郭 偉

(新疆哈密水文勘測局,新疆 哈密 839000 )

1 概述

洪水預(yù)報的目的是檢測和預(yù)報具有威脅性的洪水事件,以便公眾可以提前收到警報,并采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施以最大程度地減少洪水導(dǎo)致的人員傷亡[1-3]。洪水會導(dǎo)致大量生命和財產(chǎn)損失,通過大規(guī)模、堅固的防御措施進(jìn)行洪水保護(hù)是不可取或不可能的,而通過監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測洪水,不僅具有時效性且大大提高經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。曾鋼鋒等[6]以水、雨情的實測監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行總體框架設(shè)計, 在數(shù)據(jù)資源層、預(yù)報模型層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層等方面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,并引入流域氣象短臨降雨預(yù)報、大中型水庫洪水預(yù)警預(yù)報的流域性設(shè)計和與地區(qū)級區(qū)域水平臺共享數(shù)據(jù);周曉浩[7]基于LoRa技術(shù)和Arduino自治系統(tǒng),開發(fā)了一種新型洪水預(yù)警,加快了數(shù)據(jù)處理速度,足以進(jìn)行實時洪水警報,為瑪納斯河流域洪水預(yù)警管理提供了強(qiáng)有力的保障;徐紅衛(wèi)[8]為開發(fā)一種智能洪水預(yù)警系統(tǒng),將漲洪引起的壓力轉(zhuǎn)化為以水頭(高度)為預(yù)警指標(biāo),建立了一種耗電量較小且無需互聯(lián)網(wǎng)連接的預(yù)警系統(tǒng),系統(tǒng)集成板塊包括Arduino Uno、ZigBee收發(fā)器、GSM模塊和Android應(yīng)用程序;趙鵬[9]結(jié)合NWP輸出的降尺度降雨構(gòu)建了短期洪水預(yù)報體系,根據(jù)預(yù)測提前期對模型不確定性進(jìn)行量化,最終將預(yù)測結(jié)果整合到現(xiàn)有的洪水預(yù)警警報級別中。

圖1 流域水系及測站位置 圖2 濁度傳感器

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),將各種信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來而形成一個巨大網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)任何時間、任何地點,人、機(jī)、物的互聯(lián)互通。因此將IOT技術(shù)引入洪水監(jiān)測系統(tǒng),配合信息化系統(tǒng)和應(yīng)用終端,能夠準(zhǔn)確地掌握水流信息,為預(yù)警預(yù)報洪水提供重要工具。因此,本文提出了一種多參數(shù)IOT傳感器,同時為檢測本次設(shè)計的洪水監(jiān)測系統(tǒng)的有效性,在伊吾站不同區(qū)域進(jìn)行了參數(shù)測試并分析其結(jié)果,驗證了系統(tǒng)可靠性。研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

伊吾水文站位于哈密市伊吾縣吐葫蘆鄉(xiāng)拜其爾村,地理位置:東經(jīng)94°45′,北緯43°16′,測站編碼00601000。設(shè)立于2011年,屬省級重要水文站,水文站斷面以上的匯水面積788 km2,河長42 km。隸屬哈密水文勘測局,本站駐測職工3人。本站水位采用85基準(zhǔn)基面。測驗項目有水位、流量、冰情、降水量、蒸發(fā)量(20 cm蒸發(fā))、水溫、氣溫、普通水準(zhǔn)測量。伊吾站為區(qū)域代表站,屬自治區(qū)報訊2級站,省級重要水文站。承擔(dān)向新疆維吾爾自治區(qū)水文局、哈密水文勘測局、哈密市水利局、伊吾縣水利局等單位的雨、水情報汛任務(wù)。圖1 為流域水系及測站位置圖。

3 傳感器設(shè)計

3.1 濁度傳感器

濁度是渾濁度的簡稱,是衡量河水渾濁度好與差的重要指標(biāo),一般說來,水中的不溶解物質(zhì)愈多,濁度愈高。當(dāng)前少有文獻(xiàn)將濁度作為衡量洪水嚴(yán)重程度一個指標(biāo),然而在四川發(fā)生的“8·20”汶川暴雨過程中,洪水導(dǎo)致水體濁度最高峰達(dá)到了70000NTU,說明泥沙含量較大,具有山洪泥石流爆發(fā)特征,因此本文認(rèn)為在監(jiān)測系統(tǒng)中嵌入濁度傳感器,能夠在一定程度上反應(yīng)洪水的成因特征。圖2為本次采用的濁度傳感器。該傳感器輸出4～20 mA,工作電壓12 V, 探頭尺寸3.8×21.6 cm(直徑×長度)。該濁度傳感器是 90°散射濁度計。濁度傳感器將聚焦光束引導(dǎo)到被監(jiān)測的水中,光束從水中的顆粒反射回來,由此產(chǎn)生的光強(qiáng)度由與光束成 90°角的濁度傳感器的光電探測器測量。濁度傳感器檢測到的光強(qiáng)與水的濁度成正比。濁度傳感器利用第二個光檢測器來校正光強(qiáng)度變化、顏色變化和輕微的鏡頭污染。對于環(huán)境監(jiān)測,只需將濁度傳感器直接放在水中并將其放置在要監(jiān)測濁度的位置。

3.2 ESP8266 流量傳感器

水流量監(jiān)測是洪水預(yù)報的重要特征參數(shù),能夠判斷洪水來的緩急程度。本次監(jiān)測站設(shè)計的流量傳感器基板為ESP8266。該傳感器將YFS201 霍爾效應(yīng)水流量傳感器與 NodeMCU ESP8266 板連接, 在 0.96 英寸OLED 顯示屏上顯示水流量,最后將硬件與IoT Server集成。對于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,本次使用Thingspeak 終端App,水流量數(shù)據(jù)可以上傳到Thingspeak 服務(wù)器,并且可以從世界任何地方查看和監(jiān)控,即在線監(jiān)測洪水流量。圖3(a)和圖3(b)為 YF-S201 霍爾效應(yīng)水流量傳感器和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該傳感器既有入口又有出口,在傳感器內(nèi)部,有一個轉(zhuǎn)軸風(fēng)車可以測量通過它的液體量。此外還有一個集成的磁性霍爾效應(yīng)傳感器,每轉(zhuǎn)一圈都會輸出一個電脈沖,可以通過計算傳感器輸出的脈沖來計算水流量。每個脈沖約為2.25 ml。值得一提的是,要獲得超過10%的精度,需要進(jìn)行大量試驗校準(zhǔn)。

圖3 流量傳感器 圖4 超聲波傳感器

3.3 超聲波水位傳感器

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控河流水位,允許遠(yuǎn)程監(jiān)控多個位置的河流水位,數(shù)據(jù)可以實時無線傳輸回終端。本次設(shè)計采用Maxbotix MB7040超聲波傳感器,傳感器向物體發(fā)出聲波并檢測反射聲音以確定距離(傳感器測量每個點之間的聲波回傳時間可以確定傳感器和被測物體之間的距離)。傳感器中包含一個 Maxbotix 傳感器、19 000 mAh 電池和 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)傳輸器。該傳感器支持一系列云平臺,最常見平臺包括 Microsoft Azure、AWS、自定義 Web 應(yīng)用程序和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。超聲波傳感器可以測量 30～10 m 的距離,采樣間隔可以短至一分鐘,但十分鐘更為常見。圖4為超聲波傳感器。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

為檢測本次設(shè)計的洪水監(jiān)測系統(tǒng)的有效性,本文在伊吾水文站附近不同區(qū)域進(jìn)行室外測試。圖5為不同時間下,水質(zhì)濁度變化規(guī)律。測試前,將傳感器安置在自然環(huán)境中,然后打開系統(tǒng)進(jìn)行測定。如果水質(zhì)含有任何泥漿、狹縫或沙粒等與水混合,其濁度會發(fā)生變化。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),正常水的范圍為0～5,如果水質(zhì)濁度達(dá)到6～3 000,則被視為混濁水。由圖可知,本次水樣濁度變化范圍在0 ～5之間,傳感器能夠?qū)崟r精確的測量水濁度,因此當(dāng)洪水爆發(fā)之前,如果能通過傳感器監(jiān)測到水濁度的變化,可作為洪水預(yù)報的輔助手段,同時日常也可作為水質(zhì)監(jiān)測傳感器。圖6為不同時間下,河流水位波動規(guī)律。由于當(dāng)日天氣情況較好,測試時間內(nèi)可見較小范圍的水位波動,可能由風(fēng)速變化引起。但本文的水位監(jiān)測結(jié)果表明即便是較小的水位波動,傳感器仍然能夠監(jiān)測到,說明超聲波傳感器作為洪水預(yù)報手段的可實用性,本次監(jiān)測水位變化在27 mm左右。圖7為不同時間下,水流量變化規(guī)律。由圖可知,在測試一段時間后,水流量平均值位于5 m3/s左右,所有測試結(jié)果均較好的反映了水流的實際變化情況,說明本次研究的水流監(jiān)測系統(tǒng)能夠用于實際洪水監(jiān)測和預(yù)報工作中,增加洪水提前預(yù)報精度。

圖5 不同時間下水質(zhì)濁度 圖6 不同時間下水位波動

圖7 不同時間下水流量變化

5 結(jié)語

本文提出了一種多參數(shù)IOT傳感器,同時為檢測本次設(shè)計的洪水監(jiān)測系統(tǒng)的有效性,在伊吾站不同區(qū)域進(jìn)行了參數(shù)測試并分析其結(jié)果,驗證了系統(tǒng)可靠性。研究結(jié)果表明,本次水樣濁度變化范圍在0～5之間,監(jiān)測水位變化在27 mm左右,水流量平均值位于5 m3/s左右。所有測試結(jié)果均較好的反映了水流的實際變化情況,說明本次研究的水流監(jiān)測系統(tǒng)能夠用于實際洪水監(jiān)測和預(yù)報工作中,增加洪水提前預(yù)報精度。