一種便攜水雨情應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝置

曹子聰， 李林興， 王晨光

(1.江蘇南水水務(wù)科技有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210012； 3.天津特利普爾有限公司， 天津 300000)

近年來，我國(guó)突發(fā)自然災(zāi)害頻發(fā)，導(dǎo)致全國(guó)范圍內(nèi)突發(fā)公共水事件日益增多，如，2008年5月四川汶川地震唐家山堰塞湖，2009年2月西藏林芝雅魯藏布江古玉山體滑坡，2017年8月西藏多地受持續(xù)性降雨影響，相繼發(fā)生洪澇、泥石流災(zāi)害等，這些突發(fā)公共水事件對(duì)社會(huì)公共安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅；由于全國(guó)多地特殊地理環(huán)境等因素，原有觀測(cè)站點(diǎn)不能滿足迅速監(jiān)測(cè)的要求，為了能及時(shí)掌控受災(zāi)地區(qū)水雨情狀況，迫切需要開發(fā)研究一種新的水雨情一體化監(jiān)測(cè)裝置，以滿足應(yīng)對(duì)突發(fā)公共水事件對(duì)水文部門迅速啟動(dòng)應(yīng)急水文監(jiān)測(cè)的要求。為及時(shí)開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)，有效實(shí)時(shí)救援，減少次生災(zāi)害損失以及災(zāi)后恢復(fù)等提供有力的數(shù)據(jù)支撐[1-2]。

1 適用條件與要求

1.1 適用條件

本設(shè)計(jì)主要用于雨量、水位的應(yīng)急監(jiān)測(cè)，其中雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，其中雨量分辨率可選配0.1 mm、0.2 mm、0.5 mm、1.0 mm 4種規(guī)格，降雨計(jì)量精度有雨量傳感器精度決定；水位測(cè)量主要采用氣泡式水位計(jì)與陶瓷電容式壓力水位計(jì)2種，其中量程最長(zhǎng)可達(dá)100 m。安裝固定無須使用借助任何水泥墩與基面，運(yùn)用周圍重物如石塊壓在可旋轉(zhuǎn)的支撐腳上即可完成機(jī)箱的臨時(shí)固定，如想長(zhǎng)期觀測(cè)也可利用支撐腳安裝孔與斜拉索對(duì)設(shè)備進(jìn)行加固。

1.2 整體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)說明

1.2.1 整體結(jié)構(gòu)

應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝置主要由機(jī)箱、水雨情傳感器、控制終端、通信設(shè)備、供電系統(tǒng)、安裝支架、外包裝組成,見圖1。其中控制終端、通信設(shè)備與供電系統(tǒng)一部分掛負(fù)在機(jī)箱外部，另一部分安裝在機(jī)箱內(nèi)部，雨量計(jì)安裝在機(jī)箱頂部，水位傳感器如采用氣泡水位計(jì)則主體部分安裝在機(jī)箱內(nèi)部，氣管投入水中，采用壓力式水位計(jì)則直接投入水中。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成并啟動(dòng)工作后，可采用北斗衛(wèi)星和手機(jī)短信2種通訊方式將數(shù)據(jù)實(shí)施上傳至中心平臺(tái)[3]。

1.2.2 特點(diǎn)說明

精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的一體化站房設(shè)計(jì)，便于山區(qū)步行搬運(yùn)或直升機(jī)運(yùn)輸，在保證裝置強(qiáng)度與可靠性的前提下，最大化利用空間并減輕裝置整體重量。

(1)簡(jiǎn)單牢固的運(yùn)輸包裝

整套裝置外包裝為2個(gè)IPV67的欄桿防護(hù)箱，其尺寸僅為750 mm×470 mm×350 mm，總重不超過20 kg。一個(gè)防護(hù)箱放置機(jī)箱，另一個(gè)則放置太陽能電池、雨量計(jì)、壓力水位計(jì)、衛(wèi)星天線與安裝支架等。

機(jī)箱采用高抗沖ABS注射成型，堅(jiān)固耐壓，使用溫度-20～60℃(可根據(jù)要求定制-40℃軍用級(jí))。封箱扣為單個(gè)注塑件，由尼龍注射而成，即受較大沖擊也不會(huì)脫落。防水條采用條狀發(fā)泡硅橡膠，使機(jī)箱具有極強(qiáng)的防塵、防水、防腐蝕性能，即使在惡劣環(huán)境也能有效保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。機(jī)箱內(nèi)部配有專用海綿，以便設(shè)備整齊有序的放置在防護(hù)箱里，將震動(dòng)、跌落對(duì)儀器設(shè)備的沖擊減小到最低。

(2)精簡(jiǎn)的機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱采用上下分隔式，上層為控制元件、通訊模塊等，下層為電池與衛(wèi)星天線日常存放，見圖2。其中為充分利用機(jī)箱縱向空間，將上層安裝設(shè)計(jì)成2層安裝板，底層放置氣泡水位計(jì)、充電控制器等無須操作與顯示的部件，上層則安裝GPRS通訊模塊和控制終端，同時(shí)將控制終端顯示屏與按鍵移至機(jī)箱門上，以方便操作者進(jìn)行操作。

為保證應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性與人員的生命，要求裝置能在不依賴任何工具情況下，徒手完成裝置的安裝調(diào)試，且耗時(shí)較少，牢固可靠。

裝置整體安裝均采用M6與M8的手?jǐn)Q與蝶形螺釘，用手即可將支架、機(jī)箱與傳感器三者間固定牢固。機(jī)箱內(nèi)部線都預(yù)先接好，外部線如太陽能電池、水雨情傳感器、衛(wèi)星等需安裝的部件均采用接插件形式聽過插拔進(jìn)行安裝。整體安裝調(diào)試過程不需要使用任何規(guī)格型號(hào)起子與扳手即可使儀器固定并工作，設(shè)備整體安裝時(shí)間不超過3 min。

太陽能電池支架設(shè)計(jì)主要從便捷性與牢固2個(gè)方面考慮，其由2種1.5 mm厚不銹鋼折彎條構(gòu)成。支架甲與太陽能電池預(yù)先用緊固件固定，其頭部焊接有固定彎角，彎角角度為120°，可保證太陽板與水平成60°布置。支架用乙緊固件固定在前支架底部，可靈活旋轉(zhuǎn)，支架底部有開槽，供卡在機(jī)箱底部緊固件上收緊固定，這樣使太陽能電池形成四點(diǎn)支撐，固定牢固，裝卸方便。支架與太陽能電池形成整體，現(xiàn)場(chǎng)安裝只需掛在機(jī)箱側(cè)面即可，用2個(gè)緊固件擰緊。

雨量計(jì)安裝固定設(shè)計(jì)主要考慮如單獨(dú)在機(jī)箱周圍固定還需要專門基礎(chǔ)，且延長(zhǎng)線過長(zhǎng)且不美觀，所以采用安裝在機(jī)箱頂部方式，既保證降雨計(jì)量不受影響，同時(shí)儀器整體性得到保障。

衛(wèi)星天線固定設(shè)計(jì)從衛(wèi)星傳輸角度考慮要盡量抬高其安裝高度，所以安裝在雨量計(jì)側(cè)方，當(dāng)需要調(diào)整天線方向時(shí)可通過調(diào)整機(jī)箱朝向來實(shí)現(xiàn)，天線整體安裝高度略低于雨量計(jì)承雨器口沿，在不影響雨量計(jì)計(jì)量精度的前提下提高衛(wèi)星天線線號(hào)強(qiáng)度。其支架設(shè)計(jì)采用不銹鋼焊接的轉(zhuǎn)接頭、延長(zhǎng)桿與安裝板構(gòu)成，安裝板上焊有加強(qiáng)筋以保證天線安裝強(qiáng)度，轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部加工與衛(wèi)星天線座相匹配的英尺螺紋，底部是中空的延長(zhǎng)桿，其內(nèi)徑與衛(wèi)星插頭相匹配，可將整個(gè)天線引線穿過其中接入機(jī)箱內(nèi)部固定，整體美觀大方，又能起到保護(hù)引線的作用，見圖3。

1.2.3 通訊方式的選擇和信號(hào)的保證

太陽能電池板的安裝設(shè)計(jì)主要從便捷性與牢固2個(gè)方面考慮，其特制安裝支架由2種1.5 mm厚不銹鋼折彎條構(gòu)成，一種支架與太陽能電池預(yù)先用緊固件固定在太陽能電池上，其頭部焊接有專用彎角，彎角角度為120°，可保證太陽板與水平成60°布置。另一種支架用緊固件固定在前支架底部，可靈活旋轉(zhuǎn)，支架底部有開槽，供卡在機(jī)箱底部緊固件上收緊固定，這樣使太陽能電池形成四點(diǎn)支撐，固定牢固，裝卸方便。支架與太陽能電池形成整體，現(xiàn)場(chǎng)安裝只需掛在機(jī)箱側(cè)面即可，用2個(gè)緊固件擰緊即可。

雨量計(jì)安裝固定設(shè)計(jì)主要考慮如單獨(dú)在機(jī)箱周圍固定還需要專門基礎(chǔ)，且延長(zhǎng)線過長(zhǎng)且不美觀，所以采用安裝在機(jī)箱頂部方式，既保證降雨計(jì)量不受影響，同時(shí)儀器整體性得到保障。

衛(wèi)星天線固定設(shè)計(jì)從衛(wèi)星傳輸角度考慮要盡量抬高其安裝高度，所以安裝在雨量計(jì)側(cè)方，當(dāng)需要調(diào)整天線方向時(shí)可通過調(diào)整機(jī)箱朝向來實(shí)現(xiàn)，天線整體安裝高度略低于雨量計(jì)承雨器口沿，在不影響雨量計(jì)計(jì)量精度的前提下提高衛(wèi)星天線線號(hào)強(qiáng)度。其支架設(shè)計(jì)采用不銹鋼焊接的轉(zhuǎn)接頭、延長(zhǎng)桿與安裝板構(gòu)成，安裝板上焊有加強(qiáng)筋以保證天線安裝強(qiáng)度，轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部加工與衛(wèi)星天線座相匹配的英尺螺紋，底部是中空的延長(zhǎng)桿，其內(nèi)徑與衛(wèi)星插頭相匹配，可將整個(gè)天線引線穿過其中接入機(jī)箱內(nèi)部固定，整體美觀大方，又能起到保護(hù)引線的作用。

2 應(yīng) 用

裝置整體安裝均采用手?jǐn)Q與蝶形螺釘，接線均采用插拔形式，整體安裝調(diào)試過程不需要使用任何規(guī)格型號(hào)起子與扳手即可使儀器固定并工作，設(shè)備整體安裝時(shí)間不超過3 min，架設(shè)迅速，安裝牢固，拆卸方便，特別適宜爭(zhēng)分奪秒的應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中使用。

雨量計(jì)與衛(wèi)星天線用蝶形螺釘固定在機(jī)箱頂部，并將信號(hào)線通過機(jī)箱側(cè)面水接口穿入箱體內(nèi)部用插頭與控制器相接。

將太陽能電池部件頭部2個(gè)彎角插入箱體側(cè)面焊接的掛耳處，同時(shí)將部件側(cè)面小支架放平扣入機(jī)箱底部手?jǐn)Q螺釘位置，并將手?jǐn)Q螺釘擰緊以固定。

底部彎角提供2種固定方式，一是運(yùn)用彎角底部安裝孔用膨脹螺釘固定。二是運(yùn)用重物壓在彎角上起到臨時(shí)固定，并可利用機(jī)箱頂部雨量計(jì)彎角拉牽引加固。

通過便攜水雨情應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用，可滿足水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)需要，有效實(shí)時(shí)救援，減少次生災(zāi)害損失以及災(zāi)后恢復(fù)等提供有力的數(shù)據(jù)支撐[4]。

3 結(jié) 語

這種水雨情便攜應(yīng)急監(jiān)測(cè)機(jī)箱在充分吸收以往應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的特殊性，不使用任何其他輔助工具就能完成設(shè)備的安裝和使用，在有限是空間下盡量減輕裝置重量和大小，提高裝置的便攜性與通用性，以便設(shè)備的推廣使用。本項(xiàng)產(chǎn)品已于2020年6月獲得實(shí)用新型專利《便攜式水雨情應(yīng)急監(jiān)測(cè)裝置》(專利號(hào)：ZL201922173344.3)一項(xiàng)。