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        天長市小型水庫雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)

        2020-05-25 08:27:32王淼
        中國科學(xué)探險(xiǎn) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:信息傳輸監(jiān)測(cè)

        王淼

        摘要:近年來,國家十分重視水庫的除險(xiǎn)加固工作,本文從當(dāng)前水利現(xiàn)狀出發(fā),針對(duì)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(hào)召,將計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化等技術(shù)結(jié)合到水利工作中設(shè)計(jì)了天長市小型水庫雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)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(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

        關(guān)鍵詞:雨水情;自動(dòng)水雨監(jiān)測(cè)站;信息傳輸;監(jiān)測(cè)

        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(xiǎn)加固建設(shè)對(duì)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(bào)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(jì)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(gè)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(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn),從要素上劃分,涉及自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)45座,自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)91座,自動(dòng)水位雨量監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)施,洪水來臨無法及時(shí)獲得水位資料,會(huì)給防汛工作帶來困難,而小型水庫雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)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(shí)效性,從而延長洪水預(yù)見期,提高預(yù)報(bào)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(duì)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)尚未安裝,自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(xiǎn)情的及時(shí)報(bào)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(dòng)監(jiān)測(cè)站,通過水位計(jì)和數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)雨水情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、自動(dòng)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(cè)站基座土建工程,監(jiān)測(cè)站供電采用蓄水池組和太陽能光電板浮充方式,監(jiān)測(cè)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)由遙測(cè)站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息中心三部分組成。采用浮子水位計(jì),水位計(jì)采集水位數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)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(shí),自動(dòng)向接收方發(fā)送數(shù)據(jù),自動(dòng)水雨監(jiān)測(cè)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(jí)水雨情統(tǒng)一采集軟件,天長市新建小型水庫雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過省級(jí)統(tǒng)一采集軟件落地到安徽省水利信息中心,并支持省級(jí)統(tǒng)一采集軟件遠(yuǎn)程升級(jí)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(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與省中心平臺(tái)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(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的傳感器(水位計(jì)、雨量計(jì))與RTU遙測(cè)終端的接口及通信協(xié)議、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站與省中心平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議要嚴(yán)格按照《水文監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)供電設(shè)計(jì)的原則是“連續(xù)陰雨天工作時(shí)間須不少于30天”。各個(gè)監(jiān)測(cè)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(chǔ)存的電能。電源模塊需要可靠的防雷設(shè)計(jì),有效避免從電源回路引入的雷擊信號(hào)。供電系統(tǒng)的電池電壓情況定期通過RTU報(bào)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(jì)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(cè)站周圍環(huán)境因素、設(shè)備對(duì)雷電電磁脈沖的抗擾度以及測(cè)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(cái)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(duì)檢測(cè)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(cè)站頂端架設(shè)避雷針,使監(jiān)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)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(duì)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(hào)線纜與RTU設(shè)備連接端應(yīng)安裝信號(hào)避雷器,避免信號(hào)線纜引入雷電的侵害。

        4.5 數(shù)據(jù)報(bào)送方案

        可以采用自報(bào)式,根據(jù)量級(jí)和需求由中心設(shè)定自報(bào)時(shí)間,在自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)備控制下可采用增量自報(bào)、定時(shí)自報(bào)以及限時(shí)自報(bào)三種方式,也可為查詢、應(yīng)答式,由監(jiān)測(cè)中心設(shè)定自動(dòng)定時(shí)巡測(cè)或隨機(jī)召測(cè),自動(dòng)監(jiān)測(cè)站自動(dòng)響應(yīng)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)站接受監(jiān)測(cè)中心的查詢,能實(shí)時(shí)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)送給監(jiān)測(cè)中心。定時(shí)自動(dòng)巡測(cè)的時(shí)間間隔,可根據(jù)數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)作業(yè)的需要來確定[2]。

        5 ? ?站點(diǎn)設(shè)施建設(shè)要求

        自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)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(gè)自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)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(cè)水位,并在水尺樁附近設(shè)置校核水準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)。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(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)水位站、簡易島式自動(dòng)水位站、棧橋式自動(dòng)水位站、依附式自動(dòng)水位站等幾種安裝方式。經(jīng)對(duì)天長市本次新建水位站現(xiàn)場勘測(cè),建設(shè)方式采用簡易島式和棧橋式。

        5.1 監(jiān)測(cè)環(huán)境要求

        外部環(huán)境要求水位監(jiān)測(cè)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(dòng)測(cè)報(bào)”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(cè)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(cè)量程既要滿足防汛需要,又要滿足干旱水源評(píng)價(jià)需要。水位計(jì)最低可測(cè)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(shí),水位計(jì)最低可測(cè)水位需在歷史最低水位以下0.1 m。水位計(jì)最高可測(cè)水位為水庫壩高以上0.2 m。浮子式水位計(jì)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(cè)水位時(shí),浮子不擱淺,平衡錘上沿不受限;水位為最高可測(cè)水位時(shí),平衡錘不擱淺,浮子上沿不受限。

        5.3 監(jiān)測(cè)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(dòng)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(cè)井勘測(cè)要求

        斷面勘測(cè)是小型水庫水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)量程確定的前期條件,水庫斷面勘測(cè)有別于河道大斷面,側(cè)重于監(jiān)測(cè)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(cè)的跡線視情分兩種:(1)當(dāng)井管依附于放水涵構(gòu)筑物時(shí),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(cè)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(shí),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(shí),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(shí),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(dòng)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的重要性。本系統(tǒng)將遙測(cè)站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息中心結(jié)合,為天長市各級(jí)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(cè)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(jì)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(shì),且網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的雨情預(yù)報(bào)也將會(huì)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析[J].計(jì)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)探索[J].中國水利,2017(8):17-18.

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