日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓 勇成 波曲樹(shù)國(guó)

（1.日照水庫(kù)管理局，山東日照 276816；2.山東水利工程總公司，山東濟(jì)南 250014；3.山東省水利廳，山東濟(jì)南 250013）

日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓 勇1成 波2曲樹(shù)國(guó)3

（1.日照水庫(kù)管理局，山東日照 276816；2.山東水利工程總公司，山東濟(jì)南 250014；3.山東省水利廳，山東濟(jì)南 250013）

日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)主要采用HSST—SY01型一體化智能水位遙測(cè)儀和GD—1024／64C型浮子式液位計(jì)，是在國(guó)內(nèi)水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)的首次應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)生成圖表，提高了觀測(cè)精度和資料整編分析水平。本文對(duì)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用推廣價(jià)值作了簡(jiǎn)要介紹。

大壩；測(cè)壓管；自動(dòng)化；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 水庫(kù)概況

1.1 工程概況

日照水庫(kù)始建于1958年10月，建成于1959年6月，位于日照市東港區(qū)駐地以西16km處，是多年調(diào)節(jié)綜合利用的大（2）型水庫(kù)，總庫(kù)容3.1805億m3。水庫(kù)樞紐工程包括主副壩、南北放水洞、水電站、溢洪道四部分。現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)100年一遇設(shè)計(jì)、5000年一遇校核。

1.2 大壩測(cè)壓管水位觀測(cè)項(xiàng)目開(kāi)展情況

大壩測(cè)壓管水位觀測(cè)點(diǎn)分別位于主壩的7個(gè)斷面、副壩的3個(gè)斷面，其中，主壩29個(gè)、副壩11個(gè)，壩體孔27個(gè)、壩基孔13個(gè)，另加壩前水位管和壩后尾水管各1個(gè)，總計(jì)42個(gè)測(cè)壓管觀測(cè)點(diǎn)。

測(cè)壓管水位于1963年11月始測(cè)，人工采用萬(wàn)用表配合測(cè)繩實(shí)測(cè)。到1975年基本達(dá)到定人員、定時(shí)間觀測(cè)，1985年以來(lái)，逐步實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化、制度化管理。1999年，安裝了電容觸點(diǎn)式水位計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了水位數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。2002年水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固，原有測(cè)壓管全部予以重設(shè)，大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)布設(shè)測(cè)壓管不配套，系統(tǒng)無(wú)法使用，重新采用人工觀測(cè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)選型

根據(jù)除險(xiǎn)加固后大壩測(cè)壓管的實(shí)際情況和自動(dòng)化觀測(cè)新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，日照水庫(kù)管理局決定建設(shè)性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、系統(tǒng)先進(jìn)的測(cè)壓管水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)前應(yīng)用較多且較成熟的水位計(jì)主要有三種：浮子式水位計(jì)、靜壓投入式水位計(jì)和超聲波水位計(jì)。三者相比較，浮子式精度高，使用壽命長(zhǎng)，受外界因素影響小，但是考慮到測(cè)壓管或觀測(cè)井的深度，不適用于深度超過(guò)30m的情況；靜壓投入式水位計(jì)不受深度影響，但存在零漂現(xiàn)象；超聲波流量計(jì)精度最高，但是安裝麻煩，且受周?chē)h(huán)境和井壁 （測(cè)壓管壁）垂直度影響，在國(guó)內(nèi)使用較少。綜合三種水位計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管的情況，采用浮子式水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位是最好的選擇。管理局經(jīng)對(duì)生產(chǎn)廠家及代理商的技術(shù)力量、產(chǎn)品配套、施工能力、項(xiàng)目建議書(shū)、產(chǎn)品報(bào)價(jià)、售后服務(wù)等多方面綜合比較、現(xiàn)場(chǎng)考察，決定選用某科技發(fā)展有限責(zé)任公司作為協(xié)助研發(fā)和施工單位。

2.2 系統(tǒng)研發(fā)

2.2.1 總體思想

該系統(tǒng)的建設(shè)以完全滿足水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)為目標(biāo)和總體思想，利用遙測(cè)、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等技術(shù)手段，結(jié)合日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管特點(diǎn)，建設(shè)有效的、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的、及時(shí)準(zhǔn)確的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系，以逐步達(dá)到 “信息采集自動(dòng)化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、管理數(shù)字化、決策科學(xué)化”的目標(biāo)。

依據(jù)大壩測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用管理軟件系統(tǒng)，整合現(xiàn)有各系統(tǒng)中的水文數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水文信息的綜合管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢、共享存儲(chǔ)等功能，并將測(cè)壓管水位數(shù)據(jù)查詢、分析的結(jié)果在電子地圖上以點(diǎn)分布圖、等值線、面分布圖、統(tǒng)計(jì)圖表、過(guò)程線等方式生動(dòng)直觀地顯示出來(lái)，為領(lǐng)導(dǎo)決策和指導(dǎo)管理提供依據(jù)。

2.2.2 技術(shù)方案

日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)方案是：先建立穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)管理中心；同時(shí)采用高精度、高可靠性的HSST一體化水位遙測(cè)儀水位計(jì)，通過(guò)GSM智能遙測(cè)終端，將大壩測(cè)壓管監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)送至移動(dòng)通信服務(wù)中心，服務(wù)中心將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至水庫(kù)管理中心GSM接收前置模塊；再以應(yīng)用軟件和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)定時(shí)測(cè)報(bào)、各種報(bào)表資料生成打印、現(xiàn)場(chǎng)及中心數(shù)據(jù)雙重保存?zhèn)浞?、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控及中心指令控制等各項(xiàng)功能。

2.2.3 研發(fā)過(guò)程

2008年10月20日，山東省水利廳批復(fù)了《日照水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施方案》。2008年11月—2009年2月，由日照水庫(kù)管理局和該科技發(fā)展有限責(zé)任公司有關(guān)人員，共同完成了項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)；2009年3月，完成了水庫(kù)大壩測(cè)壓管自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)安裝。系統(tǒng)進(jìn)行了為期3個(gè)月的試運(yùn)行后，對(duì)軟件進(jìn)行了修改完善。2009年9月，通過(guò)由山東省水利廳組織的科技成果鑒定。

2.2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該項(xiàng)目所采用的HSST—SY01型一體化智能水位遙測(cè)儀是首次在國(guó)內(nèi)水庫(kù)大壩測(cè)壓管水位自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用，其設(shè)計(jì)集成了獲得國(guó)家實(shí)用新型專利的GD—1024／64C型浮子式液位計(jì)（專利號(hào)：ZL200620082790.3）。遙測(cè)儀在測(cè)壓管內(nèi)安裝后，一方面可以自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)預(yù)留人工測(cè)量通道，可實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)化觀測(cè)與手工測(cè)量對(duì)比校核。

日照水庫(kù)所處的位置在雷區(qū)，終端儀器設(shè)備容易受感應(yīng)雷擊。除了要注重電源線的防護(hù)外，還要做好信號(hào)線防雷工作，每個(gè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)點(diǎn)均安裝了BS—AW—10型避雷設(shè)備，以減少雷擊。在電源、通信和傳感器接口的入口處均設(shè)有防雷保護(hù)電路，以防感應(yīng)雷電流對(duì)內(nèi)部電路造成損壞，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地工作，解決了長(zhǎng)期以來(lái)水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備易遭雷擊的問(wèn)題。

該產(chǎn)品綜合運(yùn)用先進(jìn)的電子測(cè)控技術(shù)、超低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)、光電編碼技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、GSM（GPRS）／CDMA網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研發(fā)而成。設(shè)備在整體設(shè)計(jì)上有效地結(jié)合了目前各種水位遙測(cè)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了傳統(tǒng)設(shè)備因檢測(cè)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題造成的各種不適應(yīng)性。大壩滲壓管監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)GSM智能遙測(cè)終端送至移動(dòng)通信服務(wù)中心，服務(wù)中心將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至水庫(kù)管理中心接收模塊，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)軟硬件設(shè)備分析處理后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩水位的各類監(jiān)測(cè)功能。考慮到傳輸?shù)姆€(wěn)定性和數(shù)據(jù)的保密安全，管理中心配置了專用GSM接收前置模塊，用于接收各測(cè)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)及中心指令的下發(fā)，形成了大壩滲壓管監(jiān)測(cè)點(diǎn)和中心服務(wù)器之間的安全通道。

系統(tǒng)采用了該科技發(fā)展有限責(zé)任公司與日照水庫(kù)管理局嚴(yán)格按照土石壩安全監(jiān)測(cè)及資料整編等相關(guān)國(guó)家行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的軟件，并結(jié)合日照水庫(kù)其他觀測(cè)項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了壩后滲流觀測(cè)資料數(shù)據(jù)庫(kù)和圖表分析系統(tǒng)，系統(tǒng)具有實(shí)用性和可擴(kuò)展性，具有創(chuàng)新性，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 系統(tǒng)組成和功能

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由大壩滲壓監(jiān)測(cè)站、自動(dòng)化觀測(cè)管理中心兩部分組成。

大壩滲壓監(jiān)測(cè)站由內(nèi)徑200mm測(cè)壓管、HSST—SY一體化智能水位遙測(cè)儀、避雷設(shè)備、測(cè)壓管保護(hù)盒等組成。HSST—SY一體化智能水位遙測(cè)儀由水位傳感檢測(cè)單元、智能測(cè)控傳輸單元、鋰電池供電單元三大單元組成，并將其有機(jī)結(jié)合，封裝于專門(mén)設(shè)計(jì)的全密封防護(hù)殼體內(nèi)。

管理中心包括工控計(jì)算機(jī)、管理計(jì)算機(jī)、相關(guān)軟件等。該系統(tǒng)的自動(dòng)化觀測(cè)管理中心位于日照水庫(kù)管理局防汛調(diào)度中心，系統(tǒng)主要包括六個(gè)子系統(tǒng)，分別是測(cè)量控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、圖形／報(bào)表子系統(tǒng)、大壩安全分析子系統(tǒng)、滲流量編輯子系統(tǒng)和系統(tǒng)管理子系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理

數(shù)據(jù)管理包括測(cè)壓管基本資料管理、測(cè)壓管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)管理和大壩滲流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)管理。

3.2.2 測(cè)壓管系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

分析指定樁號(hào)的測(cè)壓管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提供地質(zhì)剖面和浸潤(rùn)線圖、測(cè)壓管過(guò)程線、圈套線、位勢(shì)圖、逐年相關(guān)線、位勢(shì)過(guò)程線、特定水位下的過(guò)程線等圖表。

a.測(cè)壓管地質(zhì)剖面和浸潤(rùn)線圖。將測(cè)壓管埋設(shè)處的地質(zhì)剖面、測(cè)壓管埋設(shè)的位置、濾管位置、測(cè)壓管長(zhǎng)度和管口高程等內(nèi)容以剖面圖的形式表現(xiàn)出來(lái)?？梢圆榭茨骋惶囟〞r(shí)間測(cè)壓管實(shí)測(cè)水頭剖面線，即浸潤(rùn)線，了解覆蓋層承壓情況，并給出相應(yīng)水位下覆蓋層的抗?jié)B安全系數(shù)。

b.測(cè)壓管水位過(guò)程線。繪制測(cè)壓管水位隨時(shí)間的變化曲線。利用測(cè)壓管水位過(guò)程線可以鑒別測(cè)壓管的靈敏性、可靠性，以及確定其滯后時(shí)間和某些測(cè)次數(shù)據(jù)的取舍等。

c.測(cè)壓管位勢(shì)圖。位勢(shì)即測(cè)壓管水頭在滲流場(chǎng)中占總滲流水頭的百分?jǐn)?shù)。與上下游水位的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，當(dāng)滲徑長(zhǎng)度不變時(shí)位勢(shì)為常數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)位勢(shì)的變化了解滲流介質(zhì)的變化情況。根據(jù)用戶要求快速生成針對(duì)該工程預(yù)設(shè)格式的報(bào)表——滲流觀測(cè)記載表，報(bào)表可以聯(lián)機(jī)打印、導(dǎo)出為Excel格式的文件并對(duì)文件進(jìn)行管理。

3.2.3 滲流量系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)用戶要求生成各種過(guò)程線，如：滲流量過(guò)程線、滲流量與庫(kù)水位關(guān)系曲線、特定庫(kù)水位下滲流量過(guò)程線等，從而進(jìn)行滲流量的相關(guān)分析。

3.2.4 數(shù)據(jù)查詢功能

可以指定具體的測(cè)點(diǎn)、日期進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢，并根據(jù)查詢結(jié)果，在數(shù)據(jù)表格中體現(xiàn)出來(lái)。數(shù)據(jù)表格是將監(jiān)測(cè)返回的數(shù)據(jù)以表格的形式予以反映，并以日期加以限制。當(dāng)汛期采集功能啟用時(shí)，可以選擇汛期方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)圖形功能中，將采集水位以圖形的方式顯示。另外，還可以按照指定的日期查看水位的趨勢(shì)圖，也可以指定具體的某一天，查看對(duì)應(yīng)的時(shí)刻趨勢(shì)圖。

4 實(shí)施效果及應(yīng)用推廣

該項(xiàng)目自投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行狀況良好，系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)和管理要求。設(shè)備簡(jiǎn)單，故障率低，易于維護(hù)；系統(tǒng)操作容易學(xué)習(xí)和掌握，使用方便。自動(dòng)讀取數(shù)值并自動(dòng)生成圖表，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高了工作效率，做到了觀測(cè)資料整編的自動(dòng)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)為水庫(kù)的運(yùn)行管理提供了大量的運(yùn)行資料，保障了水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行，進(jìn)一步提高了工程管理現(xiàn)代化、辦公自動(dòng)化水平。

該系統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益較顯著，可在同類水庫(kù)大壩、海水入侵、供水井群、河道水位等監(jiān)測(cè)中推廣應(yīng)用。目前，已在日照市水文局海水入侵水位監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中推廣應(yīng)用?！?/p>

Design and app lication of Rizhao Reservoir dam piezometric level automatic observation system

HAN Yong1，CHENG Bo2，QU Shuguo3
（1．Rizhao Reservoir Administration，Rizhao 276816，China；2．Shandong Water Conservancy Engineering Corporation，Ji'nan 250014，China；3．Shandong Water Resources Department，Ji'nan 250013，China）

Rizhao Reservoir dam piezometric level automatic observation system mainly adopts HSST—SY01 integrated intelligentwater-level telemeter and GD—1024／64C type float type level gauge.Reservoir dam piezometric level automatic observation system is applied for the first time in China，thereby realizing automatic observation and automatic chart generation，and improving observation precision and data preparation analysis level.In the paper，system development design and application promotion values are briefly introduced.

dam；piezometric tube；automation；design；application

TV697.2

A

1673-8241（2015）08-0053-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.017