流量全量程自动监测方案在水文的应用-以都安水文站为例

流量全量程自动监测方案在水文的应用-以都安水文站为例

闫嘉宁 黄文泽

河池水文中心都安水文中心站  广西 都安 530700

摘要：近年来，水文工作的重点逐渐向天然河道流量全量程自动监测技术靠拢，天然河道流量全量程自动监测技术是新历史时期下水文工作的热点与难点。都安水文站利用现有的自动监测设备及方法如水平式ADCP、走航式ADCP等，通过近7年时间，开展流量全量程全自动化监测实践探索，目前已初具成果。为新时代水文工作的建设提供技术支撑，为全面打造现代化水文测站监测体系积累宝贵经验，为打造流量全量程全自动监测示范水文站提供参考和借鉴。

关键词：水文；全量程；自动化；

1前言

随着国家发展战略目标的变化调整，新阶段水文的发展要求逐渐向建立覆盖全面的现代化水文监测体系靠拢(史向前，2022)。以智能化、自动化为目标，通过充分发挥创新思维、应用先进的科学技术手段来提建立现代化水文监测体系，提升水文现代化水平(牛亚豪，2022)。由上述，新历史时期下水文工作的热点与难点已经转换为实现天然河道的全要素、全量程、全自动监测。新建水文测站原则上要按照自动站建设，实现无人值守和自动测报，注重技术手段的提档升级，流量测验技术和设备配置以在线或自动监测为主，全面提高水文测站自动化监测水平（任彤等，2022）。目前，全量程自动监测方案通常采用的方法有侧扫雷达、固定式雷达、落差指数法、水平式ADCP等。

水平式ADCP指的是是声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）是一种基于先进声学原理的流量测验技术。 其测流原理是将换能器探头固定水平安装在水面下某一水深处，根据反射回来的声波频率大小计算出各层水流流速，建立稳定的水平层流速与断面平均流速的关系以进行流量推求(黄幸，2021)，对被测验流场不产生任何扰动，也不存在机械惯性和机械磨损，能一次测得一个剖面上若干层流速的三维分量和绝对方向。相较于侧扫雷达、固定式雷达、落差指数法各类方法，水平式ADCP具有高精度、高分辨率、实时在线监测等优点，适用于断面稳定的河道流量监测。

2 研究方法

2.1 研究区域概况

都安水文站于1936年5月23日设立，几易归属，于1981年1月由广西壮族自治区水文总站领导，是珠江流域西江水系西江干流的重要控制站，属于国家重要水文测站。集水面积121381 km2，测验河段顺直，无分流串沟，河岸无崩塌现象。

2.2数据监测来源

流量数据的来源及其监测分析均依托于广西水文站网服务平台。广西水文系统积极响应水文四化建设号召，依托第三次信息技术浪潮的物联网、云计算、大数据、人工智能等标志性技术（蒋云钟等，2021），投入并开发了广西水文站网服务平台，该平台稳定安全，操作简单快捷，能够满足水文资料整编、实时数据汇集的要求。

2.3断面水流特性与流速分布情况

测验断面验断面下游300 m处低水位时河槽收束，可做低水控制。河床由石灰岩组成，中水位以上时近两岸边有时产生斜流、回流。受上游水库、电站的调蓄、发电、泄洪等影响，都安站水位变幅较大，存在陡涨陡落现象。

3.数据分析

3.1都安站水位流量数据分析

都安水文站流量自动监测常用方法为水平式ADCP在线监测系统。另外，还有走航式ADCP、缆道流速仪法，作为在线监测方法的检验手段；比降面积法和浮标法，作为特殊条件下的辅助检验手段。

自上游电站2008建成以来，受其调控影响，都安站2008年-2024年最高洪峰水位出现在2017年，水位为130.79 m(85基面)，最大洪峰流量为7510 m3/s；实测最低水位出现在2012年，水位为110.17 m，最小流量为15.0 m3/s，历年最高水位与最低水位变幅差20.62 m。

通过近几年实测资料分析，都安水文站水平式ADCP等在线监测方法适用范围较宽，且精度比较高，可负责低枯水至高水水级的流量监测。都安水文站水平式ADCP相关关系公式如下：

Vm=0.0549+1.0349Vi-0.0663Vi²

(适用范围：111.05 m

其中，Vm-断面平均流速(m/s);

Vi-指标流速(m/s);

H-水位(m，85基准)。

图1 都安水文站水平式ADCP监测成果示意图（节选）

精度方面，通过近几年都安水文站水平式ADCP等主要自动监测方法率定分析及报批成果看，监测精度、质量较高，其中适用范围内，均达到10 %的高精度要求（图1）。可见，在都安水文站开展流量全量程多方法自动监测方案编制与应用，是可行的。

3.2 都安站全量程代表年分析

以2024年为评价代表年，利用2024年1-9月实测资料样本，以实测流量成果表为基础，利用上述方案进行数据资料对比分析。

根据2024年流量成果实际情况，选取水平式ADCP作为主要监测方法，都安水文站的全量程监测方案的精度为相关系数r=0.999（图2），系统误差δ=0.10%，随机不确定度X'Q=11.0%，水位数据集涵盖范围为110 m-130.5 m（表1），可以认为可靠。

综上所述，都安水文站的全量程监测方案的精度（r=0.999，δ=0.40%，X'Q=8.72 %）是达标的，方案是合理可靠的。

图2 都安水文站水平式ADCP监测-流速仪实测成果对比图

表1 2024年都安水文站全量程监测综合精度分析表(节选)

3.3 全量程方案中出现的问题

全量程方案中同样也存在一定问题：1.目前ADCP平台在某些时段出现异常值的情况，给资料整编工作造成一定困难。2.测站上游存在电站、水库等水利工程，调蓄作用下对于高水实测资料或是部分水位级水位流量关系线实测点缺失，高水延长不足。3.水平式ADCP测流系统推流是建立在实测资料的基础上的，结合第二点其可靠性和准确性的验证在极高水情况下存在困难。

针对上述问题，应持续关注雨水情趋势，不断加强都安站水位、流量在线自动监测所有设备及其相应软件平台的日常检查维护，以此确保监测系统整体运行良好，数据报送正常。研究在线自动监测数据平滑方法，为在线数据高效、精准应用奠定基础。对报送平台的异常数据应加以分辨，分析其原因同时拦截、剔除。大断面数据、水位流量关系以及相关模型参数、公式等的检验与更新应及时，优化完善测验方案。

4.结论

通过近几年水平式ADCP等主要自动监测方法率定分析及报批成果看，在多年检验数据合格精度方面，都安水文站监测精度、质量较高，其中适用范围内均达到10 %的高精度要求，代表年2024年实测流量数据对比相关系数为0.999，合格。通过上述分析，都安站全量程流量监测方案是合理的，也是可行的，精度达到现行水文规范要求，已具备充足条件。

综上所述，全量程监测方案是在水利高质量发展下所出现的必然结果，全量程方案形成后在水位流量监测任务上可以大大节省人力物力，同时对于防汛抗旱工作能够起到关键性作用。

五、参考文献

黄幸.水平式ADCP流量在线监测应用分析[J].陕西水利，2021，(5):35-39.

蒋云钟，冶运涛，赵红莉等.智慧水利解析[J].水利学报， 2021，52(11): 1355-1368.

牛亚豪.水文现代化建设规划现状及分析[J].现代农业研究，2022，28(1):137-139.

任彤，吴昱樨.四道河水文站全量程全自动化监测探索与思考[C]//河海大学，福建省幸福河湖促进会，福建省水利学会.2022（第十届）中国水利信息化技术论坛论文集.

史向前.丹东水文现代化发展展望[J].水利技术监督，2022(6):81-84.

作者简介：闫嘉宁（1998-），男，河池水文中心四级主任科员，硕士，主要从事水文预报、水文资料整编工作。

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