陳生俊，馬永剛，杜 歷

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源監(jiān)測預(yù)警中心，寧夏 銀川 750001）

0 引言

水文水資源監(jiān)測是防汛抗旱減災(zāi)、水資源管理、河（湖）長制落實、水生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展最關(guān)鍵的信息支持和科學(xué)依據(jù)。寧夏主要河流有黃河干流及其支流，境內(nèi)黃河及其各級支流中，流域面積大于 50 km2以上的河流有 275 條，其中流域面積大于 1 000 km2以上的河流有 15 條。寧夏灌區(qū)按取水方式分為引黃和揚黃 2 類灌區(qū)，引黃灌區(qū)有唐徠渠、秦漢渠等 17 條干渠，退排水溝道 131 條。截至 2021年7月底，寧夏共有水文監(jiān)測站點 1 858 處[1-2]。隨著信息化時代的發(fā)展，水文水資源監(jiān)測新技術(shù)、新設(shè)備也迅速發(fā)展，寧夏現(xiàn)有水文站網(wǎng)中，雨量、水位已全面實現(xiàn)自動在線監(jiān)測，但流量自動在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展緩慢，缺乏對流量自動在線監(jiān)測新設(shè)備安裝平臺的研究與創(chuàng)新，特別對于監(jiān)測斷面跨度大、環(huán)境惡劣的流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝沒有很好的解決方案和案例。

根據(jù)寧夏水沙特性、環(huán)境條件，目前應(yīng)用非接觸式定點雷達(dá)、側(cè)掃雷達(dá)、視頻測流等流量自動在線監(jiān)測設(shè)備較多，其中由非接觸式雷達(dá)水位計、定點雷達(dá)流速傳感器構(gòu)成的非接觸雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用最為廣泛[3-4]，在含沙量較小的灌區(qū)取水干渠、退水排水溝，ADCP 等設(shè)備有一定應(yīng)用。

以上流量在線監(jiān)測設(shè)備安裝方案中，側(cè)掃雷達(dá)、視頻測流、ADCP 等設(shè)備安裝方式簡單易行，便于設(shè)計實現(xiàn)。但雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝存在以下問題：1）雷達(dá)水位計懸臂式安裝平臺安裝方式，在斷面寬的河（溝、渠）道安裝時，受中低水主流位置擺動影響，時常出現(xiàn)水位計探測不到水位的現(xiàn)象；2）定點雷達(dá)流速傳感器需跨河均勻布設(shè)；3）多個流速傳感器，還須均勻布設(shè)。因此，非接觸式雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備實踐中，雷達(dá)水位計、定點雷達(dá)流速傳感器均須跨河安裝，且安裝位置可根據(jù)斷面水流變化情況靈活調(diào)整，因此有必要開展非接觸式雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備跨河安裝平臺（以下簡稱安裝平臺）的研究與探索。本研究選擇寧夏地區(qū)的 4 處天然河流、17 處引黃灌區(qū)取水干渠和排水溝等具有代表性的監(jiān)測站點，圍繞高含沙量水體、惡劣環(huán)境情況，研究不同跨度河（溝、渠）道安裝平臺設(shè)計思路，提出提高監(jiān)測設(shè)備安裝穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠性的解決方案，為提升水文水資源監(jiān)測信息化水平積累實踐經(jīng)驗。

1 安裝平臺現(xiàn)狀分析與總體思路

1.1 現(xiàn)狀分析

目前常見的橫跨河（溝、渠）道斷面非接觸式水位、流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝平臺主要有以下 3 種： 1）帶立柱鋼桁架。寧夏等西北地區(qū)綜合水網(wǎng)含沙量高，漂浮物多，部分天然河（溝）道洪水為泥石流，鋼桁架加立柱容易破壞監(jiān)測斷面穩(wěn)定的水流流態(tài)，影響流量測驗精度，增大人工除草除雜物工作量，對河道行洪和測洪安全增加不利因素，因此帶立柱鋼桁架安裝平臺在寧夏地區(qū)實用性不高。2）公路橋梁。大多數(shù)情況下，難以有橋梁供測流應(yīng)用；且公路橋梁安裝儀器設(shè)備，過橋車輛震動會影響測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。3）跨河索道?？绾与p索道自動在線設(shè)備安裝方式，易受惡劣氣候條件影響，在惡劣的氣候條件下使用，設(shè)備安裝缺乏穩(wěn)定性，難以保證測驗精度。

1.2 總體思路

圍繞傳統(tǒng)非接觸式雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝方式中存在的問題與不足，選擇在寧夏地區(qū)天然河流和引黃灌區(qū)干渠具有代表性的監(jiān)測站點進(jìn)行試點探索與實踐，并根據(jù)不同跨度、環(huán)境條件對水文監(jiān)測斷面分級研究設(shè)計安裝平臺。非接觸式流量自動在線監(jiān)測設(shè)備僅有傳感器部件進(jìn)行跨河安裝，傳感器部件質(zhì)量很小，主要負(fù)荷為設(shè)備安裝平臺自身質(zhì)量，在寧夏含沙量高、漂浮物多的水體情況，以及風(fēng)期長、風(fēng)級大的環(huán)境條件下，安裝平臺類型選擇如下：當(dāng)河（溝、渠）斷面跨度大于 65 m 時，宜設(shè)計穩(wěn)定性高的索道式設(shè)備安裝平臺；當(dāng)斷面跨度在 15～65 m 之間時，宜設(shè)計拓展性強的鋼桁架設(shè)備安裝平臺；當(dāng)斷面跨度在 15 m 以下時，可設(shè)計性價比高、施工便捷的龍門架設(shè)備安裝平臺。

2 安裝平臺設(shè)計思路

2.1 索道式設(shè)備安裝平臺

當(dāng)寧夏河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度大于 65 m時，無柱式鋼桁架安裝設(shè)備很難實現(xiàn)，一方面成本造價倍增，另一方面設(shè)計施工難度巨大。對于此類大跨度監(jiān)測斷面的非接觸式流量在線自動監(jiān)測設(shè)備的安裝，最重要的是解決跨河安裝，且保證在惡劣氣候環(huán)境下設(shè)備傳感器穩(wěn)固可靠問題。本研究實踐“主索懸掛安裝、副索斜拉穩(wěn)定”的索道式設(shè)備安裝平臺：將多個雷達(dá)流速、水位傳感器安裝在跨河（溝、渠）道主索道上，并以兩岸上下左右多條副索斜拉，提高設(shè)備安裝穩(wěn)定性；風(fēng)速風(fēng)向儀、RTU機箱、太陽能板與電池等附屬設(shè)備則在岸邊采用支架布設(shè)安裝，從而實現(xiàn)河（溝、渠）道大跨度斷面流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝。選擇天然河（溝）道監(jiān)測站點 2 處開展研究實踐，分別為賀蘭山東麓山洪溝道蘇峪口水文站（監(jiān)測斷面跨度為 72 m），大武口水文站（監(jiān)測斷面跨度為 101 m）；選擇引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點 1 處，為唐徠渠水文站（監(jiān)測斷面跨度為 66 m）。

2.2 無柱式鋼桁架設(shè)備安裝平臺

對于河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度在 15～65 m之間的非接觸式流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝，若符合生態(tài)保護(hù)需求和現(xiàn)場施工條件，考慮到自動在線監(jiān)測設(shè)備的更新拓展、運行維護(hù)和數(shù)據(jù)比測便利，可優(yōu)先探索實踐無柱式鋼桁架設(shè)備安裝平臺，實現(xiàn)雷達(dá)水位計、定點雷達(dá)流速傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀、RTU 機箱、太陽能板與電池的靈活布設(shè)安裝，安裝示意圖如圖 1 所示。無柱式鋼桁架的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土基礎(chǔ)尺寸應(yīng)按照河（溝、渠）斷面跨度、鋼桁架自身質(zhì)量、儀器設(shè)備等各類荷載進(jìn)行設(shè)計。選擇 2 處天然河（溝）道監(jiān)測站點開展研究實踐，分別為黃河一級支流清水河泉眼山水文站（監(jiān)測斷面跨度為 58 m），賀蘭山東麓山洪溝道汝萁溝水文站（監(jiān)測斷面跨度為 63 m）；選擇 9 處引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點開展研究實踐，斷面跨度均在 15～65 m 之間。

圖1 無柱式鋼桁架設(shè)備安裝示意圖

2.3 龍門架設(shè)備安裝平臺

對于河（溝、渠）道監(jiān)測斷面跨度在 15 m 以下的非接觸式流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝，考慮到設(shè)備安裝穩(wěn)定，施工便捷，探索采用龍門架設(shè)備安裝平臺，實現(xiàn)雷達(dá)水位計、定點雷達(dá)流速傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀、RTU 機箱、太陽能板與電池的布設(shè)安裝。龍門架設(shè)備安裝平臺支架采用直徑為 900 mm 的鍍鋅鋼管，橫梁底部高程高于最高水位 2 m 以上，保證儀器設(shè)備安裝可靠、監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、設(shè)備安全即可。選擇 7 處引黃灌區(qū)取水干渠監(jiān)測站點開展研究實踐，龍門架安裝示意圖如圖 2 所示。

圖2 龍門架設(shè)備安裝平臺安裝示意圖

3 索道式設(shè)備安裝平臺設(shè)計研究

索道式安裝平臺與鋼桁架、龍門架安裝平臺的主要區(qū)別是適用于寧夏河（溝、渠）斷面跨度大于65 m 的流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝，具有投資小、穩(wěn)定性高、應(yīng)用廣泛的特點，而且索道式設(shè)備安裝平臺的創(chuàng)新度高，設(shè)計與安裝工藝要比鋼桁架、龍門架設(shè)備安裝平臺復(fù)雜，故重點介紹索道式設(shè)備安裝平臺。

索道式設(shè)備安裝平臺在唐徠渠三棵樹、賀蘭山東麓蘇峪口水文站、大武口 3 個水文站進(jìn)行了探索與實踐。通過 2 a 多的實踐，索道式設(shè)備安裝平臺能保證所搭載的雷達(dá)水位計、定點雷達(dá)流速傳感器等多個設(shè)備傳感器在寧夏惡劣環(huán)境下的安裝穩(wěn)定性，監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)精度符合要求。

研究的索道式設(shè)備安裝平臺主要包括岸上部分、架空索道、儀器傳感器安裝架、索道穩(wěn)定架 4 個部分。岸上部分包括塔架（柱）及基礎(chǔ)、錨碇、避雷接地裝置等，架空索道包括水平主索道（承載索），以及水平和斜拉輔助索。

3.1 基礎(chǔ)部分設(shè)計

索道式設(shè)備安裝平臺固定索道的塔架（柱）基礎(chǔ)形式采用固接基礎(chǔ)，基礎(chǔ)必須建在該河（溝、渠）道歷史最高水位 0.5 m 以上。基礎(chǔ)混凝土體三方尺寸參照 SL 622—2014《水文纜道設(shè)計規(guī)范》，并依據(jù)監(jiān)測斷面河（溝、渠）道自然地質(zhì)現(xiàn)狀因素及寬窄等數(shù)據(jù)計算設(shè)計，滿足整體抗傾覆的要求即可[5]。

3.2 懸掛塔架設(shè)計

懸掛塔架（柱）是索道式設(shè)備安裝平臺的承載受力部件，依據(jù)河（溝、渠）道的自然地理特性、地形、地質(zhì)和氣候條件等影響因素，尤其是風(fēng)力風(fēng)向和雷電情況，選擇合適材料及尺寸。一般可采用鋼結(jié)構(gòu)，也可直接采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。跨河（溝、渠）自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝平臺設(shè)計圖如圖 3 所示。

圖3 跨河（溝、渠）自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝平臺設(shè)計圖

3.3 索道設(shè)計

1）主索道（承載索）設(shè)計。主索道（承載索）用于安裝儀器設(shè)備。本索道式安裝平臺的水平主索道（承載索）及輔助索道均采用強度高、彈性模量大、抗扭轉(zhuǎn)抗滑移性能好的鍍鋅鋼絞線設(shè)計。鋼絞線的直徑依據(jù)監(jiān)測斷面的跨度大小及氣候影響因素控制在 4.8～6.9 mm 之間，滿足抗拉極限強度設(shè)計要求即可。

2）斜拉輔助索設(shè)計。寧夏水文水資源監(jiān)測站點位置偏僻，氣候環(huán)境惡劣，設(shè)計斜拉輔助索，通過斜拉穩(wěn)定的方式，提高索道式設(shè)備安裝平臺的抗風(fēng)穩(wěn)定性。斜拉輔助索有上提斜拉和水平斜下拉 2 種類型，斜拉輔助索道的安裝數(shù)量視監(jiān)測斷面的各種影響因素而定。

3.4 固定架設(shè)計

儀器傳感器安裝架及索道穩(wěn)定架統(tǒng)稱為固定架。儀器安裝架用于懸掛安裝非接觸水位、流速等監(jiān)測傳感器，索道穩(wěn)定架用于支撐穩(wěn)定索道，且為斜拉輔助索道提供接口（斜拉輔助索從索道穩(wěn)定架處安裝，防止索道變形）。為減小水平主索道的自身質(zhì)量及風(fēng)力對儀器傳感器安裝架的影響，安裝架及索道穩(wěn)定架在相同的抗扭強度下，優(yōu)選具有優(yōu)良的不銹耐腐蝕和較好的抗晶間腐蝕性能的材料，盡可能地減小受風(fēng)面，以保證索道及探頭的穩(wěn)定。儀器傳感器安裝架及索道穩(wěn)定架設(shè)計圖分別如圖 4 和 5 所示。

圖4 儀器傳感器安裝架設(shè)計圖

圖5 索道穩(wěn)定架設(shè)計圖

3.5 循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

對斷面跨度適中，有特殊需要，中低水易分叉，長期有水不便于檢修維護(hù)，氣象條件相對較好的監(jiān)測站點，可選擇加裝循環(huán)系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)傳感器位置靈活調(diào)整，便于跟蹤監(jiān)測，循環(huán)式設(shè)備安裝平臺設(shè)計圖如圖 6 所示。循環(huán)系統(tǒng)可以是手動的，也可以是電動的，還可以是遠(yuǎn)程遙測的。

圖6 循環(huán)式設(shè)備安裝平臺設(shè)計圖

4 結(jié)語

本研究針對寧夏水系類型復(fù)雜、站點偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣、自動在線監(jiān)測設(shè)施設(shè)備運維難度大等實際，分析各類流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝需求，重點研究非接觸式雷達(dá)波流量自動監(jiān)測設(shè)備（雷達(dá)水位計、流速傳感器等設(shè)備）的安裝平臺。通過在寧夏最大的黃河一級支流清水河泉眼山水文站，賀蘭山東麓山洪溝道代表站蘇峪口、大武口、汝萁溝水文站，以及 17 條引黃灌區(qū)取水監(jiān)測斷面進(jìn)行流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝探索與實踐，提出不同斷面跨度和環(huán)境因素下的河（溝、渠）索道式、無柱式鋼桁架、龍門架等 3 種安裝平臺穩(wěn)定性問題的解決方案。研究結(jié)果表明：本研究探索的 3 種安裝平臺，在天然河（溝）道、灌區(qū)渠道、排水溝道等監(jiān)測站不同跨度及環(huán)境條件下都具有很強的適用性和可靠性，避免了帶支柱鋼桁架設(shè)備安裝方式破壞水流流態(tài)、阻礙行洪、易掛水草，公路橋梁安裝方式受橋體震動干擾大，以及常規(guī)索道設(shè)備安裝方式受惡劣氣候條件影響擺動大、穩(wěn)定性差等諸多影響流量自動監(jiān)測精度的問題。

本項研究與實踐形成了一套較為完整的非接觸式雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝平臺技術(shù)體系，為寧夏及西北其他條件相似地區(qū)的河（溝、渠）非接觸式流量自動在線監(jiān)測設(shè)備的安裝探明了方向，積累了實踐經(jīng)驗，為開展水文水資源現(xiàn)代化監(jiān)測提供了有效保障[6]，具有很高的推廣應(yīng)用價值。但本設(shè)備安裝平臺僅限于非接觸雷達(dá)波流量自動在線監(jiān)測設(shè)備安裝探索與實踐，今后還需在含沙量自動在線監(jiān)測等設(shè)備安裝方面進(jìn)行擴展性研究。