高頻微波鏈路測水新技術應用研究

鄒明忠

（江陰市江堤閘站管理中心，江蘇無錫 214400）

近年來，降水的不規(guī)律性，導致暴雨頻發(fā)、城市內澇、山洪災害等問題頻發(fā)，對政府防洪抗?jié)程岢隽酥T多挑戰(zhàn)。研究應用具有“快、精、準”的新一代降水監(jiān)測技術，有利于針對不同情形的降水狀況及時做出科學應對措施，最大程度保障人民生命財產(chǎn)安全。

1 降水監(jiān)測技術現(xiàn)狀

降水監(jiān)測對于防汛水文、氣象播報、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、預防自然災害等方面都具有極大意義。目前常用的監(jiān)測方法主要有：雨量計、測水雷達、衛(wèi)星遙感。

雨量計是目前水利、氣象等行業(yè)中降水監(jiān)測最常使用的設備，能夠對某一區(qū)域一段時間的單點雨量進行監(jiān)測。目前常用的雨量計為翻斗式，只有當降水量達到雨量計最小翻轉雨量時，雨量計才會翻轉進行報送一次。對于雨量較小的情況，可能需要較長一段時間的降水累計才能翻轉一次，導致無法表示該段時間的降水狀況，而且雨量計對安裝選址有規(guī)范性要求，易受外界雜質的影響，人工定期維護成本較高、特別是山區(qū)等地區(qū)的運維難度更大。測水雷達是探測一定空間范圍內的降水強度分布和總降水量。測水雷達主要利用外推圖進行降水監(jiān)測，能夠較好地實現(xiàn)區(qū)域遙感監(jiān)測。測水雷達受一些復雜地形及地球曲徑的影響，監(jiān)測的降水區(qū)域數(shù)據(jù)與實際降水數(shù)據(jù)會產(chǎn)生精度偏差。另外雷達外推需要一定的時間，且測水雷達安裝選址與建造成本高，需要專業(yè)的運維人員，不易遷移導致靈活性缺失［1-2］。

衛(wèi)星遙感是具有全球性降水監(jiān)測功能，采用了輻射測量等技術，通過算法反演出能反映降水的相關數(shù)據(jù)。相比于測水雷達，衛(wèi)星遙感能夠實現(xiàn)更大范圍的監(jiān)測，但僅于國家層面使用、數(shù)據(jù)回傳時間長，在小區(qū)域的降水監(jiān)測精度不如測水雷達且極易受云層干擾，數(shù)據(jù)精度不高，需要其他降水數(shù)據(jù)源進行補充或修正［3-4］。

2 基于高頻微波鏈路的降水監(jiān)測技術

基于高頻微波鏈路的降水監(jiān)測技術通過對微波鏈路進行組網(wǎng)、晴雨區(qū)分、反演算法、計算得出線平均雨量，最后形成監(jiān)測區(qū)域的二維降水場。

2.1 組網(wǎng)方案

對于降水監(jiān)測區(qū)域，微波鏈路組網(wǎng)主要分為線雨量監(jiān)測與面雨量監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域內監(jiān)測精度和時空分辨率的要求，通過合理的組網(wǎng)方式（如交叉、平行、相交等），降低微波鏈路的組網(wǎng)成本；進行規(guī)劃頻率盡可能減少干擾，提高組網(wǎng)質量。

2.1.1 線雨量監(jiān)測組網(wǎng)

在流域、鐵路、公路等線雨量監(jiān)測場景，優(yōu)先采用折線組網(wǎng)方式，也可以采用沿線組網(wǎng)的方式，特殊應用場景下，采用交叉組網(wǎng)（圖1）。

圖1 線雨量監(jiān)測組網(wǎng)

2.1.2 面雨量監(jiān)測組網(wǎng)

在城鎮(zhèn)、湖面、山區(qū)等面雨量監(jiān)測場景下，對區(qū)域進行網(wǎng)格化，按照網(wǎng)格的方式進行鏈路組網(wǎng)（圖2）。網(wǎng)格需采用相同的組網(wǎng)方式，且部署的鏈路相對規(guī)整，可滿足區(qū)域的組網(wǎng)要求。采用交叉組網(wǎng)的方式，保證2條高頻微波鏈路的高度離散性，增強空間代表性，并提高網(wǎng)格內的降水監(jiān)測精度。

圖2 面雨量監(jiān)測組網(wǎng)

在2條鏈路交叉組網(wǎng)的前提下，在網(wǎng)格內部署更多的鏈路，進一步提高監(jiān)測精度和空間分辨率。

2.2 晴雨區(qū)分

高頻微波鏈路通過發(fā)射端發(fā)射信號接收端接收信號，獲取微波鏈路實時電平值變化情況，采用深度學習中的長短期記憶（LSTM）方法，根據(jù)微波鏈路的電平值時序變化情況，對鏈路所在區(qū)域的天氣情況進行晴雨判別。

2.3 線雨量反演

在晴雨判別的基礎上，高頻微波鏈路利用鏈路之前時段的電平值變化情況，計算出微波鏈路的基值，通過當前鏈路的信號強度減去基值，獲取所需衰減量，然后根據(jù)鏈路衰減與雨強之間的對應關系，得到鏈路實時線雨量。

2.4 二維降水場構建

基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測是利用監(jiān)測區(qū)域內的多條微波鏈路線雨量，通過反距離權重插值法，計算出每個網(wǎng)格格點的降水量，通過網(wǎng)格點之間的不同降水量，構建出區(qū)域實時二維降水場。如圖3所示，在圖中共有16個網(wǎng)格，將每個網(wǎng)格左上角格點記作C1，C2，…，C16，同時將鏈路均勻劃分成n端，劃分好的鏈路每個端點都為鏈路雨強。隨后根據(jù)每個格點到鏈路距離的優(yōu)先級，利用雨強計算公式，計算出每個網(wǎng)格格點雨強，從而反演出區(qū)域面雨量。

圖3 格點雨量計算

以江陰市為例，首先獲取一個包含江陰市的矩形邊界，將矩形劃分成8 255個網(wǎng)格，同時鏈路按照0.3 km的精度進行劃分。目前基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測的空間分辨率為0.5 km×0.5 km，微波鏈路的電平值是能夠實時獲取的，網(wǎng)格格點的雨強時間分辨率為分鐘級，降水監(jiān)測精度可達到0.1 mm。

3 與不同降水監(jiān)測方式的數(shù)據(jù)對比

選取實際降水時的過程進行數(shù)據(jù)對比，分別通過與江陰市高頻微波鏈路附近的雨量計、雨滴譜儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，蘇州楓橋水文局公布的數(shù)據(jù)、中國氣象局氣象雷達監(jiān)測的降水數(shù)據(jù)進行對比。

3.1 江陰高頻微波鏈路測水數(shù)據(jù)與臨近雨量計、雨滴譜儀降水監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

選取江陰39編號高頻微波鏈路與臨近的雨量計、雨滴譜儀進行數(shù)據(jù)對比。39編號鏈路于2021年9月13日反演降水時間段為15：59至16：46，3個雨量計中反應最早以及最晚翻轉的雨量計時間為16：00和16：36，雨滴譜儀降水時間段為15：58至16：36，降水數(shù)據(jù)如圖5所示。源泰科技雨量計與凱潤國際雨量計精度為0.5 mm，這兩處雨量計累計雨量均為1.5 mm；天福世紀廣場雨量計精度為0.2 mm，累計雨量為2.2 mm；雨滴譜儀累計雨量為1.76 mm，微波鏈路反演累計雨量為3.2 mm。通過雨量計的數(shù)據(jù)對比可以看出，雨量分布并非均勻的，呈現(xiàn)由北往南逐漸減小的趨勢，同時雨量計由于得達到一定刻度才會翻轉，而微波測水監(jiān)測的為線雨量，故存在一定空間誤差。

3.2 蘇州高頻微波鏈路測水數(shù)據(jù)與臨近蘇州楓橋水文局降水數(shù)據(jù)對比

選取在蘇州楓橋水文局區(qū)域架設的2條高頻微波鏈路測水數(shù)據(jù)，與2021年9月12日蘇州降水數(shù)據(jù)進行對比。表1是楓橋水文局對外公布的降水數(shù)據(jù)，84、85編號高頻微波鏈路監(jiān)測所得降水數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比，84、85編號高頻微波鏈路的線雨量分別41.8 mm與20.6 mm，由于區(qū)域降水呈不均勻現(xiàn)象，所以兩條鏈路存在差距，但兩條鏈路的平均線雨量為31.2 mm，與水文局公布的累計降水數(shù)據(jù)33 mm誤差為5.5%，相差較小。

表1 蘇州楓橋水文局與鏈路降水數(shù)據(jù)對比 單位：mm

3.3 江陰區(qū)域高頻微波鏈路測水數(shù)據(jù)與中國氣象局對應降水區(qū)域數(shù)據(jù)對比

中國氣象局的降水監(jiān)測是通過氣象雷達對全國降水情況進行監(jiān)測，監(jiān)測區(qū)域廣泛，空間分辨率為5 km×5 km，降水圖是利用micaps4文件獲取全國數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)清洗等方式，定位到江陰，將雷達監(jiān)測降水數(shù)據(jù)映射到地圖上，與高頻微波鏈路測水獲得的二維降水場進行對比。

圖4 9月13日鏈路、雨量計、雨滴譜儀降水數(shù)據(jù)

雷達監(jiān)測降水圖與高頻微波鏈路降水圖均選取了2021年7月15日16時和17時數(shù)據(jù)，中國氣象局監(jiān)測降水數(shù)據(jù)與高頻微波鏈路測水數(shù)據(jù)兩者之間累計降水量存在一定差異，同時高頻微波鏈路測水監(jiān)測到的降水區(qū)域為江陰城區(qū)東部，而中國氣象局監(jiān)測到的降水區(qū)域為江陰城區(qū)西部，且兩者監(jiān)測到的累計降水量、面雨量趨勢以及降水區(qū)域亦存在差異。

4 應用意義

4.1 提高降水監(jiān)測精度

基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測利用降水時雨滴對微波鏈路造成的鏈路衰減來進行降水反演計算，可以實時獲取鏈路線雨量及區(qū)域降水動態(tài)變化。同時由于鏈路部署依托于通信基站，鏈路主要監(jiān)測近地表降水量，相比于氣象衛(wèi)星與測水雷達，在針對小區(qū)域降水監(jiān)測時，基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測會更加精準。

4.2 降低城市內澇風險

目前我國城市氣象預測多是大區(qū)域整體監(jiān)測和預報，精準性不高，對城市強降水預報相對不準確。在強降水預測時，多是依據(jù)大氣科學理論，以各種氣象探測手段為基礎，依靠預報人員的綜合判斷分析預測，導致預報結果與實際降水存在較大差距且信息傳遞不及時。由于數(shù)據(jù)發(fā)布不及時，對水患及水情認識不清，造成錯誤判斷，引發(fā)嚴重后果。而網(wǎng)格化實時精準的監(jiān)測近地表降水量，結合城市地形、地下管網(wǎng)排水能力，能夠提前給防汛部門發(fā)出區(qū)域被淹預警，防汛部門做出應對措施，從而降低財產(chǎn)損失。

4.3 提高山洪災害預警

不同地形對暴雨形成災害的影響是不同的。高原和山地由于阻擋作用，常常會形成繞流和爬流等，易引發(fā)暴雨。暴雨會引發(fā)山洪暴發(fā)、江河泛濫、堤壩決口，給人民和國家造成重大經(jīng)濟損失。目前降水監(jiān)測主要利用雨量計、天氣雷達等專用測水儀器，但這些儀器存在較為明顯的限制條件。采用高頻微波鏈路測水的方法，其分布密度更加廣泛，能夠在雨量計、天氣雷達等無法架設的地方成為一種有效的降水測量手段。通過利用微波的衰減從而反演雨滴形狀、降水類型、降水強度等指標，這種結果直接作用于地表真實降水，反演結果代表性高，而且可以在較大范圍內以較高精度實時監(jiān)控。

4.4 推動水文技術發(fā)展

目前水文行業(yè)降水監(jiān)測主要利用雨量計、天氣雷達以及遙感衛(wèi)星。這些技術手段在實時性和空間性方面存在一定的缺陷，而基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測能夠對上述技術缺陷進行較好的補充。同時基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測主要監(jiān)測近地表降水，其數(shù)據(jù)與天氣雷達和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)

（1）通常先將肥皂水涂抹在電動機機械密封表面。

（2）用空壓機將空腔緩慢注入壓縮空氣，空腔壓力不超過揚程的1.5倍，不超過0.2 MPa，目前薛家泓出海泵閘按照0.2 MPa進行氣密性試驗。

（3）停止加氣，觀察機械密封表面是否有氣泡，沒有氣泡繼續(xù)等待30 min，觀察壓力是否降低，壓力降低說明機械密封安裝失敗，壓力正常說明機械密封完好。

4 機械密封故障監(jiān)測

結合泵站智能化管理和檢修實踐，針對上述密封故障，提出以下故障監(jiān)測方法。

4.1 非植入式監(jiān)測手段

非植入式檢測手段是在不改變機械密封結構測量從外部獲得的物理量（壓強、溫度或油的成分），來判斷機械密封是否損壞。根據(jù)薛家泓出海泵閘維修養(yǎng)護需求，編制潛水泵油室擬改造計劃，主要是通過在油室中安裝在線油中水分檢測儀，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，利用軟件分析油中水分是否改變，從而監(jiān)測機械密封是否發(fā)生故障。

4.2 植入式監(jiān)測手段

植入式監(jiān)測手段是將傳感器直接安裝到機械密封結構內部并傳出獲得的電子信號，或利用新的結構將機械密封內部的某個物理特征（密封環(huán)溫度、密封膜壓和摩擦副聲發(fā)射）“引出”到密封外進行測量［4］。目前主流市場存在以下幾種典型監(jiān)測手段：熱電偶測溫、電渦流測位移、電容測膜厚和摩擦聲發(fā)射監(jiān)測。

5 結語

大型水泵機械密封泄漏的原因有很多，包括設計、制造、選型或裝配不當以及在運行中受介質中細小顆粒沖刷的影響［5］。水泵在運行過程中的振動、同心度、撓度的偏差，對機械密封端面造成沖擊，產(chǎn)生磨損、熱裂等問題，一旦發(fā)生泄漏，油室進水就會影響到水泵的推力軸承的潤滑、冷卻，造成軸承的損壞，如果油室與電機室之間的機械密封發(fā)生泄漏，水進入電機室，就會引起線圈短路及其他電氣故障。為便于查找機械密封的泄漏原因，擬計劃增設油中水分檢測儀，及時發(fā)現(xiàn)機械密封故障。機械密封故障具體原因需要在長期運行管理、維修保養(yǎng)或周期性大修的基礎上，對泄漏現(xiàn)象進行歸納分析，對解體的零部件進行觀察分析，才能得出正確結論。合理選型以及正確規(guī)范地安裝機械密封，是潛水泵安全、高效運行的保證。