，雷達波速度傳感器將出現(xiàn)0流速，因此它不適合測量小流速。側掃雷達對設備的使用環(huán)境要求不高，可以安裝在岸上，進而完成表面流速的測量，可以提供長期連續(xù)的數(shù)據(jù)，但成本較高，而且它對河寬和水深有一定的要求，例如河寬不能大于側掃雷達的剖面范圍。

3）H-ADCP 測流方式。此法也是接觸式測流方式，對河道性狀有一定的要求，如測流斷面河床穩(wěn)定、無明顯沖淤變化、測流斷面流態(tài)穩(wěn)定、流速分布均勻，層流速分布有規(guī)律、斷面水位面積關系穩(wěn)定等，在洪水期間受漂浮物影響、水體中氣泡、泥沙干擾，而且底沙、樹等對儀器會有損害，需要定期清淤、維護成本高。可適用于符合使用條件的水文站或人工渠道。

4）聲學時差法流量計。此法比較適合在中速、含沙量低、不易淤積、斷面規(guī)則的水體中進行測流，不適用于過寬或斷面變化太大的河道，對上下游直管段的長度有特殊要求。

3 小清河水文設施流量在線監(jiān)測方案

小清河干流大部分主河道通過災后重建與綜合治理后，河槽形狀會更規(guī)則、河床會更穩(wěn)定，而小清河支流的河槽形狀大都不規(guī)則。結合小清河流域各水文測站測流斷面情況、供電與交通條件等，根據(jù)上述研究分析，流量在線監(jiān)測方案為：3 個水文站采用水文纜道合并纜道雷達在線流量監(jiān)測方案，6 個水文站采用移動雷達在線流量監(jiān)測方案，22 個水文站采用固定點雷達在線流量監(jiān)測方案，2 個水文站采用側掃雷達在線流量監(jiān)測方案，2 個水文站采用H-ADCP 在線流量監(jiān)測方案，1 處匯入河道的管道斷面附近安裝2 聲道時差法超聲波流量計。