杜亞平

(運(yùn)城市水文水資源勘測(cè)站，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)作為中小河流治理的重要非工程措施，系統(tǒng)的建成將全面提高中小河流水文監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)能力[1]。水文監(jiān)測(cè)設(shè)施對(duì)合理規(guī)劃利用水土資源，預(yù)防洪澇災(zāi)害具有極為重要的意義。毛家灣水文站的建設(shè)對(duì)板澗河流域持續(xù)開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作十分必要。監(jiān)測(cè)設(shè)施主要由水雨情監(jiān)測(cè)、流量泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，其設(shè)計(jì)方案的合理與否關(guān)系到水文站數(shù)據(jù)采集的可靠性，同時(shí)小流域水文特性也決定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的復(fù)雜性。

1 水文站概況

毛家灣水文站位于山西省垣曲縣毛家鎮(zhèn)朱家莊村，位于板澗河干流上，斷面以上控制流域面積162.0 km2，測(cè)驗(yàn)方式為駐測(cè)。測(cè)驗(yàn)河段河道較為順直平坦，寬度均勻，主要為礫石河床，中低水時(shí)水流集中，無(wú)分流、串溝、回水、死水等情況，坡降較為一致。右岸為沙土斜坡，左岸為干砌石陡岸，主槽與陡岸之間有灘地，左右岸間距約80 m，主槽寬約12 m。毛家灣水文站基本斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 毛家灣水文站基本斷面圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛家灣水文站的監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)內(nèi)容包括河段測(cè)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施、水位觀測(cè)設(shè)施設(shè)備、流量(泥沙)觀測(cè)設(shè)施設(shè)備、實(shí)時(shí)水文圖像監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.1 測(cè)驗(yàn)河段基礎(chǔ)設(shè)施方案設(shè)計(jì)

測(cè)驗(yàn)河段的基礎(chǔ)設(shè)施包括斷面樁、斷面標(biāo)志、基線(xiàn)樁、水準(zhǔn)點(diǎn)等。

2.1.1 斷面樁

基本水尺斷面，上、下比降斷面左右岸各設(shè)斷面樁1個(gè)，共6個(gè)，均處于歷年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，采用0.6 mm的白色彩鋼板加工而成的圓形鋼管，管內(nèi)捆綁三根直徑6 mm鋼筋，鋼管下穿兩根長(zhǎng)500 mm、直徑10 mm鋼筋，下焊一根帶鉤型直徑6 mm鋼筋(和鋼管內(nèi)砼凝固在一起)，圓蓋上貼上兩片半圓紅白反光膜(圓錐形標(biāo)志和兩片半圓紅白反光膜的中心線(xiàn)表示河道斷面線(xiàn))，見(jiàn)圖2。

圖2 斷面樁

2.1.2 基線(xiàn)樁

基線(xiàn)垂直于基本水尺斷面，需新設(shè)置2個(gè)。采用300 mm×300 mm×2000 mm的C20預(yù)制砼樁，樁中心使用φ14長(zhǎng)400 mm的鋼筋作為標(biāo)志，應(yīng)高出混凝土樁頂面20 mm。斷面樁內(nèi)配置4根Φ8 mm主筋和間距為100 mm的箍筋，箍筋直徑為6 mm，高出地面100 mm。

2.1.3 斷面標(biāo)志

斷面標(biāo)志牌材料采用國(guó)標(biāo)0.6 mm白色彩鋼板和鋁合金方管用鋁鉚釘加工成菱形方塊，貼上兩片對(duì)稱(chēng)三角紅白反光膜(兩片三角紅白反光膜的中心線(xiàn)表示河道斷面線(xiàn))，菱形方塊加工上和標(biāo)志桿連接螺絲桿。標(biāo)志桿用3吋熱鍍鋅管，鍍鋅管上按比例貼上數(shù)圈反光膜，鍍鋅管內(nèi)捆綁三根6 mm鋼筋，鋼管下串上兩根長(zhǎng)500 mm、直徑10 mm鋼筋，打坑澆注砼，鍍鋅管內(nèi)再灌入砼。根據(jù)斷面寬度、地形、視距、能見(jiàn)度等因素，確定斷面標(biāo)志牌尺寸及高度，見(jiàn)圖3。

圖3 斷面標(biāo)志牌

2.1.4 水準(zhǔn)點(diǎn)

在地形穩(wěn)定，方便引測(cè)的地方設(shè)置歷年最高洪水位以上基本水準(zhǔn)點(diǎn)1處，校核水準(zhǔn)點(diǎn)2處。結(jié)構(gòu)形式及尺寸見(jiàn)圖4。

圖4 水準(zhǔn)點(diǎn)

2.1.5 保護(hù)標(biāo)志牌

使用500 mm×300 mm的框架制作2塊保護(hù)標(biāo)志牌，框架內(nèi)錨固粘貼了反光膜和藍(lán)底白字的鍍鋅鐵皮。書(shū)寫(xiě)標(biāo)語(yǔ)內(nèi)容主要是保護(hù)設(shè)施的名稱(chēng)、由來(lái)和建設(shè)時(shí)間等。

2.1.6 測(cè)站標(biāo)志

基本斷面設(shè)測(cè)站標(biāo)志1座，位于歷年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，在C25的鋼筋混凝土基座上鑲嵌寬×高×厚為(1500×1300×100)mm的大理石板，石板上刻寫(xiě)水文站名和單位等信息。

2.2 水位觀測(cè)設(shè)施方案

水文站水位觀測(cè)設(shè)施通常有直立水尺，雷達(dá)水位計(jì)和水尺護(hù)樁等。毛家灣水文站新建水位觀測(cè)設(shè)施包括上下游斷面的直立水尺12支，雷達(dá)水位計(jì)1處，水尺護(hù)樁2支。

2.2.1 直立水尺

直立式水尺由水尺樁、水尺板和基礎(chǔ)這3部分構(gòu)成。水尺樁應(yīng)與水面保持垂直，確保高程處于測(cè)站歷年最高水位0.5 m以上，最低水位0.5 m以下。同一組水尺應(yīng)保持在同一斷面上，相鄰水尺重合0.2 m的觀測(cè)范圍，水尺刻度由藍(lán)、白反光膜貼面構(gòu)成。

2.2.2 雷達(dá)水位計(jì)臺(tái)

雷達(dá)水位計(jì)臺(tái)通常由儀器、鋼管支架、懸臂和基礎(chǔ)構(gòu)成。水位計(jì)不銹鋼探頭懸臂長(zhǎng)度按照水流邊界條件調(diào)整。無(wú)縫鋼管支架高度按照水位變幅確定，使用法蘭與儀器連接。基礎(chǔ)使用C30的鋼筋混凝土樁。地面以下基礎(chǔ)為強(qiáng)度等級(jí)C25的鋼筋砼樁；地面以上為強(qiáng)度等級(jí)C25的砼柱。

2.2.3 水位信息采集儀器設(shè)備

根據(jù)對(duì)山西省水文站水位信息采集儀器設(shè)備使用情況分析，確定毛家灣水文站水位傳感器選型為非接觸式雷達(dá)水位計(jì)，信息傳輸設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)采集選用終端RTU進(jìn)行觀測(cè)。

(1)雷達(dá)水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)采用非接觸測(cè)量，因?yàn)闆](méi)有任何部件接觸水面，所以不受水流和漂浮物沖擊、撞擊及堵塞等。同時(shí)，鑒于雷達(dá)水位計(jì)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不需建設(shè)觀測(cè)井，從而提高了無(wú)故障工作時(shí)間。采用實(shí)時(shí)全變量自動(dòng)溫度補(bǔ)償機(jī)制，測(cè)量精度較高，非常適用于山西省河流多泥沙測(cè)量斷面。

(2)信息傳輸設(shè)施設(shè)備

數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)對(duì)采集信息進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算、建立索引。同時(shí)，在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)，遙測(cè)終端還需接收數(shù)據(jù)處理中心下發(fā)的各類(lèi)命令已完成遠(yuǎn)程控制。

數(shù)據(jù)采集終端RTU的功能要求為自動(dòng)采集、存儲(chǔ)水位信息，當(dāng)被測(cè)參數(shù)達(dá)到發(fā)送條件時(shí)(自報(bào)或加報(bào))，雨量發(fā)送累計(jì)值或時(shí)段值，水位發(fā)送實(shí)時(shí)值；具有采集遙測(cè)站工作環(huán)境參數(shù)功能，如電池電壓、太陽(yáng)能充電電壓、GSM信號(hào)強(qiáng)度等；能夠接收、處理中心站下發(fā)的測(cè)量數(shù)據(jù)、工作環(huán)境參數(shù)召測(cè)命令；定時(shí)上/下電功能；具有通過(guò)GSM自動(dòng)校時(shí)功能。

GSM/GPRS模塊根據(jù)現(xiàn)狀選用Wavecom公司生產(chǎn)的GSM終端。該終端具有可靠性高、穩(wěn)定快捷的優(yōu)勢(shì)。尤其是在水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。并可以應(yīng)用于機(jī)房監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)、銀行儲(chǔ)蓄點(diǎn)機(jī)房監(jiān)控、GSM/SMS/GPS移動(dòng)車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)、移動(dòng)辦公及管理以及其他一些應(yīng)用領(lǐng)域。

采用YD30K045EH(K)型電源線(xiàn)避雷器，應(yīng)用于所有遙測(cè)站，適用于各種低電流的直流配電線(xiàn)路及控制線(xiàn)路的雷電過(guò)電壓防護(hù)。

2.3 流量泥沙觀測(cè)方案

2.3.1 方案設(shè)計(jì)

該站中低水時(shí)涉水使用流速儀測(cè)流，中高水位時(shí)采用非接觸式雷達(dá)表面測(cè)流法，配置無(wú)線(xiàn)遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)。要求安裝拆卸方便快捷、性能可靠、操作簡(jiǎn)單、滿(mǎn)足高水流量測(cè)驗(yàn)。內(nèi)容包括：雷達(dá)測(cè)速儀、遙控設(shè)備、過(guò)河索、計(jì)算機(jī)、操作軟件、支柱等。配置防爆移動(dòng)燈2臺(tái)，用于夜間觀測(cè)照明。配置泥沙信息處理分析儀器設(shè)備水樣法測(cè)沙儀器設(shè)備：泥沙采樣器2個(gè)、電子天平1個(gè)、烘箱1個(gè)、水樣桶20個(gè)。

2.3.2 設(shè)備選擇

該站中低水時(shí)涉水使用流速儀測(cè)流，中高水位時(shí)采用無(wú)線(xiàn)雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)及電波流速儀配合使用。配備無(wú)線(xiàn)遙控雷達(dá)波數(shù)字化測(cè)流系統(tǒng)等設(shè)施設(shè)備。雷達(dá)波測(cè)速傳感器要求：

流速范圍0.2 m/s～18 m/s；流速精度±0.03 m/s；平均時(shí)長(zhǎng)099.9 m/s；俯角范圍可設(shè)置30°、45°、60°；水面流速小、俯角要小些，水面流速大、俯角可大些，在中到大雨情況下60°，常規(guī)用45°；波束寬度12°(錐度角)，計(jì)時(shí)分辨率：0.1 s，在風(fēng)雨環(huán)境下可正常測(cè)流。

2.4 實(shí)時(shí)水文圖像監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)時(shí)水文圖像監(jiān)控設(shè)備包括攝像機(jī)、視頻服務(wù)器(DVS)、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)模塊組成。功能要求能實(shí)現(xiàn)白天和夜間可視，并在惡劣天氣中保持一定的圖像穩(wěn)定性。安裝實(shí)時(shí)水文圖像監(jiān)控設(shè)備1套，用于監(jiān)控?cái)嗝鎸?shí)時(shí)水情。配置視頻服務(wù)器1套，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)嗝鎸?shí)時(shí)水情。

3 結(jié)語(yǔ)

毛家灣水文站的建設(shè)可有效實(shí)現(xiàn)板澗河暴雨洪水的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警、逐漸提高中小河流的災(zāi)害預(yù)警和防御能力，為保障流域內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供高效可靠的水文信息服務(wù)，同時(shí)加密運(yùn)城市河流水文站網(wǎng)密度，改善監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量、種類(lèi)及信息時(shí)效性難于滿(mǎn)足需求、現(xiàn)有水文站基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備相對(duì)薄弱、測(cè)報(bào)技術(shù)手段落后等水文監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀。