徐志國 張白

天然河道自動(dòng)流量監(jiān)測貼底式水下ADCP探頭自動(dòng)沉浮支架系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

徐志國 張白

隨著國家逐步加強(qiáng)對水資源的管控力度，并不斷加大對水資源監(jiān)控方面的投入，很多新技術(shù)在水文測驗(yàn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。以流量測驗(yàn)為例，自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)正逐步走進(jìn)水文人的日常工作中。目前自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)ADCP探頭部分安裝基本分為三大類：即貼底式（也稱坐底式）、水平式、非接觸式。本文主要講述一種多用在天然河道的自動(dòng)流量監(jiān)測貼底式水下ADCP探頭自動(dòng)沉浮支架系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。貼底式安裝的水下ADCP探頭支架系統(tǒng)大多固定在水底河床上，當(dāng)河道內(nèi)水位較淺時(shí)，ADCP探頭的安裝、調(diào)試、維護(hù)以及姿態(tài)的調(diào)整等都可以涉水進(jìn)行，但在大水特別是汛期高水位高流速時(shí)期就很難開展，影響了自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)整體的正常運(yùn)行和水文測報(bào)工作。

一、技術(shù)方案

本文所述支架系統(tǒng)研制的目的在于提供一種方式，將自動(dòng)流量監(jiān)測系統(tǒng)貼底式水下ADCP探頭由河底傳送到水面，以方便人員及時(shí)對ADCP探頭設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的安裝、調(diào)試、維護(hù)。并且該支架部分防磁、防腐、防銹，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單牢固，運(yùn)行可靠，運(yùn)輸方便，建設(shè)安裝施工時(shí)間短，成本較低。

為達(dá)到研制目的，本支架系統(tǒng)設(shè)計(jì)有水下ADCP探頭支架系統(tǒng)、水下ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)和岸上沉浮裝置操控系統(tǒng)三部分組成。水下ADCP探頭支架系統(tǒng)部分由雙樁固定單元和支架懸臂單元組成，順流向安裝，雙樁固定單元通過活動(dòng)關(guān)節(jié)與支架懸臂單元鏈接，ADCP探頭固定安裝于下游懸臂頂端梯形304材質(zhì)的不銹鋼平板上，304不銹鋼材質(zhì)保證了ADCP探頭正常工作時(shí)不受材料磁性的影響，確保其流速測量的精度。水下ADCP探頭通過線纜與岸上站房內(nèi)儀表相連，懸臂部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸線纜從懸臂活動(dòng)關(guān)節(jié)處進(jìn)入懸臂管壁內(nèi)，直達(dá)懸臂頭部ADCP探頭固定安裝梯形平板。自活動(dòng)關(guān)節(jié)處線纜外加穿保護(hù)套管和沉浮裝置高壓氣管一起貼河床上岸至站房內(nèi)儀表箱，沿途根據(jù)河底起伏情況，在起伏點(diǎn)打樁對線纜和高壓氣管加以固定，以使其緊貼河床，避免被漂浮物損傷。ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)安裝在支架懸臂靠近ADCP探頭上游位置。水下ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)和岸邊站房內(nèi)沉浮控制系統(tǒng)通過高壓氣管線相連，除懸臂部分外，其余高壓氣管從懸臂活動(dòng)關(guān)節(jié)處同線纜一起貼河床上岸至站房內(nèi)沉浮控制系統(tǒng)，沿途根據(jù)河底起伏情況，在起伏點(diǎn)打樁對線纜和高壓氣管加以固定，使管線緊貼河床，避免被漂浮物損傷，以保障其安全性。由于本支架系統(tǒng)是順?biāo)靼惭b，受水阻面積小，所以最大程度上減少了水流對懸臂的沖擊作用。獨(dú)有的雙樁固定方式，保證了每次沉浮ADCP探頭都能保持原位。特有的8根流線型ADCP探頭保護(hù)圓鋼，既減少了對水流形態(tài)的干擾，也最大程度地保護(hù)了ADCP探頭的安全。沉浮裝置在淮河干流安徽蚌埠水文水資源勘測局吳家渡水文站經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測試，使該系統(tǒng)能夠在水中安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。

二、安裝實(shí)施方法

1.水下ADCP探頭支架系統(tǒng)部分

由雙樁固定單元和支架懸臂單元組成，順流向安裝，雙樁固定單元通過活動(dòng)關(guān)節(jié)與可沉浮的支架懸臂單元鏈接，雙樁固定單元安裝在上游來水方向，通過水面打擊工具將兩根鋼管樁打入河床，樁頭平行于河床表面，通過活動(dòng)關(guān)節(jié)連接懸臂單元。ADCP探頭安裝于下游懸臂頂端梯形不銹鋼平板上，梯形平板小頭沖下游方向，以焊接或者用抱箍固定于懸臂頂端。平板正中有用以安裝固定ADCP探頭的304材質(zhì)的十字抱箍支架，該十字抱箍支架可以橫向360度調(diào)整ADCP探頭的水平角度，也可以縱向90度調(diào)整ADCP探頭的俯仰角度。平板上游方向邊緣焊接有不銹鋼圓鋼，成圓弧朝下游方向作為ADCP探頭防護(hù)用。懸臂長度根據(jù)測站常年水位情況而定，以高出設(shè)定水位深度2m為宜，使ADCP探頭高出水面，便于檢修維護(hù)操作。

2.水下ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)

沉浮系統(tǒng)支架正中是一塊方板，方板四周焊接六根方管，將沉浮氣囊用U型卡及螺帽固定在焊接好的方管上面。沉浮裝置正中小平板放在水下支架圓管上面，靠近探頭保護(hù)圓鋼位置，用半片抱箍螺栓固定，然后連上高壓氣管即可。

3.岸上沉浮裝置操控系統(tǒng)

沉浮裝置岸上部分為一臺AC200V驅(qū)動(dòng)經(jīng)過設(shè)計(jì)改良的空壓機(jī)，空壓機(jī)通電工作后在達(dá)到設(shè)定壓力后會(huì)自動(dòng)停機(jī)。經(jīng)過多次多站點(diǎn)多斷面實(shí)驗(yàn)，確定一罐壓縮空氣足夠浮起一個(gè)長度為11.5m的自動(dòng)流量監(jiān)測貼底式水下ADCP探頭自動(dòng)沉浮支架系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)的應(yīng)用

至目前，本系統(tǒng)已在安徽省阜南縣淮河干流的王家壩站、河南省周口市沙潁河周口站、安徽亳州渦河黃莊站、安徽省全

椒縣全椒站等處安裝應(yīng)用多年，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定?，F(xiàn)以安徽阜南王家壩站為例闡述其應(yīng)用的具體情況。

王家壩水文站位于淮河中游豫皖兩省交界處，特殊的地理位置和復(fù)雜多變的水流特性，決定了該站在淮河防汛工作中舉足輕重的地位，其水情變化素來被稱為淮河防汛的晴雨表、抗洪的風(fēng)向標(biāo)。2012年采用了雙垂線貼底式ADCP二線能坡法在線流量監(jiān)測系統(tǒng)，分別在測驗(yàn)斷面起點(diǎn)距50m和140m位置河底用本文所述的貼底式水下ADCP探頭自動(dòng)沉浮支架系統(tǒng)安裝了兩套美國Link-quest公司生產(chǎn)的平面陣列型多普勒流速剖面儀（FlowScout2000型），實(shí)時(shí)監(jiān)測垂線流速，再通過實(shí)時(shí)水位和二線能坡法流量計(jì)算模型計(jì)算出實(shí)時(shí)流量，繼而實(shí)現(xiàn)了流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該系統(tǒng)自安裝以來在歷年歷次例行檢修和偶發(fā)故障排除過程中運(yùn)行穩(wěn)定。

四、結(jié)語

此次研制的貼底式水下ADCP探頭自動(dòng)沉浮支架系統(tǒng)由水下ADCP探頭安裝固定支架系統(tǒng)、水下ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)和岸上沉浮裝置操控系統(tǒng)三部分組成。水下ADCP探頭安裝固定支架系統(tǒng)固定安裝了ADCP探頭，并通過線纜傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。水下ADCP探頭支架沉浮系統(tǒng)安裝于水下支撐系統(tǒng)懸臂之上，通過高壓氣管與岸上沉浮系統(tǒng)控制部分相連。岸上沉浮裝置操控系統(tǒng)通過操控岸上沉浮裝置控制部分，輕松實(shí)現(xiàn)河底ADCP探頭設(shè)備自動(dòng)浮出水面和自動(dòng)回歸河底起始位置功能，為后續(xù)進(jìn)行安裝、姿態(tài)調(diào)整、維護(hù)保養(yǎng)、更換等工作提供了便利。

該支架系統(tǒng)防腐、防銹性能良好，結(jié)構(gòu)簡單牢固，運(yùn)輸安裝簡單方便，出色的防磁和探頭安全防護(hù)性能可以保證水下ADCP探頭擁有一個(gè)良好的運(yùn)行工作環(huán)境。由于本支架系統(tǒng)擁有結(jié)構(gòu)性能可靠、安裝使用維護(hù)簡單方便等特點(diǎn)，可以為建設(shè)自動(dòng)流量監(jiān)測貼底式水下ADCP探頭安裝提供參考■

（作者單位：河南省周口水文水資源勘測局466000淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心）233001）