水文缆道在流量监测现代化中的应用
唐文学,马庆楼
（江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏 徐州 221000）
摘 要：水文缆道是测站水文测验的主要渡河设施之一，随着水文流量监测现代化发展不断更新换代，缆道的结构、操作系统、搭载的设备不断改变。水文缆道是水文测验的基础设施，不同的站点根据河道的实际情况和水文特性、测验需要，运用不同形式的水文缆道，总之为适应流量测验的自动化水文缆道始终发挥重要作用。
关键词：水文缆道； 流量监测现代化； 拖拽走航式ADCP；全自动测流系统；雷达波
1 水文缆道简介
水文缆道是测站水文测验的主要渡河设施之一，是水文站用来测深、测距、测流的基础设施。主要以悬索铅直悬吊在主索的铅鱼作为测验平台，测流仪器安装在铅鱼上，测验人员通过操作台控制绞车的运行来控制铅鱼的水平或垂直运行带动测流仪器在不同水深、不同起点距进行流量的测验工作。多年来在自动化发展实践的基础上,水文缆道测流系统以互联网+为依托,与常用的流速仪法和非接触式雷达波法相融合,提高了流量测验成果的可靠性和时效性,为各级水行政主管部门科学调度决策提供了及时准确的信息。
水文缆道主要由缆道房、缆道基础、塔架、拉线、锚碇、滑轮、运载行车、主索、工作索（循环索、起重索、拉偏索）、测验平台、绞车、运行控制设备、信号传输系统和防雷系统等组成。
2 水文缆道的形式和布设要求
2.1水文缆道的结构形式
水文缆道以悬吊部件方式的不同可分为悬索式缆道、吊箱式缆道、吊船式缆道和多跨式缆道等。水文缆道的结构选型应根据测站地形、自然环境、断面状况、水位变幅、流速大小以及测流、取沙方式等确定。水文缆道的结构形式选择应做到结构牢固、布设合理、运行平稳、定位准确、成果可靠、经济安全。
2.2水文缆道的布设要求
根据《水文缆道测验规范》 SL 443-2009 不同类型的缆道布设要求不一样。主要为以下几个方面。
悬索式缆道布设宜采用开口游轮并结合平衡锤装置和动滑轮组方式绕线，有拉偏式和不拉偏式两种，采用何种形式应根据测流断面流速大小及悬吊铅鱼设计重量选定，可以使用悬杆法施测，必要时可在悬杆下端悬吊垂锤，以保证洪水时减小垂线偏角；悬索式缆道设计，其安全系数应不小于3.0。
吊箱式缆道布设要求吊箱结构应牢固，四周通视条件好，具有足够的工作空间和物品存放空间；吊箱的水平运动和垂直运动由操作室人员操控制时，应配置相应的通讯工具并制定严格的规章制度，确保箱内人员生命安全，吊箱式缆道设计，其安全系数应不小于3.5。
吊船式缆道布设计应结合悬吊测船的吨位大小、测船船形、吃水线深度、流速大小、水位变幅综合考虑，为使测船准确定位于垂线位置，在缆道架设时应同步架设断面垂线位置标志牌；测船在实施水文测验时，应根据航道管理要求悬挂锚球或相应标志，以明示测船在河道中的航行状态。
多跨式缆道布设要求循环索按“开口轮加平衡锤”型式布设，循环索应按水平方向“平面成圈”走线，使循环索循回于中间支柱（架）的上、下游两侧；行车应采用“L”形结构，行车下部悬臂应有足够的长度，确保循环索在水平运行和垂直运行中不发生磨擦；缆道行车的上部两个水平运行滑轮直径应不小于22cm，方能满足滑轮在通过主索中间索鞍时不发生跳槽现象等。
近期各单位为拖拽走航式ADCP测流、雷达波测流测验根据河道断面实际情况和需要发明了移动式ADCP电动调速测流缆道、简易的ADCP测流缆道、双缆定点雷达波在线测流缆道系统等。
3 水文缆道在徐州分局流量测验中的应用
3.1徐州分局水文缆道的发展
徐州分局从1972年开始建设缆道，先后在土山、华沂、运河站等建设，缆道绞车从手摇到电动，缆道支架从木质、水泥杆到现在的钢架、铁塔，操作系统从自己动手安装的简易操作台到现在的电脑控制系统，都发生了较大变化。徐州分局自行设计安装的运河站多跨电动缆道是全国首座多跨电动缆道，自行设计安装的新安、林子站缆道“东方明珠”式铁塔获得发明专利。
3.2水文缆道在徐州分局的应用现状
徐州水文分局现在共拥有各类水文测流缆道22座，其中全自动流速仪测流缆道3座，采用惠能缆道全自动测流系统1套、EKL-3型全自动水文缆道测流系统2套；半自动电动流速仪测流缆道11座，以上水文缆道都具备用于拖拽走航式ADCP测流功能。简易人工手摇式拖拽ADCP测流缆道6座，移动式ADCP直流电动调速测流缆道2座。各类水文缆道在徐州分局不同水情的流量测验中发挥了重要作用，每年完成徐州分局所属国家重要水文站、中小河流水文站、市界断面水文站等实测流量1500余次。2020年沂河港上站用多跨电动缆道拖拽ADCP测到该站历史最大流量7400m3/s，2021年大运河运河站用中泓单跨电动缆道拖拽ADCP测到该站历史最大流量3840 m3/s。
电动缆道拖拽ADCP 测流 缆道流速仪和缆道ADCP 流量比测
手摇缆道拖拽ADCP 测流 缆道拖拽ADCP 测验运河洪水
4 水文缆道操作系统在流量自动测报中发挥重要作用
4.1惠能缆道全自动测流系统PC版
惠能缆道全自动测流系统PC版，操作界面为台式电脑PC端软件，通过PLC（可编程序控制器）执行控制，由变频器对缆道绞车电机实现无极调速，根据预先设定的垂线选择表（起点距、垂线测法设置）控制缆道自动完成测流，测流数据直接传送到PC生成并打印测流成果表的铅鱼、吊箱自动测流系统。
图一 惠能缆道全自动测流系统PC版V3.0 主界面
该测流控制系统适用于借用断面、实测断面的铅鱼、吊箱悬杆缆道全自动测流。在人工设置好垂线和相应测流设置后，依设定测流运行方向连续完成所设定垂线相应测点的流速测算、存储测点测流数据，测流数据实时传送到USB口连接的电脑，完成所有设置垂线测速后生成自动报表，控制铅鱼或者吊箱回到指定位置。每一调垂线的测流数据实时显示在电脑界面上。亦可实现半自动测流或人工手动操作测流。系统最多可一次设置50条垂线并存储相应的测流数据（最多150条）。
图二 全自动测流操作界面
惠能缆道全自动测流系统PC版2022年在徐州分局新沂市新安水文站投入运行，效果良好。
4.2 DX-LLX-1M 移动式雷达波测流系统
DX-LLX-1M 移动式雷达波测流系统通过架设简易缆道，在缆道上悬挂雷达运行车和雷达流速仪，通过安装的雷达水位计或者其他水位测量装置结合大断面数据和测流垂线参数，雷达运行车自动根据垂线位置测量每个垂线的流速，通过短距离无线通讯发送到控制及传输系统，控制及传输系统内的遥测终端机会计算出每个小断面的流速、流量、面积等数据，所有垂线测量完成后，自动计算出大断面的过流面积、平均流速、流量等数据，系统控制器同时采集水位数据，再将水位、流速等数据发送给远程终端机，实时计算断面流量，从而实现断面无人值守自动测验。当完成测流后，将雷达运行车开回，自动对准充电装置进行充电。DX-LLX-1M 移动式雷达波测流系统安装方便、测流迅速、不受风雨和停电限制，适应高流速、宽河道测流，也可用于巡测和一般性测流。应用于水文监测、防洪防涝、环保排污监测等领域。
缆道雷达波测流系统1
缆道雷达波测流系统2
4.3 EKL2000 系列水文缆道测流控制系统
江苏南水水务科技有限公司研制的 EKL2000 系列水文缆道测流控制系统，采用先进的自动控制技术和人工智能（AI）技术,采用不同的配置，实现水文缆道的现地或远程全自动流量测量、流量报表自动生成和数据远程自动传输归档整编等工作。部分型号产品支持转子式流速仪和雷达波流速仪混合测流工作方式。
EKL2000 系列水文缆道测流控制系统产品分为 EKL2000A、EKL2000B、EKL2000C 和 KL2000D 四个主要型号，并附有铅鱼自动跟踪人工智能选件和中心集中控制平台选件铅鱼自动跟踪人工智能选件和中心集中控制平台选件。外观设计方面，根据用户的需求，定制化服务，先后推出精英版、领航版等不同款式供用户选择。EKL2000 系列水文缆道控制台采用便携式结构设计、PLC 自动控制技术和计算机软件测量技术，以水文缆道为载体，运用转子式流速仪、雷达波测速仪实现断面流量的全自动测量，且具有远程测控功能。实际应用中，装备能够远程控制缆道装置进行流量自动测验，并可以依据测验数据自动生成流量测验成果表，实现了缆道测流自动化，同时也使在无人驻守站情况下用缆道系统进行流量测验成为了可能，提高了测流效率。
EKL2000 系列水文缆道测流控制系统
随着水文测报现代化的发展，各式各样的水文缆道测流控制系统不断推陈出新，被广泛应用于各类水文站上，在流量自动化的测验中发挥了重要作用。
5 结语
水文缆道是水文测站进行河道流量测验的基本设施之一，随着水文现代化的发展，逐步改进和更新。在许多水面较宽、漂浮物较多、含沙量较大的河道，缆道拖拽走航式ADCP、 缆道+雷达波测流等是相对切实可行的测流方案。为了保证水文缆道更好地为流量测验服务，必须加强日常的维护、保养，做好信号系统的检测、防雷检测等，让水文缆道始终保持较好运行状态，充分挖掘水文缆道在流量自动化测报中作用。
参考文献：
[1]《水文缆道测验规范》 SL 443-2009 中华人民共和国水利行业标准 2009
[2]《缆道式雷达波自动测流系统在喀麦隆曼维莱水电站中的应用》 张培甫，罗碧喜 《水利水电工程设计》 2019
[3]《三河闸全自动水文缆道测流系统及其应用》 楚恩国 《水利水电技术》 2008
作者简介：唐文学（1970--），男，汉族，江苏省邳州人，高级工程师，从事水文水资源监测与评价工作。联系电话：13815388573；邮箱：547069136@qq.com；通讯地址：徐州市云龙区（新城区）中茵广场5号楼江苏省水文水资源勘测局徐州分局
