水文纜道在流量監測現代化中的應用
唐文學,馬慶樓
（江蘇省水文水資源勘測局徐州分局，江蘇 徐州 221000）
摘 要：水文纜道是測站水文測驗的主要渡河設施之一，隨著水文流量監測現代化發展不斷更新換代，纜道的結構、操作系統、搭載的設備不斷改變。水文纜道是水文測驗的基礎設施，不同的站點根據河道的實際情況和水文特性、測驗需要，運用不同形式的水文纜道，總之為適應流量測驗的自動化水文纜道始終發揮重要作用。
關鍵詞：水文纜道； 流量監測現代化； 拖拽走航式ADCP；全自動測流系統；雷達波
1 水文纜道簡介
水文纜道是測站水文測驗的主要渡河設施之一，是水文站用來測深、測距、測流的基礎設施。主要以懸索鉛直懸吊在主索的鉛魚作為測驗平臺，測流儀器安裝在鉛魚上，測驗人員通過操作臺控制絞車的運行來控制鉛魚的水平或垂直運行帶動測流儀器在不同水深、不同起點距進行流量的測驗工作。多年來在自動化發展實踐的基礎上,水文纜道測流系統以互聯網+為依托,與常用的流速儀法和非接觸式雷達波法相融合,提高了流量測驗成果的可靠性和時效性,為各級水行政主管部門科學調度決策提供了及時準確的信息。
水文纜道主要由纜道房、纜道基礎、塔架、拉線、錨碇、滑輪、運載行車、主索、工作索（循環索、起重索、拉偏索）、測驗平臺、絞車、運行控制設備、信號傳輸系統和防雷系統等組成。
2 水文纜道的形式和布設要求
2.1水文纜道的結構形式
水文纜道以懸吊部件方式的不同可分為懸索式纜道、吊箱式纜道、吊船式纜道和多跨式纜道等。水文纜道的結構選型應根據測站地形、自然環境、斷面狀況、水位變幅、流速大小以及測流、取沙方式等確定。水文纜道的結構形式選擇應做到結構牢固、布設合理、運行平穩、定位準確、成果可靠、經濟安全。
2.2水文纜道的布設要求
根據《水文纜道測驗規范》 SL 443-2009 不同類型的纜道布設要求不一樣。主要為以下幾個方面。
懸索式纜道布設宜采用開口游輪并結合平衡錘裝置和動滑輪組方式繞線，有拉偏式和不拉偏式兩種，采用何種形式應根據測流斷面流速大小及懸吊鉛魚設計重量選定，可以使用懸桿法施測，必要時可在懸桿下端懸吊垂錘，以保證洪水時減小垂線偏角；懸索式纜道設計，其安全系數應不小于3.0。
吊箱式纜道布設要求吊箱結構應牢固，四周通視條件好，具有足夠的工作空間和物品存放空間；吊箱的水平運動和垂直運動由操作室人員操控制時，應配置相應的通訊工具并制定嚴格的規章制度，確保箱內人員生命安全，吊箱式纜道設計，其安全系數應不小于3.5。
吊船式纜道布設計應結合懸吊測船的噸位大小、測船船形、吃水線深度、流速大小、水位變幅綜合考慮，為使測船準確定位于垂線位置，在纜道架設時應同步架設斷面垂線位置標志牌；測船在實施水文測驗時，應根據航道管理要求懸掛錨球或相應標志，以明示測船在河道中的航行狀態。
多跨式纜道布設要求循環索按“開口輪加平衡錘”型式布設，循環索應按水平方向“平面成圈”走線，使循環索循回于中間支柱（架）的上、下游兩側；行車應采用“L”形結構，行車下部懸臂應有足夠的長度，確保循環索在水平運行和垂直運行中不發生磨擦；纜道行車的上部兩個水平運行滑輪直徑應不小于22cm，方能滿足滑輪在通過主索中間索鞍時不發生跳槽現象等。
近期各單位為拖拽走航式ADCP測流、雷達波測流測驗根據河道斷面實際情況和需要發明了移動式ADCP電動調速測流纜道、簡易的ADCP測流纜道、雙纜定點雷達波在線測流纜道系統等。
3 水文纜道在徐州分局流量測驗中的應用
3.1徐州分局水文纜道的發展
徐州分局從1972年開始建設纜道，先后在土山、華沂、運河站等建設，纜道絞車從手搖到電動，纜道支架從木質、水泥桿到現在的鋼架、鐵塔，操作系統從自己動手安裝的簡易操作臺到現在的電腦控制系統，都發生了較大變化。徐州分局自行設計安裝的運河站多跨電動纜道是全國首座多跨電動纜道，自行設計安裝的新安、林子站纜道“東方明珠”式鐵塔獲得發明專利。
3.2水文纜道在徐州分局的應用現狀
徐州水文分局現在共擁有各類水文測流纜道22座，其中全自動流速儀測流纜道3座，采用惠能纜道全自動測流系統1套、EKL-3型全自動水文纜道測流系統2套；半自動電動流速儀測流纜道11座，以上水文纜道都具備用于拖拽走航式ADCP測流功能。簡易人工手搖式拖拽ADCP測流纜道6座，移動式ADCP直流電動調速測流纜道2座。各類水文纜道在徐州分局不同水情的流量測驗中發揮了重要作用，每年完成徐州分局所屬國家重要水文站、中小河流水文站、市界斷面水文站等實測流量1500余次。2020年沂河港上站用多跨電動纜道拖拽ADCP測到該站歷史最大流量7400m3/s，2021年大運河運河站用中泓單跨電動纜道拖拽ADCP測到該站歷史最大流量3840 m3/s。
電動纜道拖拽ADCP 測流 纜道流速儀和纜道ADCP 流量比測
手搖纜道拖拽ADCP 測流 纜道拖拽ADCP 測驗運河洪水
4 水文纜道操作系統在流量自動測報中發揮重要作用
4.1惠能纜道全自動測流系統PC版
惠能纜道全自動測流系統PC版，操作界面為臺式電腦PC端軟件，通過PLC（可編程序控制器）執行控制，由變頻器對纜道絞車電機實現無極調速，根據預先設定的垂線選擇表（起點距、垂線測法設置）控制纜道自動完成測流，測流數據直接傳送到PC生成并打印測流成果表的鉛魚、吊箱自動測流系統。
圖一 惠能纜道全自動測流系統PC版V3.0 主界面
該測流控制系統適用于借用斷面、實測斷面的鉛魚、吊箱懸桿纜道全自動測流。在人工設置好垂線和相應測流設置后，依設定測流運行方向連續完成所設定垂線相應測點的流速測算、存儲測點測流數據，測流數據實時傳送到USB口連接的電腦，完成所有設置垂線測速后生成自動報表，控制鉛魚或者吊箱回到指定位置。每一調垂線的測流數據實時顯示在電腦界面上。亦可實現半自動測流或人工手動操作測流。系統最多可一次設置50條垂線并存儲相應的測流數據（最多150條）。
圖二 全自動測流操作界面
惠能纜道全自動測流系統PC版2022年在徐州分局新沂市新安水文站投入運行，效果良好。
4.2 DX-LLX-1M 移動式雷達波測流系統
DX-LLX-1M 移動式雷達波測流系統通過架設簡易纜道，在纜道上懸掛雷達運行車和雷達流速儀，通過安裝的雷達水位計或者其他水位測量裝置結合大斷面數據和測流垂線參數，雷達運行車自動根據垂線位置測量每個垂線的流速，通過短距離無線通訊發送到控制及傳輸系統，控制及傳輸系統內的遙測終端機會計算出每個小斷面的流速、流量、面積等數據，所有垂線測量完成后，自動計算出大斷面的過流面積、平均流速、流量等數據，系統控制器同時采集水位數據，再將水位、流速等數據發送給遠程終端機，實時計算斷面流量，從而實現斷面無人值守自動測驗。當完成測流后，將雷達運行車開回，自動對準充電裝置進行充電。DX-LLX-1M 移動式雷達波測流系統安裝方便、測流迅速、不受風雨和停電限制，適應高流速、寬河道測流，也可用于巡測和一般性測流。應用于水文監測、防洪防澇、環保排污監測等領域。
纜道雷達波測流系統1
纜道雷達波測流系統2
4.3 EKL2000 系列水文纜道測流控制系統
江蘇南水水務科技有限公司研制的 EKL2000 系列水文纜道測流控制系統，采用先進的自動控制技術和人工智能（AI）技術,采用不同的配置，實現水文纜道的現地或遠程全自動流量測量、流量報表自動生成和數據遠程自動傳輸歸檔整編等工作。部分型號產品支持轉子式流速儀和雷達波流速儀混合測流工作方式。
EKL2000 系列水文纜道測流控制系統產品分為 EKL2000A、EKL2000B、EKL2000C 和 KL2000D 四個主要型號，并附有鉛魚自動跟蹤人工智能選件和中心集中控制平臺選件鉛魚自動跟蹤人工智能選件和中心集中控制平臺選件。外觀設計方面，根據用戶的需求，定制化服務，先后推出精英版、領航版等不同款式供用戶選擇。EKL2000 系列水文纜道控制臺采用便攜式結構設計、PLC 自動控制技術和計算機軟件測量技術，以水文纜道為載體，運用轉子式流速儀、雷達波測速儀實現斷面流量的全自動測量，且具有遠程測控功能。實際應用中，裝備能夠遠程控制纜道裝置進行流量自動測驗，并可以依據測驗數據自動生成流量測驗成果表，實現了纜道測流自動化，同時也使在無人駐守站情況下用纜道系統進行流量測驗成為了可能，提高了測流效率。
EKL2000 系列水文纜道測流控制系統
隨著水文測報現代化的發展，各式各樣的水文纜道測流控制系統不斷推陳出新，被廣泛應用于各類水文站上，在流量自動化的測驗中發揮了重要作用。
5 結語
水文纜道是水文測站進行河道流量測驗的基本設施之一，隨著水文現代化的發展，逐步改進和更新。在許多水面較寬、漂浮物較多、含沙量較大的河道，纜道拖拽走航式ADCP、 纜道+雷達波測流等是相對切實可行的測流方案。為了保證水文纜道更好地為流量測驗服務，必須加強日常的維護、保養，做好信號系統的檢測、防雷檢測等，讓水文纜道始終保持較好運行狀態，充分挖掘水文纜道在流量自動化測報中作用。
參考文獻：
[1]《水文纜道測驗規范》 SL 443-2009 中華人民共和國水利行業標準 2009
[2]《纜道式雷達波自動測流系統在喀麥隆曼維萊水電站中的應用》 張培甫，羅碧喜 《水利水電工程設計》 2019
[3]《三河閘全自動水文纜道測流系統及其應用》 楚恩國 《水利水電技術》 2008
作者簡介：唐文學（1970--），男，漢族，江蘇省邳州人，高級工程師，從事水文水資源監測與評價工作。聯系電話：13815388573；郵箱：547069136@qq.com；通訊地址：徐州市云龍區（新城區）中茵廣場5號樓江蘇省水文水資源勘測局徐州分局
