鄒明忠

（江陰市江堤閘站管理中心，江蘇無(wú)錫 214400）

近年來(lái)，降水的不規(guī)律性，導(dǎo)致暴雨頻發(fā)、城市內(nèi)澇、山洪災(zāi)害等問(wèn)題頻發(fā)，對(duì)政府防洪抗?jié)程岢隽酥T多挑戰(zhàn)。研究應(yīng)用具有“快、精、準(zhǔn)”的新一代降水監(jiān)測(cè)技術(shù)，有利于針對(duì)不同情形的降水狀況及時(shí)做出科學(xué)應(yīng)對(duì)措施，最大程度保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 降水監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

降水監(jiān)測(cè)對(duì)于防汛水文、氣象播報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、預(yù)防自然災(zāi)害等方面都具有極大意義。目前常用的監(jiān)測(cè)方法主要有：雨量計(jì)、測(cè)水雷達(dá)、衛(wèi)星遙感。

雨量計(jì)是目前水利、氣象等行業(yè)中降水監(jiān)測(cè)最常使用的設(shè)備，能夠?qū)δ骋粎^(qū)域一段時(shí)間的單點(diǎn)雨量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前常用的雨量計(jì)為翻斗式，只有當(dāng)降水量達(dá)到雨量計(jì)最小翻轉(zhuǎn)雨量時(shí)，雨量計(jì)才會(huì)翻轉(zhuǎn)進(jìn)行報(bào)送一次。對(duì)于雨量較小的情況，可能需要較長(zhǎng)一段時(shí)間的降水累計(jì)才能翻轉(zhuǎn)一次，導(dǎo)致無(wú)法表示該段時(shí)間的降水狀況，而且雨量計(jì)對(duì)安裝選址有規(guī)范性要求，易受外界雜質(zhì)的影響，人工定期維護(hù)成本較高、特別是山區(qū)等地區(qū)的運(yùn)維難度更大。測(cè)水雷達(dá)是探測(cè)一定空間范圍內(nèi)的降水強(qiáng)度分布和總降水量。測(cè)水雷達(dá)主要利用外推圖進(jìn)行降水監(jiān)測(cè)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域遙感監(jiān)測(cè)。測(cè)水雷達(dá)受一些復(fù)雜地形及地球曲徑的影響，監(jiān)測(cè)的降水區(qū)域數(shù)據(jù)與實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生精度偏差。另外雷達(dá)外推需要一定的時(shí)間，且測(cè)水雷達(dá)安裝選址與建造成本高，需要專(zhuān)業(yè)的運(yùn)維人員，不易遷移導(dǎo)致靈活性缺失［1-2］。

衛(wèi)星遙感是具有全球性降水監(jiān)測(cè)功能，采用了輻射測(cè)量等技術(shù)，通過(guò)算法反演出能反映降水的相關(guān)數(shù)據(jù)。相比于測(cè)水雷達(dá)，衛(wèi)星遙感能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的監(jiān)測(cè)，但僅于國(guó)家層面使用、數(shù)據(jù)回傳時(shí)間長(zhǎng)，在小區(qū)域的降水監(jiān)測(cè)精度不如測(cè)水雷達(dá)且極易受云層干擾，數(shù)據(jù)精度不高，需要其他降水?dāng)?shù)據(jù)源進(jìn)行補(bǔ)充或修正［3-4］。

2 基于高頻微波鏈路的降水監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于高頻微波鏈路的降水監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)微波鏈路進(jìn)行組網(wǎng)、晴雨區(qū)分、反演算法、計(jì)算得出線平均雨量，最后形成監(jiān)測(cè)區(qū)域的二維降水場(chǎng)。

2.1 組網(wǎng)方案

對(duì)于降水監(jiān)測(cè)區(qū)域，微波鏈路組網(wǎng)主要分為線雨量監(jiān)測(cè)與面雨量監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)精度和時(shí)空分辨率的要求，通過(guò)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(jìn)行規(guī)劃頻率盡可能減少干擾，提高組網(wǎng)質(zhì)量。

2.1.1 線雨量監(jiān)測(cè)組網(wǎng)

在流域、鐵路、公路等線雨量監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)景下，采用交叉組網(wǎng)（圖1）。

圖1 線雨量監(jiān)測(cè)組網(wǎng)

2.1.2 面雨量監(jiān)測(cè)組網(wǎng)

在城鎮(zhèn)、湖面、山區(qū)等面雨量監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下，對(duì)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，按照網(wǎng)格的方式進(jìn)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(duì)規(guī)整，可滿(mǎn)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(qiáng)空間代表性，并提高網(wǎng)格內(nèi)的降水監(jiān)測(cè)精度。

圖2 面雨量監(jiān)測(cè)組網(wǎng)

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

2.2 晴雨區(qū)分

高頻微波鏈路通過(guò)發(fā)射端發(fā)射信號(hào)接收端接收信號(hào)，獲取微波鏈路實(shí)時(shí)電平值變化情況，采用深度學(xué)習(xí)中的長(zhǎng)短期記憶（LSTM）方法，根據(jù)微波鏈路的電平值時(shí)序變化情況，對(duì)鏈路所在區(qū)域的天氣情況進(jìn)行晴雨判別。

2.3 線雨量反演

在晴雨判別的基礎(chǔ)上，高頻微波鏈路利用鏈路之前時(shí)段的電平值變化情況，計(jì)算出微波鏈路的基值，通過(guò)當(dāng)前鏈路的信號(hào)強(qiáng)度減去基值，獲取所需衰減量，然后根據(jù)鏈路衰減與雨強(qiáng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到鏈路實(shí)時(shí)線雨量。

2.4 二維降水場(chǎng)構(gòu)建

基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測(cè)是利用監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多條微波鏈路線雨量，通過(guò)反距離權(quán)重插值法，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格格點(diǎn)的降水量，通過(guò)網(wǎng)格點(diǎn)之間的不同降水量，構(gòu)建出區(qū)域?qū)崟r(shí)二維降水場(chǎng)。如圖3所示，在圖中共有16個(gè)網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格左上角格點(diǎn)記作C1，C2，…，C16，同時(shí)將鏈路均勻劃分成n端，劃分好的鏈路每個(gè)端點(diǎn)都為鏈路雨強(qiáng)。隨后根據(jù)每個(gè)格點(diǎn)到鏈路距離的優(yōu)先級(jí)，利用雨強(qiáng)計(jì)算公式，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格格點(diǎn)雨強(qiáng)，從而反演出區(qū)域面雨量。

圖3 格點(diǎn)雨量計(jì)算

以江陰市為例，首先獲取一個(gè)包含江陰市的矩形邊界，將矩形劃分成8 255個(gè)網(wǎng)格，同時(shí)鏈路按照0.3 km的精度進(jìn)行劃分。目前基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測(cè)的空間分辨率為0.5 km×0.5 km，微波鏈路的電平值是能夠?qū)崟r(shí)獲取的，網(wǎng)格格點(diǎn)的雨強(qiáng)時(shí)間分辨率為分鐘級(jí)，降水監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到0.1 mm。

3 與不同降水監(jiān)測(cè)方式的數(shù)據(jù)對(duì)比

選取實(shí)際降水時(shí)的過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，分別通過(guò)與江陰市高頻微波鏈路附近的雨量計(jì)、雨滴譜儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，蘇州楓橋水文局公布的數(shù)據(jù)、中國(guó)氣象局氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 江陰高頻微波鏈路測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)與臨近雨量計(jì)、雨滴譜儀降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取江陰39編號(hào)高頻微波鏈路與臨近的雨量計(jì)、雨滴譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。39編號(hào)鏈路于2021年9月13日反演降水時(shí)間段為15：59至16：46，3個(gè)雨量計(jì)中反應(yīng)最早以及最晚翻轉(zhuǎn)的雨量計(jì)時(shí)間為16：00和16：36，雨滴譜儀降水時(shí)間段為15：58至16：36，降水?dāng)?shù)據(jù)如圖5所示。源泰科技雨量計(jì)與凱潤(rùn)國(guó)際雨量計(jì)精度為0.5 mm，這兩處雨量計(jì)累計(jì)雨量均為1.5 mm；天福世紀(jì)廣場(chǎng)雨量計(jì)精度為0.2 mm，累計(jì)雨量為2.2 mm；雨滴譜儀累計(jì)雨量為1.76 mm，微波鏈路反演累計(jì)雨量為3.2 mm。通過(guò)雨量計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)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(shì)，同時(shí)雨量計(jì)由于得達(dá)到一定刻度才會(huì)翻轉(zhuǎn)，而微波測(cè)水監(jiān)測(cè)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(cè)水?dāng)?shù)據(jù)與臨近蘇州楓橋水文局降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比

選取在蘇州楓橋水文局區(qū)域架設(shè)的2條高頻微波鏈路測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)，與2021年9月12日蘇州降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。表1是楓橋水文局對(duì)外公布的降水?dāng)?shù)據(jù)，84、85編號(hào)高頻微波鏈路監(jiān)測(cè)所得降水?dāng)?shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，84、85編號(hào)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?xún)蓷l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(jì)降水?dāng)?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?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比 單位：mm

3.3 江陰區(qū)域高頻微波鏈路測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)與中國(guó)氣象局對(duì)應(yīng)降水區(qū)域數(shù)據(jù)對(duì)比

中國(guó)氣象局的降水監(jiān)測(cè)是通過(guò)氣象雷達(dá)對(duì)全國(guó)降水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(guó)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)清洗等方式，定位到江陰，將雷達(dá)監(jiān)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)映射到地圖上，與高頻微波鏈路測(cè)水獲得的二維降水場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。

圖4 9月13日鏈路、雨量計(jì)、雨滴譜儀降水?dāng)?shù)據(jù)

雷達(dá)監(jiān)測(cè)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(shí)和17時(shí)數(shù)據(jù)，中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)與高頻微波鏈路測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)兩者之間累計(jì)降水量存在一定差異，同時(shí)高頻微波鏈路測(cè)水監(jiān)測(cè)到的降水區(qū)域?yàn)榻幊菂^(qū)東部，而中國(guó)氣象局監(jiān)測(cè)到的降水區(qū)域?yàn)榻幊菂^(qū)西部，且兩者監(jiān)測(cè)到的累計(jì)降水量、面雨量趨勢(shì)以及降水區(qū)域亦存在差異。

4 應(yīng)用意義

4.1 提高降水監(jiān)測(cè)精度

基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測(cè)利用降水時(shí)雨滴對(duì)微波鏈路造成的鏈路衰減來(lái)進(jìn)行降水反演計(jì)算，可以實(shí)時(shí)獲取鏈路線雨量及區(qū)域降水動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)由于鏈路部署依托于通信基站，鏈路主要監(jiān)測(cè)近地表降水量，相比于氣象衛(wèi)星與測(cè)水雷達(dá)，在針對(duì)小區(qū)域降水監(jiān)測(cè)時(shí)，基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測(cè)會(huì)更加精準(zhǔn)。

4.2 降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)

目前我國(guó)城市氣象預(yù)測(cè)多是大區(qū)域整體監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，精準(zhǔn)性不高，對(duì)城市強(qiáng)降水預(yù)報(bào)相對(duì)不準(zhǔn)確。在強(qiáng)降水預(yù)測(cè)時(shí)，多是依據(jù)大氣科學(xué)理論，以各種氣象探測(cè)手段為基礎(chǔ)，依靠預(yù)報(bào)人員的綜合判斷分析預(yù)測(cè)，導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際降水存在較大差距且信息傳遞不及時(shí)。由于數(shù)據(jù)發(fā)布不及時(shí)，對(duì)水患及水情認(rèn)識(shí)不清，造成錯(cuò)誤判斷，引發(fā)嚴(yán)重后果。而網(wǎng)格化實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)近地表降水量，結(jié)合城市地形、地下管網(wǎng)排水能力，能夠提前給防汛部門(mén)發(fā)出區(qū)域被淹預(yù)警，防汛部門(mén)做出應(yīng)對(duì)措施，從而降低財(cái)產(chǎn)損失。

4.3 提高山洪災(zāi)害預(yù)警

不同地形對(duì)暴雨形成災(zāi)害的影響是不同的。高原和山地由于阻擋作用，常常會(huì)形成繞流和爬流等，易引發(fā)暴雨。暴雨會(huì)引發(fā)山洪暴發(fā)、江河泛濫、堤壩決口，給人民和國(guó)家造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前降水監(jiān)測(cè)主要利用雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等專(zhuān)用測(cè)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(cè)水的方法，其分布密度更加廣泛，能夠在雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等無(wú)法架設(shè)的地方成為一種有效的降水測(cè)量手段。通過(guò)利用微波的衰減從而反演雨滴形狀、降水類(lèi)型、降水強(qiáng)度等指標(biāo)，這種結(jié)果直接作用于地表真實(shí)降水，反演結(jié)果代表性高，而且可以在較大范圍內(nèi)以較高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.4 推動(dòng)水文技術(shù)發(fā)展

目前水文行業(yè)降水監(jiān)測(cè)主要利用雨量計(jì)、天氣雷達(dá)以及遙感衛(wèi)星。這些技術(shù)手段在實(shí)時(shí)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(cè)能夠?qū)ι鲜黾夹g(shù)缺陷進(jìn)行較好的補(bǔ)充。同時(shí)基于微波鏈路的網(wǎng)格化降水監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)近地表降水，其數(shù)據(jù)與天氣雷達(dá)和遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)

（1）通常先將肥皂水涂抹在電動(dòng)機(jī)機(jī)械密封表面。

（2）用空壓機(jī)將空腔緩慢注入壓縮空氣，空腔壓力不超過(guò)揚(yáng)程的1.5倍，不超過(guò)0.2 MPa，目前薛家泓出海泵閘按照0.2 MPa進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

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

4 機(jī)械密封故障監(jiān)測(cè)

結(jié)合泵站智能化管理和檢修實(shí)踐，針對(duì)上述密封故障，提出以下故障監(jiān)測(cè)方法。

4.1 非植入式監(jiān)測(cè)手段

非植入式檢測(cè)手段是在不改變機(jī)械密封結(jié)構(gòu)測(cè)量從外部獲得的物理量（壓強(qiáng)、溫度或油的成分），來(lái)判斷機(jī)械密封是否損壞。根據(jù)薛家泓出海泵閘維修養(yǎng)護(hù)需求，編制潛水泵油室擬改造計(jì)劃，主要是通過(guò)在油室中安裝在線油中水分檢測(cè)儀，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用軟件分析油中水分是否改變，從而監(jiān)測(cè)機(jī)械密封是否發(fā)生故障。

4.2 植入式監(jiān)測(cè)手段

植入式監(jiān)測(cè)手段是將傳感器直接安裝到機(jī)械密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部并傳出獲得的電子信號(hào)，或利用新的結(jié)構(gòu)將機(jī)械密封內(nèi)部的某個(gè)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(jìn)行測(cè)量［4］。目前主流市場(chǎng)存在以下幾種典型監(jiān)測(cè)手段：熱電偶測(cè)溫、電渦流測(cè)位移、電容測(cè)膜厚和摩擦聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

大型水泵機(jī)械密封泄漏的原因有很多，包括設(shè)計(jì)、制造、選型或裝配不當(dāng)以及在運(yùn)行中受介質(zhì)中細(xì)小顆粒沖刷的影響［5］。水泵在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)、同心度、撓度的偏差，對(duì)機(jī)械密封端面造成沖擊，產(chǎn)生磨損、熱裂等問(wèn)題，一旦發(fā)生泄漏，油室進(jìn)水就會(huì)影響到水泵的推力軸承的潤(rùn)滑、冷卻，造成軸承的損壞，如果油室與電機(jī)室之間的機(jī)械密封發(fā)生泄漏，水進(jìn)入電機(jī)室，就會(huì)引起線圈短路及其他電氣故障。為便于查找機(jī)械密封的泄漏原因，擬計(jì)劃增設(shè)油中水分檢測(cè)儀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封故障。機(jī)械密封故障具體原因需要在長(zhǎng)期運(yùn)行管理、維修保養(yǎng)或周期性大修的基礎(chǔ)上，對(duì)泄漏現(xiàn)象進(jìn)行歸納分析，對(duì)解體的零部件進(jìn)行觀察分析，才能得出正確結(jié)論。合理選型以及正確規(guī)范地安裝機(jī)械密封，是潛水泵安全、高效運(yùn)行的保證。