街口水文站自动监测系统设计与建设的研究

上海自动化仪表有限公司针对新安江洪水流速大、涨落快等特点，以及街口断面水位变幅大、漂浮物多等特性，组合应用多种监测设备和软件系统，建设街口水文站自动监测系统，以实现不同的水位级和水情条件下雨量、水位、流量和泥沙含量数据的实时在线自动采集，传输，计算处理及入库管理。街口水文站自动监测系统可为新安江流域水资源管理、水量分配、生态流量管控提供基础数据支撑，亦可为山区性大江大河自动监测系统建设提供参考和借鉴。

引言

健全水资源监控体系是落实非常严格水资源管理制度 [1] 的重要保障措施之一，水资源配置、水权分配及监督管理等工作对水文水资源监测提出了更高的要求。新安江是浙皖两省重要省界河流，从安徽省流入浙江省，是安徽省内仅次于长江、淮河的第三大水系，是浙江省非常大的入境河流。新安江既是全国第 1 开展水量分配的 53 条跨省江河 [2] 之一，也是全国中小流域生态补偿机制建设四大试点流域之一，还是第 1 批实施生态流量管控的重要河湖之一，在新安江浙皖省界断面建设水文站持续开展监测工作十分必要，可为新安江流域水资源管理、水量分配、生态流量管控提供实时数据支撑。街口断面位于新安江浙皖交界处，是新安江水库入库水量控制断面，集水面积接近安徽境内的全部，对安徽省境内入新安江水库的水量控制率超过 95%。街口水文建设认真贯彻落实《水利部印发关于深化水文测改革指导意见的通知》（水文〔2016〕275 号）精神，建设自动监测系统，以实现雨量、水位、流量等要素的实时在线监测，兼顾并预留了水质水生态实时在线监测的需求，测验断面所在河道较为顺直，水域宽阔，非常大水面宽约为 260 m，断面呈较规则的倒梯形，测验条件较好。经水文调查，街口断面防洪水位为109.00 m，非常高水位为 108.36 m（1996 年 6 月 30 日），10 年一遇通航水位为 107.30 m，新安江水电站调度后非常低水位为 95.00 m（发生于 2014 年），河底高程约为 75 m，调查非常大流量约为 1 200 m3/s；其上游临近站屯溪水文站非常大流速约为 5.0 m/s，非常大含沙量约为 6.4 kg/m3，较大支流练江渔梁水文站非常大流速约为 4.5 m/s，非常大含沙量约为 16.5 kg/m3。街口断面具有以下特性：1）具有明显的山区性河流特性；2）断面处于新安江水库库尾，河道水深较深，水位变幅较大；3）断面受新安江水库回水顶托，极易出现紊流，存在断面不同位置水域流态具有较大差异的现象；4）枯水期由于流量较小，过水断面大，导致断面流速非常小。新安江洪水特点和街口断面特性决定了其建设自动监测系统的复杂性，难度较一般性河流要大。

1 自动监测系统设计

街口水文站自动监测系统主要由水雨情自动监测、流量泥沙自动监测和现地应用软件 3 个子系统组成，以实现雨量、水位、流量、泥沙含量的在线采集，传输和计算处理，通过信道 GPRS 无线通讯传输到太湖局数据中心，并通过专网转发至相关单位。

1.1 水雨情自动监测子系统

街口水文站水雨情自动监测子系统由雨量计、气泡式水位计、浮子式水位计、数据采集仪（RTU）、电源设备组成，实现雨量和水位数据的自动采集、固态存储及自动传输。

针对断面处于新安江水库库尾、河道水深较深、水位变幅大、汛期水位较高的特性，综合比较浮子式、压力式、气泡式、超声波、雷达、激光等水位计的性能 [3]，测站采用双水位监测方式，配备浮子式和气泡式水位计各 1 套，确保数据完整、准确。浮子式和气泡式水位计精度满足规范要求，设备可靠性较高，使用维护方便，完全满足街口断面水位观测的要求。系统使用数据采集仪采集雨量计和气泡式水位计数据，再将数据通过 RS-485 信号线转发到工控机服务器。浮子式水位计通过格雷码水位信号线直接将数据发送到工控机服务器。

1.2 流量泥沙自动监测子系统

街口断面在高水位时断面宽约为 260 m，水深约为 35 m，低水位时断面宽约为 210 m，水深约为20 m；汛期洪水量级大，水位变幅宽，漂浮物多，含沙量高，具有明显的山区性河流特点，不同水位条件下的洪峰流量监测对水量控制影响大。单一测流方式难以满足不同水位级的流量测验需求，测站配置了在线自动和缆道测流系统，采用多种测流设备相组合的方式实现流量测验。

1.2.1 在线自动测流子系统

街口水文站在线自动测流子系统由 2 台水平 ADCP（300 KHz）、1 套垂向 ADCP（600 KHz）、1 套 OBS-3A 测沙仪，以及通信和供电设备组成。2 台水平 ADCP 分别安装于左岸常水位上下的适当位置，下层水平 ADCP 安装位置高程为91.00 m，上层水平 ADCP 安装位置高程为 101.00 m，在线自动采集对应水层的各单元流速，2 台水平 ADCP 之间的垂直距离为 10 m，避免了发射波束的相互干扰。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙监测仪安装在浮标上，位于水平 ADCP 波束射程以外的水面，垂直向下发射波束，采集 1 条垂线上的各个单元的流速。

工作原理：1）当水位在常水位 104.00 m 以下时，下层水平 ADCP 监测得到单水层的各单元流速，垂向 ADCP 监测得到在垂直方向上的各单元流速，将单水层和垂向的各单元流速经过软件计算处理后，求出断面过水流量；2）当水位在常水位104.00 m 以上时，下层水平 ADCP 监测得到下水层的各单元流速，上层水平 ADCP 监测得到上水层的各单元流速，垂向ADCP 监测得到在垂直方向上的各单元流速，将上下 2 个单水层和垂向的各单元流速经软件计算处理后求出断面过水流量。软件中流量计算处理方法采用流速-面积法 [4]。水平 ADCP 波束射程范围内的断面区域，垂向划分为若干个子断面，率定垂线上单层（104.00 m 以下时）或双层（104.00 m 以上时）水平 ADCP 单元流速与该垂线平均流速的关系，通过水平ADCP 实时监测的单元流速求得垂线平均流速，相邻 2 根垂线平均流速计算得到子断面的平均流速，乘以子断面面积得到子断面的流量，通过累计相加得到水平ADCP 波束射程范围内的断面过水流量。水平 ADCP 波束射程范围外的断面区域，水平分割为若干水层，率定水平线上垂向 ADCP 测得的单元流速与该水平线的平均流速的关系，通过垂向 ADCP 实时监测的单元流速求得水平线的平均流速，相邻 2 根水平线平均流速计算得到该水层的平均流速，乘以该水层面积得到该水层的流量，通过累计相加得到水平 ADCP 波束射程范围外的断面过水流量。

1.2.2 缆道测流子系统

街口水文站汛期洪水量大，水位高，漂浮物多，影响水平和垂向 ADCP 的测流精度。因此配备了半自动缆道测流系统和流速仪人工流量测验装置，用于比测率定或补充监测，此外还配有缆道式雷达波和缆道走航 ADCP 测流系统，借助缆道设施利用现代化测流装置进行缆道测流。

1）街口水文站缆道式雷达波测流系统。采用多普勒雷达波测速传感器，以非接触方式监测水流表面流速，借助水文站建设的缆道设施，在断面上布设若干垂线，将断面划分成若干子断面，监测每条垂线的水面流速，配套测流软件计算求出断面过水流量。断面过水流量计算采用流速-面积法，率定水面流速与垂线平均流速的关系，通过雷达波流速仪监测的水面流速求得垂线平均流速，相邻 2 根垂线平均流速计算得到子断面的平均流速，乘以子断面面积得到子断面的过水流量，通过累计相加得到全断面的过水流量。缆道式雷达波测流系统适用于进行高洪测验，特别适合在流速大、含沙量较高、漂浮物多的情况下，不方便采用流速仪和走航 ADCP 时的流量测验 [5–6]。缆道式雷达波测流系统主要由悬挂在缆道行车上主机设备部分和在岸上的设备与软件组成。

2）街口水文站缆道走航 ADCP 测流系统。利用水文站建设的缆道设施牵引走航 ADCP 进行测流，满足漂浮物较少、泥沙含量不高时的全断面测量，通过走航 ADCP 采集软件矢量合成计算断面过水流量。

1.2.3 测流系统使用

根据街口断面的特性，在不同水位级或水情条件下，将测流子系统组合应用，实现流量监测。

1）正常水情时期，河道流速正常，流态相对平稳，使用 2 台水平 ADCP 和 1 台垂向 ADCP 进行单元流速在线自动监测，经过软件计算处理后，求得断面过水流量。

2）洪水期时，流速大，含沙量高，影响水平和垂向 ADCP 的测验精度，在系统中加入 OBS-3A 测沙仪监测的泥沙含量和雷达波流速仪监测的水面流速等数据，进行综合分析计算，求出断面过水流量。

3）枯水期时，河道过水断面仍很大，流量较小，断面流速小。使用缆道牵引走航 ADCP 进行全断面监测，此外还可以根据上游来水情况进行流量推算。

4）水平和垂向 ADCP 自动测流设备故障时，使用缆道流速仪或缆道牵引走航 ADCP 的方式进行人工流量测验。

5）在各种水情情况下，选择合适的时机，使用缆道流速仪或缆道牵引走航 ADCP 进行人工流量测验，对水平和垂向ADCP、雷达波流速仪在线自动测流设备进行率定。

1.3 现地应用软件子系统

现地应用软件子系统包括：1）双层水平 ADCP 流量监测采集软件。负责水平 ADCP 流量相关数据的采集、处理、计算、本地显示及入库、测流参数设置等功能。2）垂向 ADCP 泥沙流量监测采集软件。负责垂向 ADCP 流量和泥沙含量数据的采集、处理、计算、本地显示及入库、测流参数设置等功能。3）雷达波流量监测采集软件。负责雷达波流量相关数据的采集、处理、计算、本地显示及入库、测流参数设置等功能。4）走航 ADCP 流量监测采集软件。负责走航 ADCP 测流操作及数据采集与处理。5）本地监测系统综合信息分析处理软件。负责对各流量监测采集软件采集的监测数据进行综合计算分析及对本地数据库的管理。各测流软件具有雨量、水位、流速等信息的本地显示，后期分析处理，信息应用，数据转发，数据发布及其他一些可扩展的功能。

2 自动监测系统功能与特性

街口水文站应用多种监测设备和软件系统构建了自动监测系统，主要可以实现以下功能：1）对雨量、单元流速、水位和泥沙含量进行 24 h 连续在线监测，采用定时自报或召测工作方式进行信息采集。监测次数和工作方式可以本地设置，也可按时段或时间方式设定。2）实时采集断面的流速、水位数据，根据实时采集的流速、水位和水位-面积关系，采用流速-面积法分析计算断面过水流量。

3）可通过无线网络将采集的雨量、水位、流速、流量、泥沙含量等信息传输到太湖局数据平台中心。

4）具有比测数据后处理功能，能存储 1 a 以上的监测数据，能实现现地、远程数据下载，设备故障、异常自动报警等功能。

5）可根据水位和流速变化情况，变换相应的参数配置 [7–9]。自动监测系统主要具有以下性能特点：1）采用雨量计、浮子式水位计、气泡式水位计、水平 ADCP、垂向 ADCP、泥沙仪与工控机服务器组成的雨量，水位，流量，泥沙含量自动监测系统具有结构简单，性能可靠，维护方便特点。2）具有良好的兼容性和可扩展性。3）采用水平和垂向 ADCP、缆道式雷达波流速仪及走航 ADCP 等多种技术手段进行流量监测，保证流量监测精度。

3 自动监测系统应用情况

街口水文站自动测流系统于 2019 年 2 月建成验收后投入试运行。2019 年实测非常小流量为 0 m3/s，实测非常大流量为7 500 m3/s，非常低水位为 99.37 m，非常高水位为 106.20 m，年平均水位为 102.10 m，大部分时间水位低于 104.00m。

1）缆道走航 ADCP 测流。自动监测系统建设后，主要采用缆道牵引走航 ADCP 进行测流，前期走航 ADCP 施测 1 个测回时来回测次流量误差较大，后经研究，配置了外接罗经，解决了该问题。经过 1 a 多的施测表明，该断面缆道牵引走航ADCP 测流的适用范围在 4 000 m3/s 以下，当流量超过 4 000 m3/s，流速过快，加之水面漂浮物非常多，缆道牵引走航ADCP难以施测，走航 ADCP 易被损毁，而此时缆道牵引普通流速仪测流偏角过大，易被漂浮物、水草等缠绕，亦难以施测。下一步大流量的监测计划采用测船搭载走航 ADCP 等方式进行多根垂线施测。

2）水平 ADCP 测流。2019 年大部分时间街口断面水位低于 104.00 m，基本是采用下层水平 ADCP 进行监测。从下层水平 ADCP 测次的回波来看，回波强度有时不稳定，尤其是小流量时出现不连续、凸跳等情况，较大流量时回波强度相对较好，初步分析原因：街口断面本身处于新安江水库库尾，日常流速较小甚至出现滞流，并且水流清澈，含沙量相对较小，使用的 ADCP 为 300 kHz，射程远，穿透能力强，导致波束反射效果相对较差，回波强度不稳定。小流量的测验正在探索尝试采用落差指数法等进行推流。

3）垂向 ADCP 测流。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙监测仪安装在浮标上，2019 年试运行一段时间后，发生了水毁，从发生水毁到修复后重新投入试运行约大半年时间，有效监测数据相对较少，暂未开展数据分析。

4）雷达波系统测流。当断面流量较大时采用缆道式雷达波施测表面流速，因大流量时暂无法采用缆道牵引走航 ADCP 施测，无法进行多条垂线的表面流速与平均流速的关系率定，因此暂采用雷达波流速仪监测断面中弘位置表面流速，表面流速与断面平均流速的系数暂借用下游分水江水文站的系数0.6。但街口水文站与下游分水江水文站断面特性差别较大，雷达波测流系统的系数下一步还需使用本站的实测数据进行率定。

4 结语

街口水文站组合应用多套测流设备和软件系统，构建了测站自动监测系统，可实现雨量、水位、流量和泥沙含量的自动采集，传输，计算处理及入库等功能，尤其是不同水位级、水情条件下的流量在线监测，可为山区性大江大河断面自动监测系统建设提供参考和借鉴。通过街口水文站自动监测系统建设可提高新安江干流水量控制性，掌握新安江流域安徽省出境水量，可为新安江流域水资源管理、水量分配、生态流量管控等提供基础数据支撑。基于街口断面本身特性复杂，自动监测系统涉及多种测流设备和计算软件，系统的比测、分析研究工作还在继续开展中，尚未取得足够的数据得出非常终结论。上海自动化仪表有限公司下一步还需继续开展大量的比测率定和分析研究工作，以提高在线自动监测系统的适用性和监测成果的准确性。