智慧水利背景下小型水庫雨水情感知技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

吳 浩，王子文，董友龍，張 峰

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.沂沭河水利管理局大官莊水利樞紐管理局，山東 臨沂 276700）

0 引言

小型水庫因點多面廣、量大、資金少、信息化不足而導(dǎo)致運(yùn)行管護(hù)薄弱，是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的短板。同時，小型水庫運(yùn)行信息感知能力不足，難以為智慧水利“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”提供技術(shù)支撐，無法保障水庫安全運(yùn)行。為此，十四五期間，各省根據(jù)地域特點、氣候條件、分布情況、經(jīng)濟(jì)狀況等多種因素進(jìn)行了小型水庫信息化方案設(shè)計，主要涵蓋監(jiān)測信息感知、傳輸、匯集、應(yīng)用和共享等功能，而其中前端感知設(shè)備是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。分析對多個省份小型水庫信息化建設(shè)方案發(fā)現(xiàn)，方案中的雨水情測報儀器設(shè)備選型一般沿用當(dāng)?shù)卦O(shè)計院設(shè)計習(xí)慣，或是參考已建省內(nèi)水文水資源類、山洪災(zāi)害類信息化系統(tǒng)，小型水庫針對性不足。

雨水情測報是水利各類信息化應(yīng)用的基礎(chǔ)，小型水庫信息化建設(shè)通常將視頻監(jiān)控與雨量、水位測報一體化設(shè)置，因此，本文綜合論述小型水庫信息化建設(shè)中雨水情測報要素——降水量、庫水位及視頻監(jiān)控等3 個參數(shù)感知設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀，掌握每種儀器設(shè)備的優(yōu)缺點，可為小型水庫雨水情感知設(shè)施建設(shè)提供參考。

1 降水量

降水量監(jiān)測有人工、自動測量兩種方式，主要有翻斗式、虹吸式、超聲波式、光電式和壓電式等，其中技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛的為虹吸式和翻斗式雨量計。

1.1 虹吸式雨量計

虹吸式雨量計組成如圖1 所示，雨水自承雨器進(jìn)入浮子室，水位升至虹吸管口完成一次虹吸，同時自記筆隨浮子上升記錄降雨過程。每次虹吸量為10mm，能夠精確到0.1mm[1]。

圖1 虹吸式雨量計結(jié)構(gòu)圖

虹吸雨量計適用于大多數(shù)場景，但對于渾濁雨質(zhì)，容易造成虹吸管堵塞，導(dǎo)致虹吸異常[2]。該設(shè)備為非全自動設(shè)施，難免會在測量排水量、事先注水等方面存在誤差。

1.2 翻斗式雨量計

翻斗式雨量計組成如圖2 所示，翻斗部分是關(guān)鍵部件，雨水依次通過雨水口及引水漏斗，流至翻斗，積累到定量值后致使翻斗失衡而翻倒，從而觸發(fā)一次信號并記錄。單次翻斗雨量有0.5mm、1mm 不等。

圖2 翻斗式雨量計結(jié)構(gòu)圖

翻斗式雨量計雖理論雨強(qiáng)范圍為0.01～4mm/min，但實踐中發(fā)現(xiàn)存在小雨無法測量、大暴雨誤差大的問題，資料顯示其各項觀測誤差多達(dá)9 種[3]，可歸納為最大起始誤差、翻斗計量誤差和器口尺寸誤差等三類[4]。為克服上述誤差，雨量計也在不斷改進(jìn)，如在雨量計的進(jìn)水管道、集水表面噴涂特氟龍?zhí)幚?，最大消除初始誤差；對翻斗進(jìn)行改造減少翻轉(zhuǎn)計量誤差[5]，如虹吸式翻斗、微型閥門翻斗、雙層/多層翻斗等，這些措施均利于提升測量精度和適用性。

1.3 超聲波雨量計

超聲波雨量計是利用超聲測距原理測量雨量桶內(nèi)液面變化，從而換算降水量。測量頻率為1 次/min，最大精度可達(dá)0.1mm。

按傳播介質(zhì)可分為氣、固、液三種，其中液介式應(yīng)用廣范，原理如圖3 所示[6]，標(biāo)準(zhǔn)量具和液面分別將換能器發(fā)射的超聲波反射回來，通過計算超聲波在液體內(nèi)傳播的往返時間計算液面距離得到降雨量。

圖3 超聲波雨量計原理圖

超聲波雨量計取消了機(jī)械傳動部件，提升了對雨強(qiáng)的適應(yīng)性（最高可達(dá)10mm/min），滿足大量程、高精度、惡劣環(huán)境的使用工況，但在雨夾雪測量時誤差較大。

此外，光學(xué)式雨量計、壓電式雨量計等新技術(shù)雨量計不斷研發(fā)并投入應(yīng)用。光學(xué)式雨量計是利用光學(xué)原理借助攝像頭將降雨分解成連續(xù)的粒子，從而對降雨信息分析測量的技術(shù)。按實現(xiàn)原理不同分為散射技術(shù)測量和圖像識別技術(shù)。壓電式雨量計是通過測量逐個測定雨滴的沖擊動量，假定雨滴接近落地時速度為定值，反算雨滴體積，累加得降雨量。

以上兩種設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)少、集成度高、可克服惡劣環(huán)境適用性，但均對后處理技術(shù)依賴程度高，且無明確的技術(shù)規(guī)范參照，在工程實踐中鮮有應(yīng)用。

2 庫水位

庫水位監(jiān)測儀器按與水的相對位置關(guān)系可分為接觸式和非接觸式，接觸式有浮子式水位計、壓力式水位計、氣泡式水位計、一體化水尺，非接觸式主要有雷達(dá)式、超聲波水位計等。與降水量監(jiān)測統(tǒng)一選用翻斗式雨量計不同，各地方案中選用了不同類型水位計，如山東省大量采用浮子式水位計，少量的采用氣泡式或雷達(dá)式水位計，有些水庫則采用了一種新型電子/人工一體化水尺；湖北省對于有棧橋的水庫選用浮子式水位計，其他采用氣泡式水位計；廣西省則選用氣泡式或雷達(dá)式水位計；江西省對于有啟閉機(jī)房的采用雷達(dá)式水位計，其他采用壓力式水位計。

2.1 浮子式水位計

浮子式水位計是利用水的浮力使浮子實時跟隨液面變化，進(jìn)而帶動編碼器的變化，輸出水位測量值[7]，量程一般為10～40m。

該類水位計量程大、穩(wěn)定性好、使用壽命長，但水位井土建投資大，安裝復(fù)雜，并且需定期對水位井進(jìn)行清淤處理。

2.2 壓力式水位計

壓力式水位計是利用靜水壓力與水深成正比的原理，通過頭部的水壓傳感器，測定傳感器所處位置的水壓，進(jìn)而間接反算出水位。壓力式水位計關(guān)鍵部件為水壓傳感器，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一般會同時考慮溫度和氣壓的影響。

壓力式水位計精度高、安裝簡便，但測量精度容易受水溫和水體雜質(zhì)影響，另外儀器前端的透水部件容易堵塞造成零漂現(xiàn)象，長期使用需定期維護(hù)校正。

2.3 氣泡式水位計

氣泡式水位計與壓力式水位計類似，都是通過測點靜水壓力反算當(dāng)前水位。它是采用通氣管將水壓傳感器與水下管口進(jìn)行連接，其內(nèi)充滿氣體，管口感受的壓力變化可通過通氣管動態(tài)平衡傳遞至傳感器，實現(xiàn)靜水壓力的測量。

氣泡式水位計安裝簡單、操作靈活，同樣的測量準(zhǔn)確性易受水溫、水質(zhì)的影響，長期運(yùn)行穩(wěn)定性不高，甚至誤差較大。

2.4 電子/人工一體化水尺

電子/人工一體化水尺是在傳統(tǒng)立柱式人工水尺內(nèi)部加裝傳感裝置，滿足人工直讀的同時自動水位測量并記錄[8]。內(nèi)置傳感器有觸電式、電容感應(yīng)式、容柵式、靜磁柵式和磁致伸縮式等，電子水尺精度遠(yuǎn)高于其他類型水尺，精度可達(dá)毫米級，產(chǎn)品造價與精度正相關(guān)。

對于小型水庫而言，多數(shù)水庫無任何水位觀測設(shè)施，人工水尺的建設(shè)是必選項，且小型水庫水位變化范圍不大，汛期的關(guān)注重點就是水位變動區(qū)域，因此，為優(yōu)化工程造價，可在水位變動區(qū)域選擇精度高的測體、長期處于水位以下和處于空氣的區(qū)域選擇精度低的測體，如此多支梯級聯(lián)動的組合方式使得一體化水尺是水位測量的一種優(yōu)選方案。從測量穩(wěn)定性角度看，測體是利用水導(dǎo)電的性質(zhì)，測量不受被測水體水質(zhì)、水溫、泥沙等情況的影響。

2.5 非接觸式水位計

雷達(dá)水位計、超聲波水位計均是利用垂直設(shè)于水面以上的設(shè)備“發(fā)生-反射-接收”波的原理（如圖4 所示），在獲取波速、傳播時間后計算空高的距離，進(jìn)而精確反算水位值。兩者區(qū)別是超聲波與雷達(dá)的電磁波不同，在空氣中的傳播速度易受空氣理化性質(zhì)的影響，氣壓、溫度、濕度和粉塵等雜質(zhì)會影響速度。

圖4 雷達(dá)水位計原理圖

兩者均克服了接觸式水位計的缺點，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但水面的不穩(wěn)定性和雜物均對其準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。同時，兩者采用支架懸掛于水面正上方，波的性質(zhì)要求測量范圍不得有障礙物且存在一定“盲區(qū)”，因此適合安裝在水庫垂直岸邊。從工程實踐來看，有些設(shè)計選定的垂直岸邊由于淤積等導(dǎo)致局部高程較高，近而低水位時無法實現(xiàn)測量，因此，非接觸式水位計安裝位置要結(jié)合現(xiàn)場情況綜合分析選定。

3 視頻監(jiān)控

各地方案中，視頻監(jiān)控均與雨量、水位感知設(shè)施聯(lián)合設(shè)置，布設(shè)在可覆蓋全壩范圍的壩頂上游側(cè)。在溢洪道、閘門等部位可增設(shè)視頻監(jiān)控。

壩頂視頻監(jiān)控的立桿、供電、防雷、保護(hù)箱與雨水情設(shè)施統(tǒng)一考慮，針對小型水庫位置偏僻、庫區(qū)范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、環(huán)境潮濕和24 小時安防等需求[9]，小型水庫視頻監(jiān)控選型基本原則如下：

（1）具有夜視功能的變焦可旋轉(zhuǎn)球機(jī)攝像頭；

（2）滿足視頻實時查看和圖片拍攝報送功能；

（3）可遠(yuǎn)程通過云臺和變焦監(jiān)視水庫全景；

（4）實現(xiàn)自動連續(xù)循環(huán)存儲，視頻存儲時間不少于3 天；

（5）支持多種協(xié)議接入各類平臺，實現(xiàn)用戶端視頻播放和回放，滿足多用戶并發(fā)請求。

此外，可以采用具備圖像智能識別技術(shù)的視頻攝像頭，實現(xiàn)水庫區(qū)域內(nèi)人員入侵、追蹤、異常情況告警等智能安防功能。

4 結(jié)論

在考察多地小型水庫信息化建設(shè)方案基礎(chǔ)上，簡要論述了小型水庫信息化建設(shè)中降水量、庫水位等雨水情感知設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、應(yīng)用優(yōu)缺點等，并考慮到視頻監(jiān)控與雨水情測站有一體化建設(shè)的需要，對視頻監(jiān)控進(jìn)行簡要介紹，經(jīng)對比分析，有以下幾點認(rèn)識：

（1）降水量感知設(shè)備眾多，原理各異，但小型水庫信息化建設(shè)實踐中，幾乎全部采用翻斗式雨量計，其他類型應(yīng)用較少。

（2）庫水位感知設(shè)備按與水的相對位置關(guān)系劃分為接觸式和非接觸式，各類設(shè)備均廣泛應(yīng)用，工程實踐中需充分考慮工程特性、設(shè)備適用情形及當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有設(shè)備的協(xié)調(diào)性。

（3）視頻監(jiān)控與雨水情感知設(shè)備已基本實現(xiàn)一體化建站。

（4）小型水庫數(shù)量眾多，各地可結(jié)合水庫壩型、規(guī)模、壩高、壩長、下游影響、通信供電條件等多個指標(biāo)進(jìn)行分類，給出典型設(shè)計方案，便于建設(shè)實施及運(yùn)行維護(hù)。

（5）感知原理不同導(dǎo)致測量精度、穩(wěn)定性存在差異，實踐中需選擇集成度高、組網(wǎng)方便、全自動的設(shè)備，滿足戶外防風(fēng)、防水、防雷的需求，易維護(hù)甚至免維護(hù)。

（6）可試點探索應(yīng)用光學(xué)雨量計、電子/人工一體化水尺這類在大型水庫應(yīng)用不多但在小型水庫適用性強(qiáng)的儀器設(shè)備