陈生俊，马永刚，杜 历

（宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏 银川 750001）

0 引言

水文水资源监测是防汛抗旱减灾、水资源管理、河（湖）长制落实、水生态保护和经济社会可持续发展的重要技术支撑，是黄河流域生态保护和高质量发展最关键的信息支持和科学依据。宁夏主要河流有黄河干流及其支流，境内黄河及其各级支流中，流域面积大于 50 km2以上的河流有 275 条，其中流域面积大于 1 000 km2以上的河流有 15 条。宁夏灌区按取水方式分为引黄和扬黄 2 类灌区，引黄灌区有唐徕渠、秦汉渠等 17 条干渠，退排水沟道 131 条。截至 2021年7月底，宁夏共有水文监测站点 1 858 处[1-2]。随着信息化时代的发展，水文水资源监测新技术、新设备也迅速发展，宁夏现有水文站网中，雨量、水位已全面实现自动在线监测，但流量自动在线监测技术发展缓慢，缺乏对流量自动在线监测新设备安装平台的研究与创新，特别对于监测断面跨度大、环境恶劣的流量自动在线监测设备安装没有很好的解决方案和案例。

根据宁夏水沙特性、环境条件，目前应用非接触式定点雷达、侧扫雷达、视频测流等流量自动在线监测设备较多，其中由非接触式雷达水位计、定点雷达流速传感器构成的非接触雷达波流量自动在线监测设备应用最为广泛[3-4]，在含沙量较小的灌区取水干渠、退水排水沟，ADCP 等设备有一定应用。

以上流量在线监测设备安装方案中，侧扫雷达、视频测流、ADCP 等设备安装方式简单易行，便于设计实现。但雷达波流量自动在线监测设备安装存在以下问题：1）雷达水位计悬臂式安装平台安装方式，在断面宽的河（沟、渠）道安装时，受中低水主流位置摆动影响，时常出现水位计探测不到水位的现象；2）定点雷达流速传感器需跨河均匀布设；3）多个流速传感器，还须均匀布设。因此，非接触式雷达波流量自动在线监测设备实践中，雷达水位计、定点雷达流速传感器均须跨河安装，且安装位置可根据断面水流变化情况灵活调整，因此有必要开展非接触式雷达波流量自动在线监测设备跨河安装平台（以下简称安装平台）的研究与探索。本研究选择宁夏地区的 4 处天然河流、17 处引黄灌区取水干渠和排水沟等具有代表性的监测站点，围绕高含沙量水体、恶劣环境情况，研究不同跨度河（沟、渠）道安装平台设计思路，提出提高监测设备安装稳定性和数据监测可靠性的解决方案，为提升水文水资源监测信息化水平积累实践经验。

1 安装平台现状分析与总体思路

1.1 现状分析

目前常见的横跨河（沟、渠）道断面非接触式水位、流量自动在线监测设备的安装平台主要有以下 3 种： 1）带立柱钢桁架。宁夏等西北地区综合水网含沙量高，漂浮物多，部分天然河（沟）道洪水为泥石流，钢桁架加立柱容易破坏监测断面稳定的水流流态，影响流量测验精度，增大人工除草除杂物工作量，对河道行洪和测洪安全增加不利因素，因此带立柱钢桁架安装平台在宁夏地区实用性不高。2）公路桥梁。大多数情况下，难以有桥梁供测流应用；且公路桥梁安装仪器设备，过桥车辆震动会影响测量数据稳定性和准确性。3）跨河索道。跨河双索道自动在线设备安装方式，易受恶劣气候条件影响，在恶劣的气候条件下使用，设备安装缺乏稳定性，难以保证测验精度。

1.2 总体思路

围绕传统非接触式雷达波流量自动在线监测设备安装方式中存在的问题与不足，选择在宁夏地区天然河流和引黄灌区干渠具有代表性的监测站点进行试点探索与实践，并根据不同跨度、环境条件对水文监测断面分级研究设计安装平台。非接触式流量自动在线监测设备仅有传感器部件进行跨河安装，传感器部件质量很小，主要负荷为设备安装平台自身质量，在宁夏含沙量高、漂浮物多的水体情况，以及风期长、风级大的环境条件下，安装平台类型选择如下：当河（沟、渠）断面跨度大于 65 m 时，宜设计稳定性高的索道式设备安装平台；当断面跨度在 15～65 m 之间时，宜设计拓展性强的钢桁架设备安装平台；当断面跨度在 15 m 以下时，可设计性价比高、施工便捷的龙门架设备安装平台。

2 安装平台设计思路

2.1 索道式设备安装平台

当宁夏河（沟、渠）道监测断面跨度大于 65 m时，无柱式钢桁架安装设备很难实现，一方面成本造价倍增，另一方面设计施工难度巨大。对于此类大跨度监测断面的非接触式流量在线自动监测设备的安装，最重要的是解决跨河安装，且保证在恶劣气候环境下设备传感器稳固可靠问题。本研究实践“主索悬挂安装、副索斜拉稳定”的索道式设备安装平台：将多个雷达流速、水位传感器安装在跨河（沟、渠）道主索道上，并以两岸上下左右多条副索斜拉，提高设备安装稳定性；风速风向仪、RTU机箱、太阳能板与电池等附属设备则在岸边采用支架布设安装，从而实现河（沟、渠）道大跨度断面流量自动在线监测设备的安装。选择天然河（沟）道监测站点 2 处开展研究实践，分别为贺兰山东麓山洪沟道苏峪口水文站（监测断面跨度为 72 m），大武口水文站（监测断面跨度为 101 m）；选择引黄灌区取水干渠监测站点 1 处，为唐徕渠水文站（监测断面跨度为 66 m）。

2.2 无柱式钢桁架设备安装平台

对于河（沟、渠）道监测断面跨度在 15～65 m之间的非接触式流量自动在线监测设备的安装，若符合生态保护需求和现场施工条件，考虑到自动在线监测设备的更新拓展、运行维护和数据比测便利，可优先探索实践无柱式钢桁架设备安装平台，实现雷达水位计、定点雷达流速传感器、风速风向仪、RTU 机箱、太阳能板与电池的灵活布设安装，安装示意图如图 1 所示。无柱式钢桁架的钢结构和混凝土基础尺寸应按照河（沟、渠）断面跨度、钢桁架自身质量、仪器设备等各类荷载进行设计。选择 2 处天然河（沟）道监测站点开展研究实践，分别为黄河一级支流清水河泉眼山水文站（监测断面跨度为 58 m），贺兰山东麓山洪沟道汝萁沟水文站（监测断面跨度为 63 m）；选择 9 处引黄灌区取水干渠监测站点开展研究实践，断面跨度均在 15～65 m 之间。

图1 无柱式钢桁架设备安装示意图

2.3 龙门架设备安装平台

对于河（沟、渠）道监测断面跨度在 15 m 以下的非接触式流量自动在线监测设备的安装，考虑到设备安装稳定，施工便捷，探索采用龙门架设备安装平台，实现雷达水位计、定点雷达流速传感器、风速风向仪、RTU 机箱、太阳能板与电池的布设安装。龙门架设备安装平台支架采用直径为 900 mm 的镀锌钢管，横梁底部高程高于最高水位 2 m 以上，保证仪器设备安装可靠、监测数据稳定、设备安全即可。选择 7 处引黄灌区取水干渠监测站点开展研究实践，龙门架安装示意图如图 2 所示。

图2 龙门架设备安装平台安装示意图

3 索道式设备安装平台设计研究

索道式安装平台与钢桁架、龙门架安装平台的主要区别是适用于宁夏河（沟、渠）断面跨度大于65 m 的流量自动在线监测设备安装，具有投资小、稳定性高、应用广泛的特点，而且索道式设备安装平台的创新度高，设计与安装工艺要比钢桁架、龙门架设备安装平台复杂，故重点介绍索道式设备安装平台。

索道式设备安装平台在唐徕渠三棵树、贺兰山东麓苏峪口水文站、大武口 3 个水文站进行了探索与实践。通过 2 a 多的实践，索道式设备安装平台能保证所搭载的雷达水位计、定点雷达流速传感器等多个设备传感器在宁夏恶劣环境下的安装稳定性，监测的流量数据精度符合要求。

研究的索道式设备安装平台主要包括岸上部分、架空索道、仪器传感器安装架、索道稳定架 4 个部分。岸上部分包括塔架（柱）及基础、锚碇、避雷接地装置等，架空索道包括水平主索道（承载索），以及水平和斜拉辅助索。

3.1 基础部分设计

索道式设备安装平台固定索道的塔架（柱）基础形式采用固接基础，基础必须建在该河（沟、渠）道历史最高水位 0.5 m 以上。基础混凝土体三方尺寸参照 SL 622—2014《水文缆道设计规范》，并依据监测断面河（沟、渠）道自然地质现状因素及宽窄等数据计算设计，满足整体抗倾覆的要求即可[5]。

3.2 悬挂塔架设计

悬挂塔架（柱）是索道式设备安装平台的承载受力部件，依据河（沟、渠）道的自然地理特性、地形、地质和气候条件等影响因素，尤其是风力风向和雷电情况，选择合适材料及尺寸。一般可采用钢结构，也可直接采用钢筋混凝土结构。跨河（沟、渠）自动在线监测设备安装平台设计图如图 3 所示。

图3 跨河（沟、渠）自动在线监测设备安装平台设计图

3.3 索道设计

1）主索道（承载索）设计。主索道（承载索）用于安装仪器设备。本索道式安装平台的水平主索道（承载索）及辅助索道均采用强度高、弹性模量大、抗扭转抗滑移性能好的镀锌钢绞线设计。钢绞线的直径依据监测断面的跨度大小及气候影响因素控制在 4.8～6.9 mm 之间，满足抗拉极限强度设计要求即可。

2）斜拉辅助索设计。宁夏水文水资源监测站点位置偏僻，气候环境恶劣，设计斜拉辅助索，通过斜拉稳定的方式，提高索道式设备安装平台的抗风稳定性。斜拉辅助索有上提斜拉和水平斜下拉 2 种类型，斜拉辅助索道的安装数量视监测断面的各种影响因素而定。

3.4 固定架设计

仪器传感器安装架及索道稳定架统称为固定架。仪器安装架用于悬挂安装非接触水位、流速等监测传感器，索道稳定架用于支撑稳定索道，且为斜拉辅助索道提供接口（斜拉辅助索从索道稳定架处安装，防止索道变形）。为减小水平主索道的自身质量及风力对仪器传感器安装架的影响，安装架及索道稳定架在相同的抗扭强度下，优选具有优良的不锈耐腐蚀和较好的抗晶间腐蚀性能的材料，尽可能地减小受风面，以保证索道及探头的稳定。仪器传感器安装架及索道稳定架设计图分别如图 4 和 5 所示。

图4 仪器传感器安装架设计图

图5 索道稳定架设计图

3.5 循环系统设计

对断面跨度适中，有特殊需要，中低水易分叉，长期有水不便于检修维护，气象条件相对较好的监测站点，可选择加装循环系统装置，实现传感器位置灵活调整，便于跟踪监测，循环式设备安装平台设计图如图 6 所示。循环系统可以是手动的，也可以是电动的，还可以是远程遥测的。

图6 循环式设备安装平台设计图

4 结语

本研究针对宁夏水系类型复杂、站点偏远、环境恶劣、自动在线监测设施设备运维难度大等实际，分析各类流量自动在线监测设备的安装需求，重点研究非接触式雷达波流量自动监测设备（雷达水位计、流速传感器等设备）的安装平台。通过在宁夏最大的黄河一级支流清水河泉眼山水文站，贺兰山东麓山洪沟道代表站苏峪口、大武口、汝萁沟水文站，以及 17 条引黄灌区取水监测断面进行流量自动在线监测设备安装探索与实践，提出不同断面跨度和环境因素下的河（沟、渠）索道式、无柱式钢桁架、龙门架等 3 种安装平台稳定性问题的解决方案。研究结果表明：本研究探索的 3 种安装平台，在天然河（沟）道、灌区渠道、排水沟道等监测站不同跨度及环境条件下都具有很强的适用性和可靠性，避免了带支柱钢桁架设备安装方式破坏水流流态、阻碍行洪、易挂水草，公路桥梁安装方式受桥体震动干扰大，以及常规索道设备安装方式受恶劣气候条件影响摆动大、稳定性差等诸多影响流量自动监测精度的问题。

本项研究与实践形成了一套较为完整的非接触式雷达波流量自动在线监测设备安装平台技术体系，为宁夏及西北其他条件相似地区的河（沟、渠）非接触式流量自动在线监测设备的安装探明了方向，积累了实践经验，为开展水文水资源现代化监测提供了有效保障[6]，具有很高的推广应用价值。但本设备安装平台仅限于非接触雷达波流量自动在线监测设备安装探索与实践，今后还需在含沙量自动在线监测等设备安装方面进行扩展性研究。