国控断面测流设施实施方案,阵列式雷达波测流系统

淅川水文站测流断面

一、项目背景

国控断面作为衡量全国地表水环境质量的关键节点，在水生态环境保护与水资源科学管理领域扮演着举足轻重的角色。其精准的测流数据，是评估水质状况、制定水污染防治策略、实施流域生态补偿机制的重要依据。随着社会经济快速发展，水资源供需矛盾日益凸显，水污染事件时有发生，对国控断面测流的精度、时效性和全面性提出了更高要求。

从政策导向来看，国家相继出台多项政策法规，持续强化水环境监测工作。《生态环境监测网络建设方案》明确要求，加快构建陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，国家适度上收生态环境质量监测事权，以精准掌握、客观评价全国生态环境质量总体状况。在此背景下，国控断面测流设施的升级改造与新建工作迫在眉睫，借助先进技术手段提升测流能力，成为保障水生态安全、推动绿色发展的关键举措。

二、现状问题

传统测流方法局限性大：部分国控断面仍依赖流速仪法、浮标法等传统测流手段。流速仪法需人工乘船或借助缆道将流速仪下放至不同水深处测量流速，操作繁琐、效率低下，且在洪水期、恶劣天气等复杂条件下，存在较大安全风险；浮标法受水流形态、风向、漂浮物等因素影响严重，测量精度难以保证，仅能获取断面平均流速，无法反映流速在断面的分布情况。

设施老化与损坏严重：早期建设的测流设施，因长期受水流冲刷、泥沙磨损、电化学腐蚀等作用，设备老化、零部件损坏现象普遍。例如，部分缆道系统钢丝绳锈蚀、断裂，绞车传动部件磨损严重，导致测流作业无法正常开展；一些水位观测设备精度下降，数据传输不稳定，影响流量计算准确性。

自动化与智能化水平低：多数国控断面缺乏实时在线的自动测流系统，数据采集需人工定期现场操作，时效性差，无法及时捕捉流量的动态变化。同时，数据处理与分析仍以人工为主，难以应对海量监测数据，无法实现对流量数据的深度挖掘与智能分析，难以为科学决策提供有力支撑。

数据传输与共享不畅：不同部门和单位建设的测流设施，数据传输协议、格式各异，缺乏统一标准，导致数据难以整合与共享。此外，部分断面地处偏远，通信网络覆盖不足，数据传输时常中断，影响监测数据的完整性与连续性。

复杂河道条件监测困难：一些国控断面所在河道地形复杂，如存在弯道、浅滩、支流汇入等情况，水流流态紊乱，传统测流设备难以准确测量流速、流量。而且，在潮汐影响区域，水位和流量变化规律复杂，现有监测手段难以满足精准监测需求。

三、解决思路

引入先进测流技术：推广应用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、雷达波测流系统、声层析测流系统等先进设备。ADCP可在移动测量过程中，快速获取断面流速剖面，测量精度高、效率快；雷达波测流系统通过发射和接收雷达波，实现对水面流速的非接触式测量，不受恶劣天气和复杂水流条件影响；声层析测流系统利用声波在水体中的传播特性反演断面流速和流量，能有效解决复杂河道测流难题。

全面升级改造设施：对现有老化、损坏的测流设施进行全面评估，更换受损零部件，对关键设备进行升级。例如，对缆道系统进行全面检修，更换钢丝绳、绞车等核心部件，提升设备安全性与可靠性；对水位观测设备进行校准与更新，采用高精度、智能化水位计，确保水位数据准确可靠。

构建自动化监测体系：建立国控断面自动测流站，实现流量、水位、水质等参数的实时在线监测。配备数据采集与传输设备，将监测数据通过无线通信网络（4G/5G、卫星通信等）实时传输至监测中心。同时，开发自动化数据处理与分析软件，运用大数据、人工智能算法对监测数据进行实时分析，自动生成报表与预警信息。

统一数据标准与共享平台：制定统一的数据传输协议和格式标准，整合不同部门、不同来源的测流数据。搭建国控断面测流数据共享平台，实现数据的集中存储、管理与共享，为生态环境、水利、自然资源等多部门提供数据支持，促进协同管理与决策。

针对性解决复杂河道监测难题：针对复杂河道地形，结合地理信息系统（GIS）技术，对河道地形进行精细化测绘，建立河道三维模型，为测流设备选型与安装提供科学依据。在潮汐影响区域，安装潮汐监测设备，结合水位、流量数据，建立潮汐影响下的流量计算模型，提高监测精度。

四、硬件感知体系

1、流速监测设备

声学多普勒流速剖面仪（ADCP）：在河流断面不同位置固定安装走航式ADCP或定点式ADCP。走航式ADCP可搭载于测量船、遥控船等移动平台，在断面往返航行过程中，利用声学多普勒原理测量不同水层流速，获取流速剖面数据，测量精度可达±1%。定点式ADCP则安装在河底或岸边固定支架上，长期监测特定位置流速变化。

雷达波测流系统：在河流两岸或桥梁上安装雷达波流速仪，通过发射微波信号，测量水面流速。雷达波测流系统具有测量范围广（可覆盖数十米至数百米宽河道）、精度较高（一般为±2%-±5%）、不受水体浑浊度影响等优点，适用于各类河流断面流速监测。对于较宽河道，阵列式测流系统可采用多台雷达波流速仪组网方式，实现全断面流速监测。

武汉水测家阵列式雷达波测流系统在水文站应用

声层析测流系统：在复杂河道国控断面，于河流两岸设置多个声测站，每个声测站配备声学发射与接收装置。通过发射不同频率声波，利用声波在水体中传播速度与流速的关系，反演计算断面流速和流量。该系统能够突破传统测流方法局限，实现对复杂河道全断面流速的精确测量。

2、水位监测设备

雷达水位计：在断面岸边合适位置安装雷达水位计，通过发射和接收雷达波，测量水位变化。雷达水位计具有非接触式测量、精度高（可达±3mm）、不受水质、漂浮物影响等特点，测量范围一般为0-50m，可满足大多数河流断面水位监测需求。其数据输出接口支持多种通信协议，便于与数据采集终端连接。

压力式水位计：对于水深较大、水流平稳的断面，可采用压力式水位计。将压力传感器安装在河底，通过测量水压变化计算水位高度。压力式水位计精度高，但需定期进行校准与维护，防止泥沙淤积、生物附着等影响测量精度。

浮子式水位计：在部分有条件建设水位观测井的断面，安装浮子式水位计。通过浮子随水位升降带动编码器旋转，将水位变化转化为电信号输出。浮子式水位计结构简单、可靠性高、成本较低，但受机械部件磨损影响，长期使用后精度可能下降，需定期维护与校准。

3、流量计算与数据采集设备

数据采集终端（RTU）：为每个监测点配备高性能数据采集终端，负责采集流速、水位等各类监测设备数据。RTU具备数据存储、预处理、加密功能，支持多种通信协议（如Modbus、TCP/IP、MQTT等），可通过4G/5G、光纤、卫星通信等网络将数据传输至监测中心。同时，RTU具有远程控制功能，可实现对监测设备的远程参数设置、校准等操作。

流量计算单元：在数据采集终端或监测中心服务器中，集成流量计算软件模块。根据流速、水位数据，结合河道断面地形信息，采用曼宁公式、谢才公式等方法，实时计算断面流量。对于复杂河道，可利用数值模拟模型，如一维、二维水动力模型，更精确地计算流量。

4、辅助监测设备

气象监测设备：在测流断面附近安装气象站，监测气温、气压、风速、风向、降雨量等气象参数。气象条件对河流流量变化有重要影响，获取实时气象数据，有助于分析流量变化原因，提高流量预测准确性。气象站数据通过无线通信方式传输至数据采集终端，与测流数据一并存储与传输。

视频监控设备：在断面关键位置安装高清摄像机，对测流设施运行状况、水面漂浮物、河道周边环境等进行实时视频监控。视频监控数据可通过网络传输至监测中心，便于管理人员及时发现异常情况，如设备故障、非法排污等，并采取相应措施。同时，视频监控数据可作为流量监测数据的辅助验证手段，在特殊情况下（如洪水期），通过视频分析辅助判断流量变化趋势。

五、产品选型

雷达波测流系统：采用武汉水测家科技雷达波流速仪，该设备采用先进的微波雷达技术，测量范围为0.1-20m/s，可满足大多数河流流速测量需求。设备具备良好的抗干扰能力，可在恶劣天气条件下稳定工作。支持RS485输出接口，便于与数据采集终端集成。对于宽河道监测，可采用多个雷达流速仪组网阵列式测流系统，结合其配套的流量计算软件，实现全断面流量监测。

雷达水位计：武汉水测家SCJ-LD40雷达水位计是理想选择，其采用多波束测量技术，能有效避免漂浮物干扰，自动识别水面，测量精度可达±3mm，量程范围为0-30m。设备支持多种通信方式，包括4G/5G、光纤、北斗卫星通信等，可适应不同通信环境需求。具备防水、防尘、抗干扰等特性，防护等级达到IP67，可在恶劣户外环境下稳定工作。

数据采集终端（RTU）：武汉水测家SCJ-RTU01工业级RTU集成了高性能的处理器，具备强大的数据处理和存储能力，可同时接入多路传感器数据。支持4G/5G、NB-IoT、LoRa、北斗卫星等多种通信方式，兼容Modbus、TCP/IP、MQTT等通信协议，能够灵活适应不同的通信网络环境。

气象监测设备：选用六要素气象站，可同时监测气温、气压、风速、风向、湿度、降雨量等气象参数。该气象站采用高精度传感器，测量精度高，数据稳定可靠。具备无线通信功能，可将监测数据实时传输至数据采集终端。设备采用太阳能供电，节能环保，可满足长期野外监测需求。

视频监控设备：海康威视的高清摄像机可用于断面视频监控，该摄像机具有400万像素高清分辨率，支持红外夜视功能，可实现24小时不间断监控。具备智能分析功能，可对画面中的异常行为进行自动报警。支持ONVIF、GB28181等多种协议，方便与视频监控平台集成。设备防护等级达到IP67，可适应恶劣户外环境。

淅川水文站

六、场景应用

日常流量监测与数据分析：通过硬件感知体系实时采集国控断面流速、水位等数据，经数据采集终端传输至监测中心。监测中心的流量计算软件实时计算断面流量，并对数据进行存储、分析与处理。管理人员可通过监测平台实时查看断面流量变化曲线、历史数据报表等，掌握流量变化规律，及时发现流量异常波动情况，为水资源管理与调配提供基础数据支持。

水质评价与污染溯源：精准的流量数据是水质评价的重要依据。结合流量数据与水质监测数据，可准确计算污染物通量，评估水体污染程度。当发生水质超标事件时，通过分析流量变化与污染物浓度关系，可追溯污染源位置与排放强度，为水污染防治执法提供有力证据。例如，在河流上游某企业排污口下游国控断面，若流量稳定时水质突然恶化，结合流量数据可快速判断该企业是否存在偷排行为，并估算污染物排放量。

防洪减灾预警：在洪水期，实时、准确的流量监测数据对防洪减灾至关重要。通过实时监测断面流量变化，当流量超过警戒阈值时，监测系统自动向水利、应急管理等部门发出洪水预警信息。相关部门可根据流量数据，合理调度水利工程设施（如水库泄洪、河道闸坝调控等），提前做好人员转移、物资调配等防洪准备工作，最大限度减少洪水灾害损失。

水资源调配决策支持：在水资源短缺地区或跨流域调水工程中，国控断面测流数据为水资源合理调配提供关键依据。根据不同断面流量数据，结合流域水资源需求情况，制定科学的水资源调配方案，实现水资源优化配置。例如，在南水北调工程中，通过沿线国控断面测流数据，实时掌握调水量变化，合理调整泵站运行参数，确保向受水区精准供水。

生态流量保障：为维护河流生态系统健康，需保障一定的生态流量。国控断面测流设施实时监测流量，当发现流量低于生态流量目标值时，及时向相关部门预警。水利部门可通过调控水利工程设施，增加下泄流量，保障河流生态用水需求，维持河流生态平衡。

应急事件处理：当发生突发水污染事件、河道工程事故（如溃坝、决堤等）时，测流设施迅速采集现场流量、水位等数据，并及时传输至应急指挥中心。应急指挥中心根据数据情况，快速制定应急处置方案，如组织抢险救援、采取污染控制措施等，最大限度降低事件对水环境和社会经济的影响。同时，利用视频监控设备实时监控现场情况，为应急决策提供直观信息支持。