天長市小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)的建設(shè)

王淼

摘要：近年來，國家十分重視水庫的除險加固工作，本文從當(dāng)前水利現(xiàn)狀出發(fā)，針對我國小型水庫數(shù)量多、偏遠(yuǎn)、分散等特點(diǎn)，積極響應(yīng)國家號召，將計算機(jī)、通信、自動化等技術(shù)結(jié)合到水利工作中設(shè)計了天長市小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)，該文是從系統(tǒng)的必要性，方案構(gòu)成和要求來闡述，有效預(yù)防洪澇災(zāi)害，提高了工作效率，產(chǎn)生了社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：雨水情;自動水雨監(jiān)測站;信息傳輸;監(jiān)測

天長市地處安徽東部、江淮之間、淮河下游，屬于江淮分水嶺地區(qū)，因其特定的地理位置、特殊的氣候條件，天長市的防汛問題十分突出，加強(qiáng)小型水庫的除險加固建設(shè)對防洪安全、糧食安全和生態(tài)安全有著積極作用，因此全面實(shí)施小型水庫雨水情預(yù)警預(yù)報基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)十分重要。

1 ? ?概況

天長地處安徽省的最東部，江淮之間、淮河下游，屬于江淮分水嶺地區(qū)。除一面與本省來安縣接壤外，其余三面皆被江蘇五縣市區(qū)（六合、儀征、高郵、金湖、盱眙）環(huán)抱。地理位置為東徑118°39′～119°13′，北緯32°27′～32°58′。全市國土總面積 1770 km2，總?cè)丝?3.46萬。如圖1所示。

它地處北亞熱帶，屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量適中，光照充足，四季分明，具有霜期短、日照長、雨量充沛的特點(diǎn)。多年平均降雨量1048.5 mm，年際年內(nèi)分布極不均勻，年際最大豐枯變幅達(dá)2.81倍。年內(nèi)降雨大多集中于夏季，占全年降雨量的70.0%以上。多年平均最大24 h降雨為103.2 mm，經(jīng)排頻分析計算，相應(yīng)10年、20年、50年一遇最大24 h暴雨分別為162.7 mm、193.3 mm和233.2 mm。

天長市地跨淮河流域和長江流域，其中淮河流域占96.8%。全市境內(nèi)有新白塔河、老白塔河、銅龍河、楊村河、川橋河、王橋河和秦欄河等七條天然河流，呈掌狀分布由西向東匯入高郵湖，皆屬淮河入江水系，流域總面積2459.8 km2，其中境內(nèi)1600.7 km2，境內(nèi)長度為149.32 km，泄洪能力3550～4400 m3/s，引水能力82.5 m3/s。全市有高郵湖、百蕩湖、沂湖、黃家湖、沙湖、洋湖等天六個然湖泊，其中高郵湖為省際湖泊，湖泊匯水面積 1657 km2（不包括高郵湖），蓄水量23.3億m3（7.5 m水位）。如圖2所示。

天長市現(xiàn)建有103座雨水情自動監(jiān)測站點(diǎn)，從要素上劃分，涉及自動雨量監(jiān)測站點(diǎn)45座，自動水位監(jiān)測站點(diǎn)91座，自動水位雨量監(jiān)測站點(diǎn)21座。從覆蓋河流及水庫上分，涉及6條主要河流，9座中型水庫，29座小（1）型水庫，60座?。?）型水庫。

2 ? ?工程建設(shè)的必要性

天長市屬于低山丘陵區(qū)，水系分散，小型水庫數(shù)量多、分布廣，由于部分小型水庫無監(jiān)測設(shè)施，洪水來臨無法及時獲得水位資料，會給防汛工作帶來困難，而小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)的建設(shè)，可有效提高雨水情信息采集的準(zhǔn)確性、時效性，從而延長洪水預(yù)見期，提高預(yù)報精準(zhǔn)度，既保證了水庫安全，又能為洪水資源化提供準(zhǔn)確的決策?！栋不帐∷畔⒒l(fā)展“十三五”規(guī)劃》對提高防洪減災(zāi)和防汛抗旱應(yīng)急管理能力等提出明確要求，但仍存在部分小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)尚未安裝，自動監(jiān)測系統(tǒng)和防汛通信預(yù)警設(shè)備不完善而影響小型水庫汛情險情的及時報送和發(fā)布的問題。

3 ? ?系統(tǒng)組成

利用信息采集系統(tǒng)建設(shè)水位自動監(jiān)測站，通過水位計和數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)雨水情數(shù)據(jù)的實(shí)時、自動采集，為防汛調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);利用信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于IP網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)，IP技術(shù)的成熟度高，技術(shù)發(fā)展迅速，可以很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享傳輸;監(jiān)測站基座土建工程，監(jiān)測站供電采用蓄水池組和太陽能光電板浮充方式，監(jiān)測站鋪設(shè)環(huán)形均衡接地網(wǎng)并安裝避雷針，設(shè)備、設(shè)施必須在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)[1]。

4 ? ?站點(diǎn)技術(shù)要求

4.1 總體結(jié)構(gòu)

雨水情自動測報系統(tǒng)由遙測站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息中心三部分組成。采用浮子水位計，水位計采集水位數(shù)據(jù)，實(shí)時傳送到RTU數(shù)據(jù)采集終端，RTU分析水位變化，決定是否立即傳送到數(shù)據(jù)接收中心站，水位變化1 cm時，自動向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，自動水雨監(jiān)測站結(jié)構(gòu)示意圖參見圖3所示。

4.2 信息傳輸方案

4.2.1 數(shù)據(jù)落地

2016年，通過安徽省山洪災(zāi)害防治數(shù)據(jù)同步共享系統(tǒng)試點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，安徽省水利信息中心已建成省級水雨情統(tǒng)一采集軟件，天長市新建小型水庫雨水情自動監(jiān)測站點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過省級統(tǒng)一采集軟件落地到安徽省水利信息中心，并支持省級統(tǒng)一采集軟件遠(yuǎn)程升級通訊協(xié)議，遠(yuǎn)程設(shè)置站點(diǎn)采集頻度、P地址等參數(shù)，見圖4所示。

4.2.2 站點(diǎn)通信方式

自動監(jiān)測點(diǎn)與省中心平臺的通信方式優(yōu)先采用無限公網(wǎng)，包括GPRS通信、GSM通信，無線公網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)或有特殊要求的站點(diǎn)可選用衛(wèi)星等通訊方式。

4.2.3 站點(diǎn)通信協(xié)議

自動監(jiān)測站點(diǎn)的傳感器（水位計、雨量計）與RTU遙測終端的接口及通信協(xié)議、自動監(jiān)測站與省中心平臺之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議要嚴(yán)格按照《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》執(zhí)行，要求與現(xiàn)有接入系統(tǒng)兼容，通信協(xié)議滿足已有通信規(guī)約。

4.3 供電方案

天長市雨情自動監(jiān)測站點(diǎn)供電設(shè)計的原則是“連續(xù)陰雨天工作時間須不少于30天”。各個監(jiān)測站采用“太陽能+蓄電池直流浮充”供電方式。在日照期間太陽能給蓄電池充電，在夜間或連續(xù)陰雨期間使用蓄電池儲存的電能。電源模塊需要可靠的防雷設(shè)計，有效避免從電源回路引入的雷擊信號。供電系統(tǒng)的電池電壓情況定期通過RTU報送到中心站，便于管理人員掌握運(yùn)行狀態(tài)信息。

4.4 防雷接地方案

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則》等國家有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測站周圍環(huán)境因素、設(shè)備對雷電電磁脈沖的抗擾度以及測站設(shè)備的重要性，應(yīng)綜合采取外部防雷和內(nèi)部防雷等措施，最大限度降低雷擊事故可能造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失。

方案可分為外部防雷方案和內(nèi)部防雷方案，外部防雷主要防直擊雷對檢測站造成的損壞，主要避免裝置包括避雷針、引下線和接地體三部分。在監(jiān)測站頂端架設(shè)避雷針，使監(jiān)測站所有設(shè)備都安裝在低于避雷針45°角度的保護(hù)范圍內(nèi)，引下線采用導(dǎo)電較好的熱鍍鋅鋼管。內(nèi)部防雷主要防止感應(yīng)雷和落地雷對監(jiān)測站造成的損壞。采取的措施有：所有傳感線纜、電子設(shè)備均由PVC絕緣層實(shí)現(xiàn)與直擊雷防護(hù)系統(tǒng)之間的隔離，對設(shè)備安裝位置和安裝方式進(jìn)行改進(jìn)，盡量減少線的長度。信號線纜與RTU設(shè)備連接端應(yīng)安裝信號避雷器，避免信號線纜引入雷電的侵害。

4.5 數(shù)據(jù)報送方案

可以采用自報式，根據(jù)量級和需求由中心設(shè)定自報時間，在自動監(jiān)測站設(shè)備控制下可采用增量自報、定時自報以及限時自報三種方式，也可為查詢、應(yīng)答式，由監(jiān)測中心設(shè)定自動定時巡測或隨機(jī)召測，自動監(jiān)測站自動響應(yīng)。自動監(jiān)測站接受監(jiān)測中心的查詢，能實(shí)時采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)送給監(jiān)測中心。定時自動巡測的時間間隔，可根據(jù)數(shù)據(jù)處理和預(yù)報作業(yè)的需要來確定[2]。

5 ? ?站點(diǎn)設(shè)施建設(shè)要求

自動水位監(jiān)測站點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在岸邊順直、水位代表性好，不易淤積，主流不易改道的位置，應(yīng)避開回水和受水工建筑物影響的地方。每個自動水位監(jiān)測站點(diǎn)增設(shè)水尺樁或直讀式水尺，可以在現(xiàn)場直觀地觀測水位，并在水尺樁附近設(shè)置校核水準(zhǔn)點(diǎn)2個。站點(diǎn)建成后要有防破壞、防攀爬、防溺水等指示標(biāo)志及措施。

雨水情自動監(jiān)測站點(diǎn)的建設(shè)，根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，主要有標(biāo)準(zhǔn)井式自動水位站、簡易島式自動水位站、棧橋式自動水位站、依附式自動水位站等幾種安裝方式。經(jīng)對天長市本次新建水位站現(xiàn)場勘測，建設(shè)方式采用簡易島式和棧橋式。

5.1 監(jiān)測環(huán)境要求

外部環(huán)境要求水位監(jiān)測設(shè)施周邊20 m范圍內(nèi)不得有高桿作物、樹木等，內(nèi)部要求儀器集成室內(nèi)（空間）儀器儀表布局簡潔、布線規(guī)范，既便于運(yùn)行維護(hù)，又要有序美觀。儀器保護(hù)箱必須滿足防銹要求，標(biāo)注“安徽省小型水庫水情自動測報”字樣。安裝集成要杜絕斜線、空中懸線、地面鋪線、裸露接線等情況。

5.2 水位監(jiān)測量程要求

水庫水位基面必須與水庫建筑物基面一致，水位監(jiān)測量程既要滿足防汛需要，又要滿足干旱水源評價需要。水位計最低可測水位需在死水位以上0.1～1.0 m;當(dāng)歷史最低水位，低于死水位時，水位計最低可測水位需在歷史最低水位以下0.1 m。水位計最高可測水位為水庫壩高以上0.2 m。浮子式水位計碼盤上浮子與平衡錘之間的循環(huán)鋼繩長度：L=H+2h+0.3。循環(huán)鋼繩的長度設(shè)置原則是：水位為最低可測水位時，浮子不擱淺，平衡錘上沿不受限;水位為最高可測水位時，平衡錘不擱淺，浮子上沿不受限。

5.3 監(jiān)測并防淤積要求

棧橋式簡易井可在底部管壁上開0.3×0.4 m活動窗口，利用吸沙泵清淤。島式鑒于井管承重因素，在引管上部1m處布設(shè)輔助引管。

5.4 監(jiān)測井勘測要求

斷面勘測是小型水庫水位自動監(jiān)測量程確定的前期條件，水庫斷面勘測有別于河道大斷面，側(cè)重于監(jiān)測井位置的高程與既有放水涵閘底部高程、水庫大壩壩頂高程、溢洪道堰頂高程以及水庫特征水位之間的關(guān)系。

斷面勘測的跡線視情分兩種：（1）當(dāng)井管依附于放水涵構(gòu)筑物時，如圖5（a），以放水涵棧橋方向?yàn)檑E線（一般垂直于水庫大壩軸線），從壩頂開始到水下，并勘測壩頂高程、溢洪道堰頂高程、放水涵底高程，同步標(biāo)注歷史最低水位、死水位。放水涵無棧橋時，以井管位置與大壩軸線垂直投影為跡線。（2）當(dāng)建設(shè)棧橋式時，如圖5（b）直接以棧橋方向?yàn)檑E線，斷面跡線未與大壩軸線相交時，圖中仍需標(biāo)注大壩壩頂高程、溢洪道堰頂高程、放水涵底高程，同步標(biāo)注歷史最低水位、死水位;簡易島式自動水位站類同。

6 ? ?結(jié)語

隨著天長市經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，城市影響力的逐漸擴(kuò)大，建設(shè)文明城市的深入展開，且由于其特殊的地理位置，局部災(zāi)害年年發(fā)生，更加凸顯建設(shè)小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)的重要性。本系統(tǒng)將遙測站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息中心結(jié)合，為天長市各級防汛抗旱以及防洪治澇工程體系提供了科學(xué)依據(jù)。此類雨情系統(tǒng)改變了人工觀測的現(xiàn)狀，安全穩(wěn)定、技術(shù)可靠、功能齊全、便捷高效。而將遙感與計算機(jī)技術(shù)等應(yīng)用于水利建設(shè)已成為行業(yè)的一大趨勢，且網(wǎng)絡(luò)時代的雨情預(yù)報也將會給人類帶來巨大的好處[3]。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐有為.中小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)分析[J].計算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（10）：260-262.

[2] 陳清.馬尾區(qū)洪水預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)狀及分析建設(shè)探析[J].海峽科學(xué)，2017（7）：64-66.

[3] 熊春茂，王云鵬，郭益國.河北省小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)探索[J].中國水利，2017（8）：17-18.