趙 琳，馮 洋，任澤儉

（1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東潤(rùn)魯工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250109）

小清河是濟(jì)南市的泄洪通道，上游水源來自濟(jì)南市的泉群，流經(jīng)濟(jì)南、濱州、濰坊、淄博、東營(yíng)等市，在濰坊市羊口鎮(zhèn)以東入渤海，其地勢(shì)南高北低，遇到強(qiáng)降雨容易造成洪澇災(zāi)害。2019 年小清河流域受“利奇馬”臺(tái)風(fēng)的影響，出現(xiàn)強(qiáng)降雨，部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，暴露出不少問題。水文流量監(jiān)測(cè)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(cè)能力和預(yù)報(bào)能力，需對(duì)小清河原有水文設(shè)施在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行提升和完善[1-3]。

1 在線流量監(jiān)測(cè)方案比較

1.1 流速儀纜道在線流量監(jiān)測(cè)

流速儀纜道是最常用的水文流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，近些年陸地水文逐漸采用雷達(dá)技術(shù)測(cè)流，結(jié)合流速儀纜道，設(shè)計(jì)特色行車，并集成雷達(dá)波測(cè)速設(shè)備，適用于多種流速的測(cè)流，形成流速儀纜道耦合雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它的構(gòu)造與流速儀纜道相似，不過測(cè)速設(shè)備、信號(hào)傳輸方式、行車等有所不同。

1.2 雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)

1）固定點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)。固定點(diǎn)雷達(dá)有單探頭和多探頭之分。其中，多探頭的固定點(diǎn)雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)傳感器分為主雷達(dá)感器和分雷達(dá)傳感器。主雷達(dá)傳感器集成雷達(dá)測(cè)速傳感器及雷達(dá)水位傳感器，主控單元安裝于主雷達(dá)測(cè)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(shè)置、充電控制等功能，含本地?zé)o線通訊模塊。雷達(dá)波測(cè)速傳感器自動(dòng)記錄流速、瞬時(shí)水位、測(cè)速垂線、設(shè)備狀態(tài)等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

2）移動(dòng)雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)。移動(dòng)雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)，需要建設(shè)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(dá)測(cè)速行車在鋼索上自動(dòng)行走。自行走式雷達(dá)測(cè)速行車集成驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雷達(dá)測(cè)速傳感器支架、雷達(dá)測(cè)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(jìn)或后退、進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及顯示、采集傳感器數(shù)據(jù)并傳輸、實(shí)現(xiàn)小車的充放電等功能，同固定點(diǎn)雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)一樣，可以獲取流速、瞬時(shí)水位、測(cè)速垂線、設(shè)備狀態(tài)等信息，通過4G 或GPRS 模塊傳輸至中心站。

3）側(cè)掃雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)。側(cè)掃雷達(dá)是采用側(cè)掃方式工作的雷達(dá)波在線流量監(jiān)測(cè)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(cè)掃雷達(dá)的控制主機(jī)按指定時(shí)間間隔自動(dòng)獲取探測(cè)范圍內(nèi)水面流向及流速數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)并發(fā)送至中心站。

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

1.3 聲學(xué)時(shí)差法在線流量監(jiān)測(cè)

聲學(xué)時(shí)差法一般用于規(guī)則斷面。安裝超聲波流量計(jì)配備水位感應(yīng)計(jì)，可以測(cè)量出當(dāng)前水位；根據(jù)水位和斷面性質(zhì)，計(jì)算出斷面面積；超聲波換能器安裝于箱涵側(cè)壁，通過換能器和測(cè)流軟件計(jì)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(guān)系，推算出斷面流量，以實(shí)現(xiàn)流量的快速測(cè)量[4]。通過無線方式將流量信號(hào)傳輸至中心站。

1.4 方案比選

在線流量監(jiān)測(cè)方案對(duì)比如表1：

表1 在線流量監(jiān)測(cè)方案對(duì)比表

2 自動(dòng)測(cè)流方式的適用性分析

不同測(cè)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(cè)流方案。

1）流速儀測(cè)流。該法是接觸式測(cè)流，在水文流量測(cè)驗(yàn)中是評(píng)定其他測(cè)流方法精度的標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于中低水流量監(jiān)測(cè)。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(cè)流將存在很大的安全隱患，可以使用水文纜道耦合雷達(dá)波在線流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2）雷達(dá)波流量測(cè)量。作為一種非接觸式流量測(cè)量方法，該法對(duì)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(diǎn)雷達(dá)測(cè)速傳感器可以安裝在跨河橋上或河岸上，測(cè)量水面流速的速度快，還可以人工設(shè)定測(cè)量頻次，適合高洪水時(shí)使用。但是，在低水量和小流速的條件下，雷達(dá)波速度傳感器將出現(xiàn)0流速，因此它不適合測(cè)量小流速。側(cè)掃雷達(dá)對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境要求不高，可以安裝在岸上，進(jìn)而完成表面流速的測(cè)量，可以提供長(zhǎng)期連續(xù)的數(shù)據(jù)，但成本較高，而且它對(duì)河寬和水深有一定的要求，例如河寬不能大于側(cè)掃雷達(dá)的剖面范圍。

3）H-ADCP 測(cè)流方式。此法也是接觸式測(cè)流方式，對(duì)河道性狀有一定的要求，如測(cè)流斷面河床穩(wěn)定、無明顯沖淤變化、測(cè)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(guān)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(duì)儀器會(huì)有損害，需要定期清淤、維護(hù)成本高?？蛇m用于符合使用條件的水文站或人工渠道。

4）聲學(xué)時(shí)差法流量計(jì)。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(jìn)行測(cè)流，不適用于過寬或斷面變化太大的河道，對(duì)上下游直管段的長(zhǎng)度有特殊要求。

3 小清河水文設(shè)施流量在線監(jiān)測(cè)方案

小清河干流大部分主河道通過災(zāi)后重建與綜合治理后，河槽形狀會(huì)更規(guī)則、河床會(huì)更穩(wěn)定，而小清河支流的河槽形狀大都不規(guī)則。結(jié)合小清河流域各水文測(cè)站測(cè)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(cè)方案為：3 個(gè)水文站采用水文纜道合并纜道雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)方案，6 個(gè)水文站采用移動(dòng)雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)方案，22 個(gè)水文站采用固定點(diǎn)雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)方案，2 個(gè)水文站采用側(cè)掃雷達(dá)在線流量監(jiān)測(cè)方案，2 個(gè)水文站采用H-ADCP 在線流量監(jiān)測(cè)方案，1 處匯入河道的管道斷面附近安裝2 聲道時(shí)差法超聲波流量計(jì)。