楊鳳棟，陳學(xué)虞，龐 進(jìn)，楊 峰，張 佳

（黃委山東水文水資源局，山東濟(jì)南250100）

山東黃河流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)驗(yàn)方法變遷

楊鳳棟，陳學(xué)虞，龐 進(jìn)，楊 峰，張 佳

（黃委山東水文水資源局，山東濟(jì)南250100）

河流流量是描述某河流水文要素的重要參數(shù)，也是反映河流水量多少的重要指標(biāo)。山東黃河流量測(cè)驗(yàn)方法自建國(guó)以來(lái)以流速面積法為主要測(cè)驗(yàn)方法，但由于測(cè)驗(yàn)設(shè)施、設(shè)備的不斷發(fā)展變化，流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)、精度和時(shí)效性也不斷地發(fā)生著變化。本文通過(guò)分析山東黃河建國(guó)以來(lái)流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展變化，闡述科學(xué)技術(shù)發(fā)展及科技創(chuàng)新對(duì)水文測(cè)報(bào)技術(shù)發(fā)展的重要性。

山東黃河；流量測(cè)驗(yàn)；設(shè)施設(shè)備

1 渡河方式

山東黃河流量測(cè)驗(yàn)主要在測(cè)船或吊箱上進(jìn)行。完成一次流量測(cè)驗(yàn)，測(cè)船或吊箱需要在選定的斷面上從一岸移動(dòng)到另一岸，測(cè)船或吊箱移動(dòng)的方式叫做渡河方式。渡河方式、測(cè)流歷時(shí)、測(cè)驗(yàn)精度隨著渡河設(shè)施的改進(jìn)而由繁至簡(jiǎn)、由長(zhǎng)至短、由低至高。山東黃河流量測(cè)驗(yàn)渡河方式大致分為拉纖法、高吊纜法、機(jī)船法和水文纜道法四個(gè)階段。

1.1 拉纖法

拉纖法是依靠人力將測(cè)船拉到斷面上游，讓測(cè)船在水流和船工的操控下從一岸移渡到另一岸的方法。

1.1.1 人工拉纖、一錨一點(diǎn)法

建國(guó)初期，流量、輸沙率測(cè)驗(yàn)主要使用無(wú)動(dòng)力木船、依靠人工拉纖的方式完成，即“人工拉纖、一錨一點(diǎn)”法。這種方法是施測(cè)流量時(shí)人工將木船拉到測(cè)驗(yàn)斷面上游某合適位置（該位置能使測(cè)船在船員操控和水流作用下順利漂移到施測(cè)垂線上游拋錨點(diǎn)）后停止拉纖，讓木船在水流和船員的操控下漂向拋錨點(diǎn)拋錨定船，然后放松錨鏈（錨鏈一般長(zhǎng)10～30m左右，在系錨處系有起錨繩）將船下滑到測(cè)驗(yàn)斷面第1條垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)完畢人工拽拉起錨繩起錨移動(dòng)測(cè)船施測(cè)下一條垂線。因?yàn)槠疱^后測(cè)船在向岸邊靠近的過(guò)程中被水流沖向斷面下游1～3km或更遠(yuǎn)，測(cè)船離岸邊越遠(yuǎn)下滑距離越大。測(cè)船靠岸后船上測(cè)驗(yàn)人員下船拉纖上行，將船再拉到斷面上游另一適合施測(cè)下一條垂線的位置后停止拉纖，然后重復(fù)以上各步工作，施測(cè)第2條垂線。如此往復(fù)，一次流量10多條垂線需要移動(dòng)10～20次船。施測(cè)一次流量一般需要十幾個(gè)小時(shí)，如遇滑錨、淤錨，測(cè)驗(yàn)歷時(shí)會(huì)更長(zhǎng)。渡河方式落后，工作艱苦、安全無(wú)保障、測(cè)驗(yàn)精度差。

1.1.2 立式絞關(guān)長(zhǎng)錨纜牽引（一錨三點(diǎn)）法

“人工拉纖、一錨一點(diǎn)”渡河方式使用了近三年。水文職工不斷總結(jié)創(chuàng)新，1953年，黃河艾山、濼口兩水文站職工首先使用了“立式絞關(guān)長(zhǎng)錨纜牽引法”。這種方法是將錨纜加長(zhǎng)，纏繞固定在測(cè)船頭部的立式絞關(guān)上，起錨時(shí)人工推動(dòng)絞關(guān)，起錨后測(cè)船又滑向斷面下游。施測(cè)下一錨時(shí)，重復(fù)“人工拉纖、拋錨定位”的方法。這種方法一錨可以施測(cè)1～3條垂線，窄深河道的水文站3～4錨即可完成全斷面流量測(cè)驗(yàn)?！傲⑹浇g關(guān)長(zhǎng)錨纜牽引法”的使用替代了人力拽拉錨鏈起錨，錨纜的加長(zhǎng)使一錨能施測(cè)3條垂線，較之“人工拉纖、一錨一點(diǎn)法”減少了兩次拉纖過(guò)程，明顯降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了測(cè)驗(yàn)時(shí)間，提高了流量的測(cè)驗(yàn)精度。

1.2 高吊纜水力絞關(guān)法

高吊纜法即在測(cè)驗(yàn)斷面上游300m左右處靠近主槽的一岸堤壩上豎立1根高10m左右的木桿或鋼管，用以懸吊測(cè)船，高吊纜通過(guò)船頭導(dǎo)向輪、船尾導(dǎo)向滑輪纏繞在水力絞關(guān)軸上，測(cè)船在艄公的操控下借助纜索的牽掛和水流的沖擊左右擺動(dòng)。

立式絞關(guān)長(zhǎng)錨纜牽引法使用過(guò)程存在兩方面問(wèn)題，一是測(cè)驗(yàn)時(shí)間稍長(zhǎng)便出現(xiàn)河床泥沙淤埋錨犁和錨纜現(xiàn)象，二是人力推動(dòng)立式絞關(guān)勞動(dòng)強(qiáng)度大。1954年，高村水文站職工在實(shí)踐中發(fā)明了高吊纜。用高吊纜牽引替代了立式絞關(guān)長(zhǎng)錨纜牽引移渡測(cè)船進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，一次可擺進(jìn)測(cè)船200～300m，一般水文站配合小型測(cè)船不用拉纖可以完成流量測(cè)驗(yàn)，縮短測(cè)流歷時(shí)3/5，但仍用人力推立絞關(guān)起錨。1956年，艾山水文站職工研制了水力絞關(guān)替代了人推立式絞關(guān)。高吊纜、水力絞關(guān)的聯(lián)合使用使測(cè)船逆行、左右移動(dòng)、鉛魚(yú)升降及定位測(cè)驗(yàn)變得省時(shí)、省力、方便。較之“一錨三點(diǎn)法”又縮短了時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)驗(yàn)精度。

高吊纜、水力絞關(guān)的使用解決了錨纜淤積問(wèn)題，替代了人工推轉(zhuǎn)絞關(guān)，進(jìn)一步縮短了測(cè)流歷時(shí)、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了測(cè)驗(yàn)精度。但高吊纜適用于窄深河道且有堤壩的測(cè)驗(yàn)河段，對(duì)于寬淺河道宜與“一錨三點(diǎn)”法配合使用完成測(cè)驗(yàn)。

1.3 機(jī)動(dòng)船渡河

上世紀(jì)60年代末，開(kāi)始使用機(jī)動(dòng)測(cè)船或以機(jī)動(dòng)測(cè)船牽引木測(cè)船配合長(zhǎng)纜重犁水力絞關(guān)，采用一錨三點(diǎn)或多點(diǎn)法施測(cè)流量。首先，濼口、高村、孫口水文站先后配備了機(jī)動(dòng)測(cè)船；70年代末，艾山、濼口、利津、陳山口水文站先后配備了鋼板測(cè)船和沖鋒舟；至2013年底山東測(cè)區(qū)各干流水文站全部配備了機(jī)動(dòng)測(cè)船。使用機(jī)動(dòng)測(cè)船后施測(cè)一次流量在100分鐘左右，測(cè)驗(yàn)安全和資料精度進(jìn)一步提高，但機(jī)動(dòng)測(cè)船功耗大、費(fèi)用高，船體對(duì)水流有一定擾動(dòng)。

1.4 水文纜道

1964年，濼口、艾山、利津、陳山口4水文站建設(shè)使用了水文纜道。其中東平湖陳山口水文站最先使用了吊箱纜道，濼口水文站最先使用吊船纜道。1979、1980年孫口、高村水文站相繼建成使用了吊船纜道，其中高村水文站纜道是黃河上單跨最大、支架最高的吊船纜道；1999年利津站建成使用了吊船吊箱兩用纜道，該纜道是黃河上第一個(gè)利用高能電池作吊箱升降能源的半自動(dòng)化纜道。2000年后，隨著科技進(jìn)步和水文投入的增加，渡河設(shè)施發(fā)生了質(zhì)的變化。目前，高村、孫口、艾山3水文站均有吊船、吊箱纜道各1套，濼口水文站有自動(dòng)化測(cè)流纜道和吊船纜道各1套，利津站有吊船吊箱兩用纜道1套，陳山口水文站吊箱、自動(dòng)化測(cè)流纜道各1套。

吊船纜道是利用水流沖力及纜道的牽引完成測(cè)船渡河測(cè)驗(yàn)。吊箱纜道基本實(shí)現(xiàn)了吊箱的水平、升降運(yùn)行電動(dòng)化，起點(diǎn)距測(cè)量自動(dòng)化，只需要3人就能完成流量測(cè)驗(yàn)，實(shí)測(cè)一次流量?jī)H需70分鐘左右，大幅縮短了流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，減少了測(cè)驗(yàn)人員數(shù)量，特別是測(cè)驗(yàn)垂線定位準(zhǔn)確使得測(cè)驗(yàn)精度大幅提高，自動(dòng)化測(cè)流纜的建成進(jìn)一步保證了大洪水期間的流量測(cè)驗(yàn)。

2 流速儀懸吊方式

流速儀懸吊方式及鉛魚(yú)大小，都直接影響流量的測(cè)驗(yàn)歷時(shí)和質(zhì)量。建國(guó)初期，山東測(cè)區(qū)流速儀懸吊設(shè)備經(jīng)歷了從無(wú)到有，從簡(jiǎn)陋到相對(duì)先進(jìn)的發(fā)展過(guò)程。最早的流量測(cè)驗(yàn)沒(méi)有懸吊設(shè)備，測(cè)速時(shí)將流速儀懸板捆在有刻度的木桿上或懸掛在木船的桅桿纜繩上進(jìn)行測(cè)速。1953年后，水文職工自己研制的木質(zhì)流速儀絞車(chē)普遍應(yīng)用于各水文站流量測(cè)驗(yàn)。1955年后又將木質(zhì)絞車(chē)改為帶軸承的鋼架絞車(chē)，這種絞車(chē)的起吊重量、懸臂長(zhǎng)度較木質(zhì)絞車(chē)有了大的改進(jìn)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。1970年前后，部分水文站配備了手搖、電動(dòng)兩用絞車(chē)。1990年前后，各水文站大型測(cè)船配備了電動(dòng)水文絞車(chē)，中、小型測(cè)船配備了輕型鋼架絞車(chē)，部分水文站使用了手搖懸桿。目前，各水文站均配備了變頻調(diào)速絞車(chē)，實(shí)現(xiàn)了流速儀升降限位控制和水深測(cè)量自動(dòng)化控制。

3 起點(diǎn)距定位

建國(guó)初期，流量測(cè)驗(yàn)中的測(cè)速、測(cè)深垂線位置是用經(jīng)緯儀交會(huì)法、視距法和輻射線法確定。其中，經(jīng)緯儀交會(huì)法是在岸上根據(jù)2個(gè)已知點(diǎn)坐標(biāo)確定待定點(diǎn)位置的方法（圖1）；視距法是在測(cè)流斷面上用直接測(cè)量視距的方法確定待定點(diǎn)的位置。這兩種方法是由技術(shù)人員在岸上測(cè)定，垂線位置不固定。輻射法是在岸邊根據(jù)固定垂線位置沿水流方向埋設(shè)2組標(biāo)志桿，由河中船上技術(shù)人員目測(cè)確定垂線位置的方法（圖2）。50年代后期各水文站開(kāi)始用六分儀采用后方交會(huì)法在測(cè)船上測(cè)定斷面垂線位置（圖3），這種方法測(cè)驗(yàn)人員能根據(jù)水流及河勢(shì)變化情況隨機(jī)確定垂線位置。迄今山東黃河多數(shù)站仍在使用六分儀交會(huì)法進(jìn)行垂線定位。

目前，使用吊箱纜道測(cè)流的水文站均使用纜道定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，個(gè)別水文站開(kāi)展了GPS定位試驗(yàn)研究。

圖2 輻射線法測(cè)定斷面垂線位置示意圖

圖3 六分儀交會(huì)法測(cè)定斷面垂線位置示意圖

4 水深測(cè)量

水深是計(jì)算流量的三大基本要素之一，其測(cè)量方法直接影響水深的精度。山東測(cè)區(qū)各水文站水深測(cè)量從建國(guó)初期至今主要使用的方法是簡(jiǎn)易木桿測(cè)深、測(cè)深錘測(cè)深、重鉛魚(yú)測(cè)深和測(cè)深桿測(cè)深。目前常用的方法是重鉛魚(yú)和測(cè)深桿法測(cè)深；部分站研制了智能懸桿和鉛魚(yú)測(cè)深，并成功應(yīng)用于中、低水時(shí)期的流量測(cè)驗(yàn)；適用于黃河水深測(cè)量的數(shù)字化測(cè)深方法正在山東測(cè)區(qū)各水文站試驗(yàn)推廣。

5 流量計(jì)算方法

隨著計(jì)算工具的變化，流量記載計(jì)算方法在不斷變化。上世紀(jì)70年代以前主要使用算盤(pán)、流速和起點(diǎn)距查算表計(jì)算流量。船上測(cè)驗(yàn)人員將實(shí)測(cè)的水深和起點(diǎn)距角度報(bào)給記載人員，記載計(jì)算人員在船艙內(nèi)聽(tīng)電鈴記載流速儀轉(zhuǎn)數(shù)、掐秒表記載測(cè)速歷時(shí)，依據(jù)查算表查出流速及起點(diǎn)距數(shù)值后用算盤(pán)計(jì)算流量。其后計(jì)算器、微型電腦不斷推廣應(yīng)用，并替代算盤(pán)應(yīng)用于流量計(jì)算。1999年后，計(jì)算機(jī)普遍應(yīng)用于山東黃河各水文站流量的記載計(jì)算，測(cè)驗(yàn)人員將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)就會(huì)輸出符合規(guī)范要求的流量記載計(jì)算表及各項(xiàng)流量特征值，效率高、出錯(cuò)少，表格清晰統(tǒng)一，為資料儲(chǔ)存和后處理提供了方便。

6 現(xiàn)代化流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，流量測(cè)驗(yàn)技術(shù)裝備和測(cè)驗(yàn)技術(shù)也在不斷地發(fā)展、提高。目前常用的有H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、走航式智能型相控陣ADCP、非接觸雷達(dá)測(cè)流系統(tǒng)及自動(dòng)化測(cè)流纜道，這些先進(jìn)的流量監(jiān)測(cè)設(shè)備已在我國(guó)江河流量測(cè)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。但因黃河是一條多徙善變、泥沙多的河流，水中懸沙瞬時(shí)變化及河床表層泥沙連續(xù)移動(dòng)，這些先進(jìn)儀器在黃河流量測(cè)驗(yàn)中均受到不同程度的制約。目前，走航式ADCP與常規(guī)流速儀的比測(cè)試驗(yàn)在山東測(cè)區(qū)已取得成功，黃河流量測(cè)驗(yàn)現(xiàn)代化即將成為現(xiàn)實(shí)。

7 結(jié)語(yǔ)

建國(guó)六十多年來(lái)流量測(cè)驗(yàn)設(shè)施設(shè)備發(fā)生了重大變化，測(cè)驗(yàn)水平得到長(zhǎng)足發(fā)展。渡河方式從人工拉纖到吊船纜道、電動(dòng)吊箱纜道、自動(dòng)化測(cè)流纜道，一次流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)從十幾個(gè)小時(shí)減少到1h左右，水深、垂線間距開(kāi)始使用現(xiàn)代化儀器測(cè)量，流量計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)了程序化等等，走航式ADCP開(kāi)始用于流量監(jiān)測(cè)。這些變化大幅度減輕了水文職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了流量測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，提高了單次流量測(cè)驗(yàn)精度及代表性、可靠性，同時(shí)也對(duì)水文職工的技術(shù)素質(zhì)、文化水平、操作技能提出了更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，水文監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和測(cè)驗(yàn)方式方法也將會(huì)不斷發(fā)展變化，監(jiān)測(cè)技術(shù)、質(zhì)量和時(shí)效性也會(huì)相應(yīng)提高。

TV11

A

1672-2469（2015）10-0024-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.08

楊風(fēng)棟（1961年—），男，高級(jí)工程師。