一、项目基本情况

项目名称：代表垂线法实时流量自动监测系统

主要完成人：沈起鹏，李正最，蒋显湘，汤灿飞，谭云辉，周光辉，金舒宜，刘鹏翼，莫一鸣

主要完成单位：湖南省水文水资源勘测局

项目简介：为解决受水工程影响的河流流量测验难题，研究改进流量测验方法，采用代表垂线法进行流量的在线实时自动监测。通过系统集成方案的研究设计，研制专用的测控设备和无人值守的自动缆道以及控制管理软件和流量计算模型，以ADCP为代表垂线流速的测量仪器，采用缆道吊挂ADCP，由工控机定时控制缆道移动ADCP到代表垂线处，并无线控制ADCP测量，同时采集水位并计算流量。实现缆道在无人值守状态下自动运行的代表垂线法实时流量自动监测。

二、项目综述

随着我国经济建设的高速发展，各类蓄、引、提水和航电枢纽等水利水电工程大量兴建以及日益加剧的人类活动的影响，给新时期的水文测验带来前所未有的挑战。众多的水工程特别是近年来河流的梯级开发，不仅改变了河流的自然属性，而且改变了水文站所在河段的水、沙特性和测验的控制条件；尤其是水利工程运行后的频繁调节，使水文站的控制代表性和水文资料的一致性遭到破坏，给正常的水文测验工作带来了极大的困难，造成设立多年的水文站被迫撤销、迁移或改级；部分水文站被迫数次迁移，有些站甚至陷入无处可迁的境地。严重影响了水文站网的稳定以及水文资料的收集，水文资料的可靠性受到冲击，直接影响到水文资料的连续性，进而影响到流域水文特性的正确分析和水资源开发利用的科学决策。

   水工程影响水文测验的对策研究，已引起国内外水文同行的高度重视。如何解决水工程影响下的流量测验难题，是当前水文工作最紧迫和最重要的研究课题。受水工程影响的河流，一是流量测验无规律可循，必须采用实时监测；二是经常出现极低流速（流速小于0.02m/秒)的情况，转子式流速仪已测记不到，用走航ADCP可测，但不太现实，因为走航ADCP要求船速小于流速，而机动船的最低航速一般都远大于0.02m/秒，达不到ADCP测验条件，因此测验误差大，既使船速能低于流速，由于船速慢且要测两个测回，测流时间会很长（100米的河宽，按规范测量约需5个多小时以上）。

   本项目摒弃传统流量测验方法和手段，研究采用代表垂线法，利用先进的流速测量仪器ADCP监测1至多根代表垂线流速，以此构建实时流量自动监测系统。该系统由工控机、自动缆道、ADCP、ADCP控制器、水位采集仪、无线电台、控制管理与数据接收处理软件等组成。ADCP由缆道悬吊，工控机定时控制缆道移动ADCP到代表垂线处，并启动ADCP测量，测量数据通过无线传送到工控机，同时工控机接收水位信息，由工控机按比测率定后的流量计算模型算得流量，从而实现无人值守缆道自动运行下的代表垂线法实时流量自动监测。

   该成果，为解决湖南省乃至全国受水工程影响的水文站的流量测验问题以及极低流速的流量监测，为水资源调度的监控管理，提供了有效的解决途径；提高了测验资料质量和工作效率，为探索水工程影响下复杂的水文变化规律，提供必不可少的、连续不断的水文资料；为流域水文特性的正确分析和水资源开发利用的科学决策提供技术支撑。该成果的推广应用，可大幅度降低人力、物力、财力的支出，减轻测验人员繁重的野外测验工作量，避免人身安全风险，为提高水文监测和防汛预报的快速反应能力，为防汛避灾减灾，将产生较大的经济和社会效益。

三、主要科技创新

本项目采用的代表垂线测流方法是经过数学理论推导证明：在测流断面上，一般总能找到一根或几根垂线的平均流速与断面平均流速有较好的代表性关系。为了实现测量一根至多根代表垂线流速的自动测量系统，我们通过专用设备研制和系统集成控制技术研发，实现了流量测验方式、测控设备和测控技术上的新突破，并创造性的完成了以下几项创新：

1、流量自动监测方式和技术的创新，解决受水工程影响的河流流量测验难题。

该成果，创造性的拓展了流量在线自动监测技术和方法，利用缆道吊挂ADCP自动测量1根至多根代表垂线流速，由工控机主控定时监测，测时缆道自动移动ADCP到要测代表垂线水面，不测时缆道提升ADCP出水面。

其优点：

一是适合于受水工程影响下，水位变幅和流速变化较大较快的河流（水位变幅十米至二十几米的都能用）；

二是测量时间短（每测一次只需几十秒），不测量时ADCP探头提出水面，这样ADCP停留在水里的时间非常短，探头表面不易生水藻（该探头使用两年多其表面没有生水藻，而长期浸泡在水里的ADCP探头，一般1个月其表面就生长了许多水藻，需要定期做清洁），大大减小了ADCP探头被漂浮物缠绕和碰撞损坏的几率；

三是该方式使ADCP移动到所测代表垂线位置的定位相当精准，（一般误差在1至10cm以内）避免了因垂线测点位置变动大所带来的垂线代表性误差；

四是解决极低流速（流速小于0.02m/秒）的河流流量测验问题，因转子式流速仪测记不到小于0.02m/秒的流速，而用走航式ADCP测量不太现实，因走航式ADCP要求船速小于流速，而目前机动船的最低航速一般都远大于0.02m/秒，达不到ADCP测验条件，因此测验误差大，既使船速能低于流速，由于船速慢且要测两个测回，测流时间会很长（100米的河宽，按规范测量约需5个多小时以上），尤其是水利工程运行后的频繁调节，此时水位和流速有可能都发生了较大变化，达不到实时测量的目的，而本项目研制的ADCP测量方式是定点定线测量，测量时ADCP移动速度为零，测一次流量只需短短的几十秒，很好的解决了极低流速下的流量测验缺失问题；

五是维护很方便，只需用缆道将设备移动到岸边检修维护即可，避免了要到水上或水下维护的不便。

六是大大减少受水工程影响河流流量测验的人力、物力、财力的投入。

其缺点是不适合于河面很宽的河流，因为河宽大于600米以上，要架设大跨度的缆道，施工难度较大。

本项目的流量自动监测方式和技术较好的解决了受水工程影响的流量测验难题以及中小河流的流量自动监测问题，其受外界因素影响小，适合于水位变幅和流速变化较大较快的河流，适用范围相对较广，测量精度满足水文规范要求，技术手段先进，实用性强。

2、流量自动监测系统集成技术的创新

该成果，将工控机、缆道、测量仪器、通讯、运行安全保护和自动控制等技术融为一体，实现无人值守的全自动化测量。

    目前，在流量自动监测领域，大多是采用计算机与测量仪器和通讯相结合，通过测量探头固定在水中某处，实现自动监测。而与重力机械驱动相结合，采用移动测量探头的自动控制技术，完成自动化测量的少见。

    该成果，首次采用计算机与缆道和测量仪器相结合，通过系统动态控制技术的集成，解决重力机械驱动运行安全的保护控制技术问题，实现长期无人值守的测量探头移动式的代表垂线法实时流量自动监测。在流量测验方法上，采用代表垂线法，简化了测验方式，突破了传统的测验方法、方式和手段；在流量监测方式上，依靠先进科学技术，实现了无人值守缆道吊挂ADCP完成1至多根代表垂线流速实时监测；在技术手段上，充分利用当前国内外的先进技术设备，利用工控机控制ADCP和无人值守缆道的自动运行实现对代表垂线流速的自动化测量和信息处理；在自动控制技术创新上，实现了工控机与自主研发的自控缆道联机互控完成复杂的工作运行过程，实现了无人值守缆道运行的安全保护控制技术的研发，完成了系统自动控制管理软件的研发。该成果将缆道自动控制、强电控制、重力机械驱动、计算机测流软件控制处理、无线和有线通讯、单片机微控处理、系统安全保护等集成为一体，系统集成结构新颖，技术思路独特，工作运行智能化，将固定测验探头方式的流量自动监测提高到长期无人值守的移动测验探头方式的流量自动监测水平。

3、无人值守的自动缆道的创新。

目前，缆道用于水文测验，有手动缆道、电动缆道 、半自动缆道和全自动缆道。所谓半自动缆道是在工作时需要人工参与操作完成的；所谓全自动缆道，是人工给缆道通电并设定好相关测验参数后按启动钮，缆道将按设定的程序完成测量，然后等待人工关机；因此，人都是不能离开的，必须在现场值守，并且当缆道发生故障时，要人工强行干预。

本项目研制的自动缆道，其控制管理完全交给全天24小时长期运行的工控机，无需人员现场值守，其智能化科技含量高，技术先进。

四、第三方评价和推广应用情况

   （一）、第三方评价

2010年11月24-25日，湖南省水利厅在长沙主持召开了《代表垂线法实时流量自动监测系统》成果鉴定会。与会专家首先考察了现场并对系统进行了测试，听取了项目组的研究工作汇报，审查了项目组提供的技术文件资料。经质疑、答辩和讨论，形成鉴定意见如下：

 1．资料齐全、内容详实，数据真实可信，符合科技成果鉴定的要求。

 2．该成果采用代表垂线的测流方式，创造性的拓展了流量在线监测技术和方法，为流量在线监测提供了有效的技术手段，解决了受水工程影响的河流流量测验问题。

 3．该成果研发的无人值守自动测流系统，将测流缆道、自动控制、通讯、运行安全保护等技术融为一体，操作界面友好、结构新颖、功能全面；数据库查询和水文日常报表输出符合水文行业特点和技术规范要求。

 4．该成果的主要创新点为：

    1）该成果对受水工程影响情况下现有测验手段和技术难以解决的流量测验问题提供了有效解决途径。

    2）该成果集成了水文测验与现代自动控制和通讯技术，实现了水文测站全自动无人值守，也为水资源管理提供了一种先进的监测手段。

鉴定委员会认为：该成果思路清晰，技术路线先进，创新点突出，达到了国内领先水平。

 建议：完善代表垂线的自动率定。进一步做好推广运用。

（二）、推广应用情况