摘　要：針對新安江洪水流速大、漲落快等特點，以及街口斷面水位變幅大、漂浮物多等特性，組合應用多種監測設備和軟件系統，建設街口水文站自動監測系統，以實現不同的水位級和水情條件下雨量、水位、流量和泥沙含量數據的實時在線自動采集，傳輸，計算處理及入庫管理。街口水文站自動監測系統可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態流量管控提供基礎數據支撐，亦可為山區性大江大河自動監測系統建設提供參考和借鑒。

引言

健全水資源監控體系是落實非常嚴格水資源管理制度 [1] 的重要保障措施之一，水資源配置、水權分配及監督管理等工作對水文水資源監測提出了更高的要求。新安江是浙皖兩省重要省界河流，從安徽省流入浙江省，是安徽省內僅次于長江、淮河的第三大水系，是浙江省非常大的入境河流。新安江既是全國第 1 開展水量分配的 53 條跨省江河 [2] 之一，也是全國中小流域生態補償機制建設四大試點流域之一，還是第 1 批實施生態流量管控的重要河湖之一，在新安江浙皖省界斷面建設水文站持續開展監測工作十分必要，可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態流量管控提供實時數據支撐。街口斷面位于新安江浙皖交界處，是新安江水庫入庫水量控制斷面，集水面積接近安徽境內的全部，對安徽省境內入新安江水庫的水量控制率超過 95%。街口水文建設認真貫徹落實《水利部印發關于深化水文測改革指導意見的通知》（水文〔2016〕275 號）精神，建設自動監測系統，以實現雨量、水位、流量等要素的實時在線監測，兼顧并預留了水質水生態實時在線監測的需求，測驗斷面所在河道較為順直，水域寬闊，非常大水面寬約為 260 m，斷面呈較規則的倒梯形，測驗條件較好。經水文調查，街口斷面防洪水位為109.00 m，非常高水位為 108.36 m（1996 年 6 月 30 日），10 年一遇通航水位為 107.30 m，新安江水電站調度后非常低水位為 95.00 m（發生于 2014 年），河底高程約為 75 m，調查非常大流量約為 1 200 m3/s；其上游臨近站屯溪水文站非常大流速約為 5.0 m/s，非常大含沙量約為 6.4 kg/m3，較大支流練江漁梁水文站非常大流速約為 4.5 m/s，非常大含沙量約為 16.5 kg/m3。街口斷面具有以下特性：1）具有明顯的山區性河流特性；2）斷面處于新安江水庫庫尾，河道水深較深，水位變幅較大；3）斷面受新安江水庫回水頂托，極易出現紊流，存在斷面不同位置水域流態具有較大差異的現象；4）枯水期由于流量較小，過水斷面大，導致斷面流速非常小。新安江洪水特點和街口斷面特性決定了其建設自動監測系統的復雜性，難度較一般性河流要大。

1 自動監測系統設計 

街口水文站自動監測系統主要由水雨情自動監測、流量泥沙自動監測和現地應用軟件 3 個子系統組成，以實現雨量、水位、流量、泥沙含量的在線采集，傳輸和計算處理，通過信道 GPRS 無線通訊傳輸到太湖局數據中心，并通過專網轉發至相關單位。總體方案如圖 1 所示。

1.1 水雨情自動監測子系統

街口水文站水雨情自動監測子系統由雨量計、氣泡式水位計、浮子式水位計、數據采集儀（RTU）、電源設備組成，實現雨量和水位數據的自動采集、固態存儲及自動傳輸。

針對斷面處于新安江水庫庫尾、河道水深較深、水位變幅大、汛期水位較高的特性，綜合比較浮子式、壓力式、氣泡式、超聲波、雷達、激光等水位計的性能 [3]，測站采用雙水位監測方式，配備浮子式和氣泡式水位計各 1 套，確保數據完整、準確。浮子式和氣泡式水位計精度滿足規范要求，設備可靠性較高，使用維護方便，完全滿足街口斷面水位觀測的要求。系統使用數據采集儀采集雨量計和氣泡式水位計數據，再將數據通過 RS-485 信號線轉發到工控機服務器。浮子式水位計通過格雷碼水位信號線直接將數據發送到工控機服務器。

1.2 流量泥沙自動監測子系統

街口斷面在高水位時斷面寬約為 260 m，水深約為 35 m，低水位時斷面寬約為 210 m，水深約為20 m；汛期洪水量級大，水位變幅寬，漂浮物多，含沙量高，具有明顯的山區性河流特點，不同水位條件下的洪峰流量監測對水量控制影響大。單一測流方式難以滿足不同水位級的流量測驗需求，測站配置了在線自動和纜道測流系統，采用多種測流設備相組合的方式實現流量測驗。

1.2.1 在線自動測流子系統

街口水文站在線自動測流子系統由 2 臺水平 ADCP（300 KHz）、1 套垂向 ADCP（600 KHz）、1 套 OBS-3A 測沙儀，以及通信和供電設備組成。2 臺水平 ADCP 分別安裝于左岸常水位上下的適當位置，下層水平 ADCP 安裝位置高程為 91.00 m，上層水平 ADCP 安裝位置高程為 101.00 m，在線自動采集對應水層的各單元流速，2 臺水平 ADCP 之間的垂直距離為 10 m，避免了發射波束的相互干擾。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙監測儀安裝在浮標上，位于水平 ADCP 波束射程以外的水面，垂直向下發射波束，采集 1 條垂線上的各個單元的流速。

工作原理：1）當水位在常水位 104.00 m 以下時，下層水平 ADCP 監測得到單水層的各單元流速，垂向 ADCP 監測得到在垂直方向上的各單元流速，將單水層和垂向的各單元流速經過軟件計算處理后，求出斷面過水流量；2）當水位在常水位 104.00 m 以上時，下層水平 ADCP 監測得到下水層的各單元流速，上層水平 ADCP 監測得到上水層的各單元流速，垂向 ADCP 監測得到在垂直方向上的各單元流速，將上下 2 個單水層和垂向的各單元流速經軟件計算處理后求出斷面過水流量。

軟件中流量計算處理方法采用流速-面積法 [4]。水平 ADCP 波束射程范圍內的斷面區域，垂向劃分為若干個子斷面，率定垂線上單層（104.00 m 以下時）或雙層（104.00 m 以上時）水平 ADCP 單元流速與該垂線平均流速的關系，通過水平 ADCP 實時監測的單元流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計算得到子斷面的平均流速，乘以子斷面面積得到子斷面的流量，通過累計相加得到水平ADCP 波束射程范圍內的斷面過水流量。水平 ADCP 波束射程范圍外的斷面區域，水平分割為若干水層，率定水平線上垂向 ADCP 測得的單元流速與該水平線的平均流速的關系，通過垂向 ADCP 實時監測的單元流速求得水平線的平均流速，相鄰 2 根水平線平均流速計算得到該水層的平均流速，乘以該水層面積得到該水層的流量，通過累計相加得到水平 ADCP 波束射程范圍外的斷面過水流量。2 個部分流量相加得到整個斷面的過水流量。街口水文站在線自動測流系統設備布設及流量計算處理如圖 2 所示，垂向 ADCP 流量泥沙監測系統如圖 3 所示。

1.2.2 纜道測流子系統

街口水文站汛期洪水量大，水位高，漂浮物多，影響水平和垂向 ADCP 的測流精度。因此配備了半自動纜道測流系統和流速儀人工流量測驗裝置，用于比測率定或補充監測，此外還配有纜道式雷達波和纜道走航 ADCP 測流系統，借助纜道設施利用現代化測流裝置進行纜道測流。

1）街口水文站纜道式雷達波測流系統。采用多普勒雷達波測速傳感器，以非接觸方式監測水流表面流速，借助水文站建設的纜道設施，在斷面上布設若干垂線，將斷面劃分成若干子斷面，監測每條垂線的水面流速，配套測流軟件計算求出斷面過水流量。斷面過水流量計算采用流速-面積法，率定水面流速與垂線平均流速的關系，通過雷達波流速儀監測的水面流速求得垂線平均流速，相鄰 2 根垂線平均流速計算得到子斷面的平均流速，乘以子斷面面積得到子斷面的過水流量，通過累計相加得到全斷面的過水流量。纜道式雷達波測流系統適用于進行高洪測驗，特別適合在流速大、含沙量較高、漂浮物多的情況下，不方便采用流速儀和走航 ADCP 時的流量測驗 [5–6]。纜道式雷達波測流系統主要由懸掛在纜道行車上主機設備部分和在岸上的設備與軟件組成。

2）街口水文站纜道走航 ADCP 測流系統。利用水文站建設的纜道設施牽引走航 ADCP 進行測流，滿足漂浮物較少、泥沙含量不高時的全斷面測量，通過走航 ADCP 采集軟件矢量合成計算斷面過水流量。

1.2.3 測流系統使用

根據街口斷面的特性，在不同水位級或水情條件下，將測流子系統組合應用，實現流量監測。

1）正常水情時期，河道流速正常，流態相對平穩，使用 2 臺水平 ADCP 和 1 臺垂向 ADCP 進行單元流速在線自動監測，經過軟件計算處理后，求得斷面過水流量。

2）洪水期時，流速大，含沙量高，影響水平和垂向 ADCP 的測驗精度，在系統中加入 OBS-3A 測沙儀監測的泥沙含量和雷達波流速儀監測的水面流速等數據，進行綜合分析計算，求出斷面過水流量。

3）枯水期時，河道過水斷面仍很大，流量較小，斷面流速小。使用纜道牽引走航 ADCP 進行全斷面監測，此外還可以根據上游來水情況進行流量推算。

4）水平和垂向 ADCP 自動測流設備故障時，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 的方式進行人工流量測驗。

5）在各種水情情況下，選擇合適的時機，使用纜道流速儀或纜道牽引走航 ADCP 進行人工流量測驗，對水平和垂向 ADCP、雷達波流速儀在線自動測流設備進行率定。

1.3 現地應用軟件子系統

現地應用軟件子系統包括：1）雙層水平 ADCP 流量監測采集軟件。負責水平 ADCP 流量相關數據的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數設置等功能。2）垂向 ADCP 泥沙流量監測采集軟件。負責垂向 ADCP 流量和泥沙含量數據的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數設置等功能。3）雷達波流量監測采集軟件。負責雷達波流量相關數據的采集、處理、計算、本地顯示及入庫、測流參數設置等功能。4）走航 ADCP 流量監測采集軟件。負責走航 ADCP 測流操作及數據采集與處理。5）本地監測系統綜合信息分析處理軟件。負責對各流量監測采集軟件采集的監測數據進行綜合計算分析及對本地數據庫的管理。各測流軟件具有雨量、水位、流速等信息的本地顯示，后期分析處理，信息應用，數據轉發，數據發布及其他一些可擴展的功能。

2 自動監測系統功能與特性

街口水文站應用多種監測設備和軟件系統構建了自動監測系統，主要可以實現以下功能：1）對雨量、單元流速、水位和泥沙含量進行 24 h 連續在線監測，采用定時自報或召測工作方式進行信息采集。監測次數和工作方式可以本地設置，也可按時段或時間方式設定。2）實時采集斷面的流速、水位數據，根據實時采集的流速、水位和水位-面積關系，采用流速-面積法分析計算斷面過水流量。

3）可通過無線網絡將采集的雨量、水位、流速、流量、泥沙含量等信息傳輸到太湖局數據平臺中心。

4）具有比測數據后處理功能，能存儲 1 a 以上的監測數據，能實現現地、遠程數據下載，設備故障、異常自動報警等功能。5）可根據水位和流速變化情況，變換相應的參數配置 [7–9]。自動監測系統主要具有以下性能特點：1）采用雨量計、浮子式水位計、氣泡式水位計、水平 ADCP、垂向 ADCP、泥沙儀與工控機服務器組成的雨量，水位，流量，泥沙含量自動監測系統具有結構簡單，性能可靠，維護方便特點。2）具有良好的兼容性和可擴展性。3）采用水平和垂向 ADCP、纜道式雷達波流速儀及走航 ADCP 等多種技術手段進行流量監測，保證流量監測精度。

3 自動監測系統應用情況

街口水文站自動測流系統于 2019 年 2 月建成驗收后投入試運行。2019 年實測非常小流量為 0 m3/s，實測非常大流量為 7 500 m3/s，非常低水位為 99.37 m，非常高水位為 106.20 m，年平均水位為 102.10 m，大部分時間水位低于 104.00 m。

1）纜道走航 ADCP 測流。自動監測系統建設后，主要采用纜道牽引走航 ADCP 進行測流，前期走航 ADCP 施測 1 個測回時來回測次流量誤差較大，后經研究，配置了外接羅經，解決了該問題。經過 1 a 多的施測表明，該斷面纜道牽引走航 ADCP 測流的適用范圍在 4 000 m3/s 以下，當流量超過 4 000 m3/s，流速過快，加之水面漂浮物非常多，纜道牽引走航 ADCP難以施測，走航 ADCP 易被損毀，而此時纜道牽引普通流速儀測流偏角過大，易被漂浮物、水草等纏繞，亦難以施測。下一步大流量的監測計劃采用測船搭載走航 ADCP 等方式進行多根垂線施測。

2）水平 ADCP 測流。2019 年大部分時間街口斷面水位低于 104.00 m，基本是采用下層水平 ADCP 進行監測。從下層水平 ADCP 測次的回波來看，回波強度有時不穩定，尤其是小流量時出現不連續、凸跳等情況，較大流量時回波強度相對較好，初步分析原因：街口斷面本身處于新安江水庫庫尾，日常流速較小甚至出現滯流，并且水流清澈，含沙量相對較小，使用的 ADCP 為 300 kHz，射程遠，穿透能力強，導致波束反射效果相對較差，回波強度不穩定。小流量的測驗正在探索嘗試采用落差指數法等進行推流。

3）垂向 ADCP 測流。垂向 ADCP，OBS-3A 泥沙監測儀安裝在浮標上，2019 年試運行一段時間后，發生了水毀，從發生水毀到修復后重新投入試運行約大半年時間，有效監測數據相對較少，暫未開展數據分析。

4）雷達波系統測流。當斷面流量較大時采用纜道式雷達波施測表面流速，因大流量時暫無法采用纜道牽引走航 ADCP 施測，無法進行多條垂線的表面流速與平均流速的關系率定，因此暫采用雷達波流速儀監測斷面中弘位置表面流速，表面流速與斷面平均流速的系數暫借用下游分水江水文站的系數0.6。但街口水文站與下游分水江水文站斷面特性差別較大，雷達波測流系統的系數下一步還需使用本站的實測數據進行率定。

4 結語

街口水文站組合應用多套測流設備和軟件系統，構建了測站自動監測系統，可實現雨量、水位、流量和泥沙含量的自動采集，傳輸，計算處理及入庫等功能，尤其是不同水位級、水情條件下的流量在線監測，可為山區性大江大河斷面自動監測系統建設提供參考和借鑒。通過街口水文站自動監測系統建設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，可為新安江流域水資源管理、水量分配、生態流量管控等提供基礎數據支撐。基于街口斷面本身特性復雜，自動監測系統涉及多種測流設備和計算軟件，系統的比測、分析研究工作還在繼續開展中，尚未取得足夠的數據得出非常終結論。下一步還需繼續開展大量的比測率定和分析研究工作，以提高在線自動監測系統的適用性和監測成果的準確性。