小型水庫雨水工情標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)與實(shí)踐

丁言梅 賴冬英 宋 錘

(1.中國南水北調(diào)集團(tuán)水務(wù)投資有限公司，北京 100036；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；3.廣東智慧水云科技有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510635)

水庫承擔(dān)著防洪、供水、灌溉等功能，是保障地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。我國小型水庫多建于20世紀(jì)50—70年代，始建標(biāo)準(zhǔn)低，絕大多數(shù)由鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村集體管理，受歷史條件和投入不足等原因影響，存在管理設(shè)施短缺、病險(xiǎn)隱患突出等難題，制約小型水庫功能發(fā)揮。亟須實(shí)施小型水庫雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)項(xiàng)目，通過雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)、水庫信息數(shù)字化管理、納雨能力分析和流域聯(lián)合調(diào)度預(yù)演等技術(shù)手段，為小型水庫的安全運(yùn)行、防洪調(diào)度及領(lǐng)導(dǎo)決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，做好水庫安全管理，保障水庫良性運(yùn)行。小型水庫雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，測(cè)報(bào)設(shè)備的選擇和安裝是整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)的關(guān)鍵。

本項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)象為廣東省連州市33個(gè)小型水庫雨水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)及49個(gè)小型水庫(不包括紅巖水庫)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施完善，列入本次項(xiàng)目實(shí)施水庫的有1個(gè)中型、11個(gè)小(1)型及39個(gè)小(2)型水庫。包括32個(gè)小型水庫雨水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)升級(jí)(增加量水堰滲流量監(jiān)測(cè)，升級(jí)為“四要素”)及冷水洞水庫1座副壩、圍子水庫3座副壩增加量水堰滲流量監(jiān)測(cè)；中小型水庫大壩滲流壓力設(shè)施配套36個(gè)；中小型水庫(其中小型水庫21個(gè))大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)施配套22個(gè)；47個(gè)小型水庫(包括紅巖水庫)大壩或主壩全貌視頻監(jiān)測(cè)。小型水庫雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)施，推進(jìn)和規(guī)范了當(dāng)?shù)卦O(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理，提升了小型水庫信息化管理水平，為落實(shí)水庫預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案措施提供技術(shù)支撐，保障水庫安全運(yùn)行。

1 自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)目標(biāo)

測(cè)報(bào)設(shè)施是小型水庫雨水工情自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)，包括小型水庫雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施兩大部分，主要包括如下測(cè)報(bào)內(nèi)容：降水量和庫水位、入庫流量、預(yù)警和大壩變形、滲流監(jiān)測(cè)等。小型水庫測(cè)報(bào)設(shè)施選用技術(shù)成熟可靠的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，結(jié)合水庫現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件選擇通信和供電方式，主要工作目標(biāo)如下：實(shí)現(xiàn)小型水庫雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)以及小型水庫大壩滲壓自動(dòng)測(cè)報(bào)。

1.1 雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施目標(biāo)

要實(shí)現(xiàn)小型水庫雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)，需要在小型水庫配置降水量與庫水位一體測(cè)報(bào)的雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備設(shè)施，應(yīng)對(duì)水位測(cè)報(bào)、測(cè)報(bào)信息傳輸?shù)饶繕?biāo)進(jìn)行明確。配置小型水庫水位前端監(jiān)測(cè)設(shè)施，主要滿足防汛需要。

1.2 滲壓測(cè)報(bào)設(shè)施工作目標(biāo)

滲壓測(cè)報(bào)主要包括大壩浸潤(rùn)線、滲流量監(jiān)測(cè)。大壩浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)，每個(gè)水庫大壩設(shè)置不少于3個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，每個(gè)斷面布置不少于3支測(cè)壓管，通過測(cè)報(bào)大壩浸潤(rùn)線水位變化，分析大壩滲漏情況；大壩滲流量監(jiān)測(cè)，需要在壩體背水坡設(shè)置三角堰及其自動(dòng)測(cè)報(bào)裝置，及時(shí)反映大壩滲流量大小及其滲流顏色變化，以此判斷大壩滲漏險(xiǎn)情危重程度。

1.3 測(cè)報(bào)頻次及目標(biāo)

雨量、水位、滲壓監(jiān)測(cè)采用定時(shí)自報(bào)、加報(bào)與查詢-應(yīng)答報(bào)送相兼容的混合式報(bào)送方式。

1.3.1 自動(dòng)測(cè)報(bào)

時(shí)間間隔固定，無論監(jiān)測(cè)參數(shù)有無變化，均采集數(shù)據(jù)1次，其中，水位監(jiān)測(cè)設(shè)備每隔6min采集1次，滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)備每隔1h采集1次；每1h向省市兩級(jí)平臺(tái)發(fā)送1次，中心的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)24小時(shí)處在運(yùn)行值守狀態(tài)。

當(dāng)雨水工情參數(shù)發(fā)生變化量時(shí)，測(cè)報(bào)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)1次，并向中心發(fā)送。

1.3.2 自報(bào)、查詢—應(yīng)答結(jié)合式

采用自報(bào)、查詢—應(yīng)答結(jié)合式時(shí)，在遙測(cè)站定時(shí)報(bào)或加報(bào)時(shí)，測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心可以對(duì)遙測(cè)站建立通信鏈接，可以對(duì)遙測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置或召測(cè)。

1.3.3 人工觀測(cè)

人工觀測(cè)時(shí)，可根據(jù)巡檢終端上的APP程序或監(jiān)測(cè)平臺(tái)上的人工數(shù)據(jù)上報(bào)頁面進(jìn)行雨水情及大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)，其中降水量、庫水位監(jiān)測(cè)頻次原則上每日上午8點(diǎn)上報(bào)，當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)降雨、庫水位明顯變化，或遭遇大洪水、強(qiáng)地震、工程異常等特殊情況時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)報(bào)送頻次；滲透壓力監(jiān)測(cè)頻次原則上每月不少于4～2次，初蓄期或遭遇大洪水、強(qiáng)地震、工程異常等特殊情況時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)報(bào)送頻次。

1.4 視頻監(jiān)控目標(biāo)

在每座水庫的大壩至少建設(shè)2個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)，以監(jiān)視水庫狀態(tài)，采用太陽能供電、4G無線傳輸方式。實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、無線(4G)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)水庫無人值守下的水庫視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視。不受安裝環(huán)境條件限制，可以實(shí)現(xiàn)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2 主要設(shè)備選型

2.1 雨水情監(jiān)測(cè)設(shè)備

雨水情(雨量、水位)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸處理及資料整編，應(yīng)充分利用水利行業(yè)主管部門已使用的水文測(cè)驗(yàn)管理公共數(shù)據(jù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)遵循《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL 651—2014)相關(guān)規(guī)定，實(shí)現(xiàn)雨量、水位數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。采集信息包括數(shù)據(jù)所屬單位、設(shè)備編號(hào)、站名、數(shù)據(jù)值、設(shè)備溫度、數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)時(shí)鐘、電池電量、供電電壓、信號(hào)強(qiáng)度等內(nèi)容。

設(shè)備工作參數(shù)修改應(yīng)通過遠(yuǎn)程操作完成，設(shè)置完成應(yīng)回復(fù)操作者確認(rèn)信息。為便于隱蔽式安裝，監(jiān)測(cè)設(shè)備尺寸應(yīng)盡量小，功耗要盡量低。設(shè)備應(yīng)采用蓄電池和太陽能板聯(lián)合組成的電源供電系統(tǒng)。雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備包括翻斗式雨量計(jì)、浮子式水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)、遙測(cè)終端機(jī)、太陽能供電系統(tǒng)、避雷設(shè)施、立桿、機(jī)柜(或機(jī)箱)及安裝配件等。

2.1.1 翻斗式雨量計(jì)

承雨口內(nèi)徑：2000mm+0.60mm，外刃口角度40°～45°，刃口鋒利；承雨器：不銹鋼一體沖壓成型；分辨力：≤0.5mm；翻斗計(jì)量誤差：≤±4%；降雨強(qiáng)度測(cè)量范圍：0.01～4mm/min；輸出信號(hào)方式：干簧管/磁鋼式接點(diǎn)通斷信號(hào)，工作壽命50000次以上；可靠性指標(biāo)：平均無故障工作時(shí)間不小于40000h；筒體材質(zhì)：不銹鋼；與采集傳輸設(shè)備接口匹配，能夠完成整個(gè)過程的數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)報(bào)功能。

2.1.2 浮子式水位計(jì)

量程：0～40m(特殊訂貨：0～80m，根據(jù)實(shí)際情況選取)；最大水位變率：≤100cm/min；帶數(shù)值顯示；輸出形式：12bit格雷碼；分辨力：1cm；浮子直徑：150mm；平衡錘直徑：20mm；水位輪工作周長(zhǎng)：320mm；準(zhǔn)確度：≤10m量程時(shí)，±2cm，>10m量程時(shí)，≤0.2%FS；工作環(huán)境溫度：-10～50℃(測(cè)井水體不結(jié)冰)；設(shè)備平均無故障工作時(shí)間：MTBF≥25000h；相對(duì)濕度：≤95%(40℃無凝露)；與采集傳輸設(shè)備接口匹配，能夠完成整個(gè)過程的數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)報(bào)功能。

2.1.3 雷達(dá)式水位計(jì)

量程：0～30m(根據(jù)實(shí)際情況選取)；測(cè)量精度：1～3mm；分辨力：1mm；數(shù)據(jù)輸出：4～20mA/RS485；供電電源：直流12V；溫度范圍：-20～70℃；濕度范圍：0～90%(無凝露)；防護(hù)等級(jí)：IP67；與采集傳輸設(shè)備接口匹配，能夠完成整個(gè)過程的數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)報(bào)功能。

2.1.4 氣泡水位計(jì)

量程：0～60m(根據(jù)實(shí)際情況選取)；精度：±0.05%FS；分辨力：1mm/0.1mBar；測(cè)量間隔：5min～1h；輸出：RS485、4～20mA；存儲(chǔ)容量：≥15萬條；工作溫度：-20～60℃；工作濕度：10%～95%(無凝露)；保護(hù)等級(jí)：IP65；與采集傳輸設(shè)備接口匹配，能夠完成整個(gè)過程的數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)報(bào)功能。

2.2 滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

滲壓監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為壩體測(cè)壓管水位(浸潤(rùn)線)、繞壩滲流等。大壩滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)備主要由振弦式滲壓計(jì)/跟蹤式滲壓計(jì)、自動(dòng)采集單元(含立桿/支架及基礎(chǔ))、專用線纜、太陽能供電系統(tǒng)、避雷設(shè)施、戶外防水設(shè)備箱(柜)及安裝配件、滲壓觀測(cè)井等組成。

2.2.1 振弦式滲壓計(jì)設(shè)備選型

a.滲壓觀測(cè)井(滲壓管、鉆孔及基礎(chǔ))。每個(gè)壩體監(jiān)測(cè)斷面不少于3支測(cè)壓管。測(cè)壓管宜采用鍍鋅鋼管或硬塑料管，包括透水段和導(dǎo)管。導(dǎo)管兩端接頭處用外箍接頭相連(鍍鋅鋼管宜用外絲扣接頭)；透水段可采用導(dǎo)管或等直徑的透水石管制作，長(zhǎng)度2m，用臺(tái)鉆φ8鉆透水孔，孔間按照梅花狀錯(cuò)開分布，排列均勻和內(nèi)壁無毛刺，進(jìn)水管開孔率不小于10%，不留沉淀管段，外包兩層土工布或棕皮，用鍍鋅鉛絲或尼龍?jiān)鷰О?，透水段頂端與導(dǎo)管牢固相連；管底用60號(hào)氯丁橡膠止塞封堵。井口防護(hù)裝置定制。

b.振弦式滲壓計(jì)。振弦式滲壓計(jì)測(cè)量范圍：不小于等同于最大壩高水柱的壓強(qiáng)；分辨力：≤0.035%FS；精度：≤0.10%FS；過載能力：50%；測(cè)溫范圍：-20～80℃(見表1)。

表1 振弦式滲壓計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

2.2.2 跟蹤式滲壓計(jì)設(shè)備選型

a.滲壓觀測(cè)井(滲壓管、鉆孔及基礎(chǔ))。為留有足夠空隙，在壩體監(jiān)測(cè)測(cè)壓管填充封孔材料，測(cè)壓管內(nèi)徑小于50mm時(shí)，鉆孔直徑不宜小于100mm。造孔采用干鉆，嚴(yán)禁用泥漿固壁，為防止塌孔，可采用套管跟進(jìn)護(hù)壁。測(cè)壓管由透水管段和導(dǎo)管段組成。透水管段開孔率為10%～20%，外部包裹無紡?fù)凉た椢?。管底封閉，不留沉淀管段。下管前應(yīng)先在孔底填約10cm厚的反濾料。測(cè)壓管透水反濾段以上應(yīng)嚴(yán)密封閉，以防降水等干擾。封孔材料，采用高崩解性黏土球或膨潤(rùn)土球。管口保護(hù)裝置定制。

b.跟蹤式滲壓計(jì)。測(cè)量范圍：不小于等同于最大壩高水位；分辨力：≤0.1cm；測(cè)量誤差：不超過±1cm；測(cè)量回差:不超過±1cm；重復(fù)性誤差：不超過±1cm。

2.3 滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)備

滲流量監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)的是壩腳滲流量，通過修建集滲溝，布設(shè)量水堰(一般采用三角堰)及量水堰計(jì)來進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括磁致伸縮水位計(jì)、遙測(cè)終端機(jī)(含立桿/支架及基礎(chǔ))、專用線纜、太陽能供電系統(tǒng)、避雷設(shè)施、戶外防水設(shè)備箱(柜)及安裝配件、量水堰板等。系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至水雨情站點(diǎn)，再通過水雨情站點(diǎn)遙測(cè)終端RTU上傳數(shù)據(jù)到軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)接收前端各種傳輸方式傳輸回來的數(shù)據(jù)。

2.3.1 磁致伸縮水位計(jì)

傳感器由三部分組成：測(cè)桿、電路部件及浮球。工作時(shí)電路部件產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖，該脈沖沿著測(cè)桿內(nèi)的波導(dǎo)絲向下傳輸，并產(chǎn)生一下環(huán)形磁場(chǎng)。在測(cè)捍外配有一個(gè)浮球，浮球隨著水位的變化而上下浮動(dòng)，由于浮球內(nèi)裝有一個(gè)永久磁鋼所以浮球也同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)脈沖，扭轉(zhuǎn)脈沖沿著測(cè)桿回傳至電路部件，由電路部件測(cè)出發(fā)送電流脈沖與返回的扭轉(zhuǎn)脈沖的時(shí)間差計(jì)算出浮球的實(shí)際位置，從而得出水位。

量程：0～1000mm、0～1500mm、0～2000mm；分辨力：0.1mm；測(cè)量誤差：±1mm(±0.1%FS)；測(cè)量水位變率：>40cm/min；采樣頻率：≤100ms；浮子直徑：50mm；工作電壓：直流12V(工作電壓范圍：(-10%～20%)；平均工作電流：≤20mmA；工作環(huán)境： ∶-10℃～60℃(測(cè)井內(nèi)不結(jié)冰)；輸出接口：RS485，MODBUS協(xié)議；防護(hù)等級(jí)：IP65。

2.3.2 遙測(cè)終端機(jī)

定時(shí)自動(dòng)采集及傳輸水位、雨量、圖像等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間可任意設(shè)定；兼容GPRS/CDMA/4G/NB-IOT/LORA/WIFI/有線網(wǎng)絡(luò)/北斗衛(wèi)星通信(可選)等通信方式接入管理平臺(tái)，通過網(wǎng)關(guān)自組網(wǎng)，通過LORA中繼擴(kuò)大通信距離；具備接收其他監(jiān)測(cè)設(shè)備通過LoRa無線發(fā)來的數(shù)據(jù)并上傳服務(wù)器；支持一站多發(fā)功能，支持多中心通信，可同時(shí)與多個(gè)后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，支持4個(gè)中心通信轉(zhuǎn)發(fā)；數(shù)據(jù)采集通信接口：具備通用RS485通信接口，RS232接口；具有雨量、水位、圖像加報(bào)、實(shí)時(shí)圖像傳輸功能，加報(bào)門檻可任意設(shè)置；支持不小于2路實(shí)時(shí)圖像接入、液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、斷電及斷網(wǎng)續(xù)傳和數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)發(fā)功能，保證數(shù)據(jù)完整性；支持?jǐn)?shù)據(jù)字符與圖像疊加功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)圖片抓拍；支持大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，儲(chǔ)存5年以上的測(cè)站數(shù)據(jù)(最小時(shí)段5min)；支持遠(yuǎn)程、本地參數(shù)設(shè)置，遠(yuǎn)程、本地軟件更新、遠(yuǎn)程診斷、喚醒及維護(hù)；符合《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL 651—2014)全部檢測(cè)項(xiàng)目的要求(見表2)；工作溫度：-25～65℃；儲(chǔ)存溫度：-25～65℃；濕度：≤95%(40℃凝露)。

表2 滲流監(jiān)測(cè)站點(diǎn)配置清單

2.4 視頻監(jiān)視設(shè)備

水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)以低功耗視頻采集技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、無線(4G)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)水庫無人值守下的水庫視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視，為各級(jí)防汛指揮部門提供準(zhǔn)確、及時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)視頻，為防汛調(diào)度決策和抗洪搶險(xiǎn)、救災(zāi)指揮提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)，本系統(tǒng)主要由低功耗球形攝像機(jī)(4G)、蓄電池、太陽能板、避雷系統(tǒng)等設(shè)備組成，通過4G網(wǎng)絡(luò)將視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)杰浖脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)視和錄像回放、語音實(shí)時(shí)對(duì)講。由于采用低功耗設(shè)備集成，有效解決了小型水庫無電、無網(wǎng)環(huán)境下視頻監(jiān)視感知，不受安裝環(huán)境條件限制，可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)視(見表3)。

表3 視頻監(jiān)控站點(diǎn)配置清單

3 項(xiàng)目實(shí)施情況

3.1 雨水情監(jiān)測(cè)設(shè)施

本項(xiàng)目雨情與水情監(jiān)測(cè)設(shè)施共用水位計(jì)臺(tái)，水位計(jì)臺(tái)結(jié)構(gòu)和工作方式為直立式，建筑材料采用金屬管材。測(cè)井井壁垂直，測(cè)井口應(yīng)高于實(shí)測(cè)最高水位0.5m以上，測(cè)井底低于實(shí)測(cè)最低水位0.5m以上。水位計(jì)臺(tái)建設(shè)在能測(cè)到水庫死水位的地點(diǎn)。

水位計(jì)井筒整體為圓形，法蘭連接處應(yīng)優(yōu)先采用圓形。不論井筒采用何種斷面形狀，均應(yīng)保證安裝在此水位觀測(cè)井上的浮子式水位計(jì)的浮子距井壁距離在7.5cm以上，平衡錘離井壁也應(yīng)有7.5cm以上的距離。支架頂部設(shè)避雷針，基礎(chǔ)設(shè)防雷接地體，接地電阻不大于4Ω。

3.1.1 鋼管式水位計(jì)臺(tái)

鋼管式水位計(jì)臺(tái)布置在水庫大壩迎水坡內(nèi)，由井筒、工作平臺(tái)、儀器保護(hù)裝置等部分組成(見圖1)。鋼管嵌入河底混凝土基礎(chǔ)，浮子水位計(jì)置于鋼管內(nèi)。沿鋼管設(shè)爬梯，鋼管上部設(shè)上人平臺(tái)，平臺(tái)地面與井筒頂部位置設(shè)置直徑300mm清污孔。鋼管內(nèi)設(shè)儀器平臺(tái)，尺寸根據(jù)儀器尺寸確定，并預(yù)留檢修孔(日常需封閉加鎖)。平臺(tái)上部的儀器設(shè)備箱支架應(yīng)采用角鋼定制，與水位計(jì)臺(tái)焊接，儀器設(shè)備箱采用螺栓固定在支架上。

井筒采用鋼管分段焊接完成，工作平臺(tái)以下全部采用直徑610mm、壁厚13mm鍍鋅鋼管；上部采用直徑300mm、壁厚8mm鍍鋅鋼管。鋼管塔上部設(shè)上人工作平臺(tái)，便于設(shè)備維護(hù)，平臺(tái)高于壩頂0.5m。工作平臺(tái)上方設(shè)翻斗式雨量計(jì)和儀器設(shè)備箱?；A(chǔ)采用直徑610mm、壁厚13mm鍍鋅鋼管和C30素混凝土鋼管樁，基礎(chǔ)低于放水洞底高程0.5m。

鋼管桿件應(yīng)采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)組裝，優(yōu)先采用焊接(應(yīng)盡量在工廠完成)，桿件應(yīng)做好鍍鋅處理，若必須在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，焊縫應(yīng)進(jìn)行除銹處理，焊后鍍鋅，鋅層厚度不應(yīng)小于86μm(鋅附著量不低于610g/m2)。

3.1.2 雷達(dá)水位計(jì)臺(tái)和氣泡水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)臺(tái)和氣泡水位計(jì)采用立桿支架安裝，豎直鋼管為直徑400～300mm、壁厚8mm、長(zhǎng)5m的鍍鋅鋼管，水位計(jì)探頭懸臂為直徑300～200mm、壁厚6mm、長(zhǎng)6m的鍍鋅鋼管。基礎(chǔ)采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)2000mm×2000mm×1000mm，基礎(chǔ)上部C30素混凝土包腳，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)2000mm×2000mm×500mm。其他所需配備設(shè)備包括雷雷達(dá)水位計(jì)臺(tái)和氣泡水位計(jì)、遙測(cè)終端機(jī)、太陽能電源及電池、戶外設(shè)備保護(hù)箱等(見圖1、圖2)。

圖1 雷達(dá)式水位計(jì)支架剖視(單位：mm)

圖2 氣泡式水位計(jì)支架剖視(單位：mm)

3.2 滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)施

滲壓計(jì)在安裝之前應(yīng)先進(jìn)行檢測(cè)，合格后方能使用。因?yàn)闈B壓計(jì)的透水石存在滲透系數(shù)，而滲透壓力穿過透水石作用在滲壓計(jì)的感應(yīng)膜片上，所以透水石與感應(yīng)膜片前的儲(chǔ)水腔沒有注滿水，若存在空腔或者含有氣泡，將會(huì)造成滲壓計(jì)測(cè)值的誤差。安裝埋設(shè)前滲壓計(jì)端部的透水板必須注滿水并且排出空氣。具體實(shí)施方法為:先將透水石從滲壓計(jì)頂端拆下，然后將滲壓計(jì)及透水石均放入水中浸泡60～120min,用以排出透水石中的氣泡，使其充分飽和。最后將滲壓計(jì)主體和透水石浸泡在水中重新連接安裝。排出透水石中氣泡也可以采用另一種方法，即先將透水石放入沸水中煮透，然后將用于煮透水石的少量熱水連同透水石共同倒入盛有冷水和滲壓計(jì)的容器內(nèi)，在水中進(jìn)行組裝。

若在混凝土澆筑層面埋設(shè)，則混凝土澆筑層達(dá)到設(shè)計(jì)要求的安裝埋設(shè)滲壓計(jì)的高程時(shí)，于澆筑下一部分混凝土前，在埋設(shè)位置的層面預(yù)留一個(gè)深300mm、直徑200mm的孔。然后在孔底鋪墊約20mm細(xì)砂，將滲壓計(jì)放在孔內(nèi)細(xì)砂墊層上，再用粗砂填埋在滲壓計(jì)四周，布置好滲壓計(jì)觀測(cè)電纜后再澆筑下一部分混凝土。

若在基巖面上埋設(shè)，需在滲壓計(jì)埋設(shè)的基巖位置鉆一個(gè)孔深1000mm、直徑50mm的測(cè)壓孔。測(cè)壓孔滲壓計(jì)澆筑層混凝土必須經(jīng)過滲水試驗(yàn)合格，再用細(xì)砂將包裹好的滲壓計(jì)放在測(cè)壓孔中。細(xì)砂包的裝填過程為:將一布袋放入盛水大容器內(nèi)，袋內(nèi)充填適量級(jí)配砂，將滲壓計(jì)放在袋中央，并繼續(xù)在滲壓計(jì)周圍充填級(jí)配砂，待充滿后將袋口扎緊。如不用砂包也可用土工布把滲壓計(jì)包嚴(yán)后埋設(shè)，砂包在埋設(shè)前應(yīng)浸沒在水中保存。

3.3 滲流量監(jiān)測(cè)設(shè)施

滲流量監(jiān)測(cè)一體站采用直徑為110mm的PVC設(shè)備建設(shè)在量水堰的側(cè)墻上，底部封死，在30cm內(nèi)做好梅花孔，內(nèi)襯防水網(wǎng)，做好水位聯(lián)通，磁致伸縮水位計(jì)安裝在PVC管內(nèi)，在旁邊安裝立桿(機(jī)箱)及太陽能系統(tǒng)，通過線纜與水位計(jì)連接(見圖3)。

圖3 滲流量監(jiān)測(cè)一體站

3.4 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)視點(diǎn)安裝時(shí)要注意防雷系統(tǒng)的建設(shè)，由于建設(shè)在水庫大壩上，相對(duì)空曠，雷雨天避雷很重要，可避免設(shè)備在雷雨天氣遭受雷擊而損壞，避雷系統(tǒng)采用3～5m扁鐵或1～2m角鐵鋼打入地面，通過銅線與避雷針連接來實(shí)現(xiàn)。視頻監(jiān)視點(diǎn)為了取得更好的監(jiān)視視野，視頻監(jiān)視點(diǎn)立桿一般采用4～4.5m高的立桿，地籠埋設(shè)深度為0.8～1.2m，并保證立桿穩(wěn)固(見圖4)。

圖4 視頻監(jiān)控站安裝示意圖

4 后期設(shè)備維護(hù)情況

4.1 雨量計(jì)維護(hù)保養(yǎng)

檢查維護(hù)前應(yīng)先下載降水量數(shù)據(jù)，檢查時(shí)間誤差，然后斷開信號(hào)線和電源線，再進(jìn)行儀器拆裝、調(diào)試等操作。注水試驗(yàn)后，應(yīng)清除儀器內(nèi)部存留水量，清除試驗(yàn)數(shù)據(jù)，復(fù)核儀器參數(shù)設(shè)置是否正確。

固態(tài)存儲(chǔ)器的站號(hào)、日期、時(shí)鐘、儀器分辨力、存儲(chǔ)記錄時(shí)間間隔、通信方式等參數(shù)設(shè)置應(yīng)正確；記錄時(shí)間間隔宜設(shè)置為5min，需要時(shí)可設(shè)置1min。

儀器應(yīng)穩(wěn)固、無變形，器口內(nèi)徑應(yīng)符合性能要求；承雨器口應(yīng)水平，器口平面水平傾斜度應(yīng)小于1°；儀器內(nèi)外應(yīng)清潔，過水部件匯流暢通、無堵塞；供電和通信系統(tǒng)應(yīng)正常；存儲(chǔ)器記錄值、數(shù)據(jù)中心接收值與傳感器輸出值應(yīng)一致；避雷接地應(yīng)完好，接地電阻應(yīng)小于4Ω。時(shí)間誤差不應(yīng)大于5min；測(cè)量誤差應(yīng)符合儀器性能要求；檢查維護(hù)情況應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)記錄。

4.2 水位計(jì)維護(hù)

4.2.1 水位感應(yīng)系統(tǒng)維護(hù)

浮子長(zhǎng)期浸在水中，應(yīng)注意檢查浮子的氣密性。對(duì)金屬浮子，要注意它的銹蝕情況，需要時(shí)要涂油漆防蝕。定期檢查懸索與平衡錘、浮子是否牢固連接。定期檢查懸索的順直情況，檢查懸索有無相互纏繞情況。定期檢查水位輪槽是否潔凈，檢查水位輪的固定情況，且無油污。使用穿孔鋼帶或帶球細(xì)絲繩作為懸索的水位計(jì)，要經(jīng)常檢查水位輪槽內(nèi)的銷釘、凹孔和鋼帶上的穿孔、鋼絲繩上的小球嚙合情況。

4.2.2 編碼器維護(hù)

定期檢查水位編碼器的信號(hào)輸出是否和當(dāng)時(shí)水位數(shù)值對(duì)應(yīng)。發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)及時(shí)處理，如果是正常的少量誤差，通過核對(duì)水位的方法解決。如果是編碼器亂碼，應(yīng)檢修編碼器；定期檢查編碼器輸出電纜的接插連接可靠性；如果水位長(zhǎng)期變化不大，使水位編碼器僅在較小水位變化范圍內(nèi)工作，為保證在其他水位范圍內(nèi)工作的可靠性，應(yīng)定期取下懸索或使水位輪與編碼器軸脫開，人工轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，檢查在其他水位變化范圍內(nèi)，編碼器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

4.2.3 人工比測(cè)

比測(cè)前通過小型水庫數(shù)字化管理系統(tǒng)對(duì)需要進(jìn)行人工比測(cè)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行選測(cè)，記錄自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)值。在水位較穩(wěn)定的時(shí)段，使用全站儀對(duì)水面高程進(jìn)行測(cè)量，與水位計(jì)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

4.2.4 故障處理

出現(xiàn)人工測(cè)值與自動(dòng)監(jiān)測(cè)值誤差較大的情況，可由一人將測(cè)輪兩側(cè)鋼絲輕輕提起，另一人轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)輪，同時(shí)，使用小型水庫數(shù)字化管理系統(tǒng)進(jìn)行選測(cè)，對(duì)比實(shí)時(shí)水位和自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位，并進(jìn)行調(diào)整。

4.3 滲壓計(jì)維護(hù)

4.3.1 儀器性能檢驗(yàn)

定期巡視檢查，定期對(duì)比傳感器與人工測(cè)量值之間的誤差是否在允許范圍之內(nèi)。

定期用便攜式儀表或自動(dòng)化監(jiān)測(cè)裝置對(duì)儀器進(jìn)行多次測(cè)量，以重復(fù)檢驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性情況。對(duì)于傳感器測(cè)量精度，以振弦式滲壓計(jì)為例，打開傳感器電纜固定接頭，用筆記本對(duì)傳感器進(jìn)行提升實(shí)驗(yàn)，每次提升0.5m，記錄每次自動(dòng)化測(cè)量值，比較測(cè)量值與實(shí)際變化量之間的差值，持續(xù)4～6個(gè)狀態(tài)，再進(jìn)行復(fù)位。

4.3.2 人工比測(cè)

利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳感器選測(cè)1次，保存測(cè)值。攜帶可調(diào)大小的扳手、測(cè)繩、記錄本、鉛筆、手電筒、配護(hù)電工包等人工比測(cè)必備工器具，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行人工比測(cè)。

4.4 磁致伸縮水位計(jì)維護(hù)

每年定期進(jìn)行設(shè)備巡檢，如設(shè)備供電系統(tǒng)、連通管等，并進(jìn)行清淤處理，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確和傳輸?shù)恼！?/p>

通過數(shù)據(jù)接收平臺(tái)，隨時(shí)關(guān)注設(shè)備工況信息，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或數(shù)據(jù)異常，安排專業(yè)工程師進(jìn)行及時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)。

4.5 視頻監(jiān)控維護(hù)

本系統(tǒng)采用的低功耗4G球機(jī)，使用壽命長(zhǎng)(5～10年)，功耗低，能夠滿足長(zhǎng)期野外使用要求，采用的是單晶硅太陽能板和免維護(hù)儲(chǔ)能蓄電池，電池衰減率低，供電系統(tǒng)能夠使用5年以上。

維護(hù)分為定期巡檢和臨時(shí)維修，每年在汛期前進(jìn)行設(shè)備巡檢清理，保證汛期正常運(yùn)行，同時(shí)通過視頻監(jiān)視平臺(tái)的告警功能，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)發(fā)生信息，維修工程師收到故障信息后及時(shí)現(xiàn)場(chǎng)維修，確保正常使用。

5 結(jié) 語

本文研究的小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化雨水工情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，已在廣東、福建及安徽等省份廣泛建設(shè)與應(yīng)用。實(shí)踐證明，全年的數(shù)據(jù)報(bào)送率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率均達(dá)到了95%以上，汛期的數(shù)據(jù)報(bào)送率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率均達(dá)到了98%以上，提升了小型水庫監(jiān)測(cè)預(yù)警的調(diào)度決策指揮的數(shù)字化、智能化、智慧化水平，為保障小型水庫安全度汛提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)，也為流域水利工程安全運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)度提供了超前、快速、精準(zhǔn)的決策支持。