姜 濤,商舒婷,劉豐偉

(齊齊哈爾市水旱災(zāi)害防御中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300)

0 前 言

黑龍江省齊齊哈爾市氣候條件為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年降水量400～550ml,擁有豐富的地表水,在春季融雪、夏秋集中降水的雙重影響下,齊齊哈爾市范圍內(nèi)的江河有春、夏(秋)兩個汛期。齊齊哈爾市共有水庫95座,其中大型水庫3座,中型水庫13座,農(nóng)墾水庫7座,小型水庫79座。小型水庫是齊齊哈爾市防洪、灌溉、供水的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其運(yùn)行管理關(guān)系到小型水庫功能和效益的發(fā)揮。但是,部分小型水庫運(yùn)行時間相對較長,老化損壞嚴(yán)重,當(dāng)水庫遭遇暴雨洪水時,很可能會造成垮壩失事的重大事故,嚴(yán)重地威脅著下游人民生命財產(chǎn)的安全。通過小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè),構(gòu)建全市水庫安全預(yù)警管理系統(tǒng),推進(jìn)齊齊哈爾市小型水庫規(guī)范設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理,保障齊齊哈爾市小型水庫系統(tǒng)安全長效運(yùn)行。

1 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

1.1 提升監(jiān)測自動化水平

對于齊齊哈爾市管轄范圍內(nèi)的小型水庫,現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的運(yùn)行安全隱患,難以實現(xiàn)通信、監(jiān)測的全方位自動化運(yùn)行目標(biāo),信息傳輸效率偏低。這導(dǎo)致工作人員無法通過現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)小型水庫的雨水情與大壩安全情況,部分安全隱患無法得到有效處理。如果出現(xiàn)大規(guī)模自然降水,會增加水庫的運(yùn)行風(fēng)險。為此,需要通過建設(shè)小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的形式,提升監(jiān)測系統(tǒng)的自動化水平,并對部分內(nèi)容做合理優(yōu)化,針對細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行完善處理,有效捕捉小型水庫當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù),準(zhǔn)確識別小型水庫當(dāng)前存在的安全隱患。

1.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范

在過去較長一段時間內(nèi),小型水庫的監(jiān)測系統(tǒng)是以功能性為主要建設(shè)目標(biāo),而不是監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行整體性,這導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備類型存在較大差異,難以執(zhí)行同一套的通信協(xié)議,無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo),進(jìn)而造成小型水庫安全管理水平偏低。利用小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容,可以讓數(shù)據(jù)實現(xiàn)規(guī)范化傳輸,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。也可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相應(yīng)的通信管理平臺,為監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步開發(fā)、利用提供便利條件。

1.3 提升水庫監(jiān)測管理綜合水平

正因為小型水庫需要開展自動化管理,達(dá)到信息數(shù)據(jù)管理目標(biāo),就需要通過小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容,通過提升水庫監(jiān)測管理綜合水平的方式,推動小型水庫的標(biāo)準(zhǔn)化管理,為后續(xù)開發(fā)功能提供規(guī)范化建設(shè)指標(biāo),以便實現(xiàn)區(qū)、市、省三級化的水域自動化管理開發(fā)建設(shè)目標(biāo)[1]。

2 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)是以信息技術(shù)作為基礎(chǔ),針對水庫運(yùn)行期間的各類信息做有效捕捉,以此達(dá)到實時采集設(shè)施設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與水庫周邊環(huán)境具體信息的效果。同時,將數(shù)據(jù)信息集中傳輸?shù)较鄳?yīng)的數(shù)據(jù)分析及開發(fā)平臺中。對于小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),涉及水情監(jiān)測、視頻監(jiān)測、安全監(jiān)測等多個功能系統(tǒng),由眾多的前端設(shè)施設(shè)備獲取水庫運(yùn)行信息,平臺對各類數(shù)據(jù)信息做分析處理。

通過軟件系統(tǒng)+硬件設(shè)備的組合方式,對于小型水庫開展高效率的運(yùn)行管理,以及相應(yīng)的安全預(yù)警處理,為小型水庫的工作人員提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。需要用到雨量計、水位計等計量設(shè)備,并根據(jù)小型水庫規(guī)模,配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、遙測終端等設(shè)備,做必要的防雷接地處理,布設(shè)監(jiān)測點。

2.2 功能需求

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)需要擁有水位、雨量等監(jiān)測工程,以及安全信息等采集功能,將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)剿畮毂镜亟ㄔO(shè)的數(shù)據(jù)庫中?？梢詫⒐δ苄枨笳頌橐韵聨醉梼?nèi)容:①在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,需要根據(jù)預(yù)先設(shè)計的工作流程,針對各個監(jiān)測站點做實時化監(jiān)測。如果出現(xiàn)預(yù)設(shè)監(jiān)測范圍之外的數(shù)據(jù),直接進(jìn)行自動報警處理;②系統(tǒng)需要將水庫運(yùn)行期間的各種信息,例如水位、雨量、滲流等,以實時傳輸方式,上傳到信息監(jiān)測平臺中。同時,將圖像、視頻等內(nèi)容一同傳輸,對水庫真實現(xiàn)場情況做有效監(jiān)測;③系統(tǒng)需要根據(jù)遠(yuǎn)程控制功能,可以實現(xiàn)自動化控制與人員介入控制的流暢切換。可以根據(jù)運(yùn)行需求,對相關(guān)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程喚醒;④系統(tǒng)將水庫運(yùn)行數(shù)據(jù)儲存時,需要以工作日志形式,存儲到數(shù)據(jù)庫中,最小存儲時間為1a,方便工作人員隨機(jī)調(diào)取有關(guān)水庫運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù),科學(xué)分析水庫近期運(yùn)行情況;⑤系統(tǒng)需要使用主信道+備用信道的組合方式,開展數(shù)據(jù)傳輸作業(yè),并要設(shè)置相應(yīng)的報警節(jié)點,進(jìn)一步提升系統(tǒng)自動化運(yùn)行的可靠性[2]。

2.3 工作流程

在小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中,總傳輸端為遙測終端機(jī)設(shè)備。系統(tǒng)前端配置若干傳感器,用于獲取水庫運(yùn)行數(shù)據(jù)。在采集水庫的水文、安全等數(shù)據(jù)后,會將視頻圖像、參數(shù)信息等,利用遙測終端機(jī)設(shè)備,直接傳輸?shù)叫畔⒈O(jiān)測平臺,將數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中,便于后續(xù)的數(shù)據(jù)調(diào)用與處理工作。在傳感器采集數(shù)據(jù)信息后,還需要通過編碼器、解碼器進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)化,對數(shù)據(jù)做調(diào)制處理后,發(fā)送到信息監(jiān)測平臺上。對于遙測站,主要負(fù)責(zé)采集、傳輸數(shù)據(jù)?？梢允褂?G通信網(wǎng)絡(luò),獲取各個遙測站的現(xiàn)場環(huán)境信息。合理應(yīng)用光纖通信技術(shù),實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸視頻、圖像、數(shù)據(jù)等內(nèi)容,以此降低數(shù)據(jù)時延。為合理控制系統(tǒng)運(yùn)行期間的電力資源消耗量,也可以在常規(guī)交流電供電模式基礎(chǔ)上,增加太陽能浮充供電設(shè)備,實現(xiàn)白天交流電供電,夜晚太陽能供電的供電效果。

2.4 參數(shù)監(jiān)測

在小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測中,需要設(shè)置監(jiān)測參數(shù)。對于小型水庫雨水情測報需要通過提取水庫水位、降水量等數(shù)據(jù),以整點匯報的形式進(jìn)行參數(shù)上傳。比如在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測中,降水量超過1mm,水庫水位變化幅度超過1cm,需要提升參數(shù)上傳頻率,以5min的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)匯報。對于大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),需要監(jiān)測大壩滲流量、壓力參數(shù)、形變參數(shù)。如果監(jiān)測參數(shù)大于預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)閾值,或是當(dāng)前水庫大壩在初蓄期或是面對洪水,則要將原本的整點匯報模式縮減成5min匯報。對于監(jiān)測站點布設(shè),需要根據(jù)具體的觀測內(nèi)容,在合適位置設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測站點。對于流域較大的小型水庫,可以考慮增設(shè)更多的觀測點。需要注意,觀測點布設(shè)位置需要保持足夠空曠條件,避免有其他建筑物遮擋觀測視野。攝像頭需要具有一定的自動變焦功能,可以對小型水庫各個位置運(yùn)行數(shù)據(jù)做有效捕捉[3]。

2.5 監(jiān)測內(nèi)容

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容,涉及滲流量、滲流壓力、形變等內(nèi)容。對于滲流量,需要設(shè)置1個監(jiān)測點。如果水庫高度超過15m,需要額外增設(shè)1個監(jiān)測點;對于滲流壓力,則要以斷面數(shù)量、位置,設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點。比如在水庫高度超過15m時,設(shè)置一個繞壩監(jiān)測面;對于形變監(jiān)測,則要對水庫壩體的裂縫、開裂等情況進(jìn)行監(jiān)測。利用開合、錯位等監(jiān)測方法,保障水庫壩體運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效采集。如果水庫大壩類型為砌石壩或混凝土壩,需要選擇壩頂位置,作為形變監(jiān)測斷面的布設(shè)位置。

3 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

3.1 雨水情測報系統(tǒng)

對于雨水情測報系統(tǒng),可以細(xì)分為水準(zhǔn)點、水尺樁、標(biāo)識條、防雷接地等四項建設(shè)內(nèi)容,利用設(shè)施設(shè)備的組合應(yīng)用方式,對小型水庫的雨水?dāng)?shù)據(jù)信息做有效采集與快速分析。

3.1.1 水準(zhǔn)點

參考《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138-2010),根據(jù)雨水情測報系統(tǒng)中水準(zhǔn)點的建設(shè)要求,對小型水庫水文站基礎(chǔ)設(shè)施開展相應(yīng)的建設(shè)作業(yè)。要求以一個小型水庫一個水準(zhǔn)點的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè),水準(zhǔn)點需要處于小型水庫所在區(qū)域的地形穩(wěn)定位置,并將用于確認(rèn)位置的標(biāo)識桿設(shè)置在水準(zhǔn)點周邊區(qū)域。使用C25質(zhì)量等級的混凝土澆筑水準(zhǔn)點基座,使用不銹鋼制作水準(zhǔn)點主體結(jié)構(gòu),以50cm×50cm×4cm的標(biāo)準(zhǔn),作為復(fù)合窨井蓋制作規(guī)格。使用和水準(zhǔn)點基座相同的標(biāo)準(zhǔn)澆筑標(biāo)識桿基座,主體結(jié)構(gòu)使用鍍鋅鋼管,使用紅色與白色兩種反光漆,以螺旋相間方式涂刷鍍鋅鋼管。在完成水準(zhǔn)點的埋設(shè)作業(yè)后,需要做高程水準(zhǔn)點的引測處理,保證引測高程匹配小型水庫的引用高程,以此達(dá)到通過水準(zhǔn)點采集小型水庫雨水情數(shù)據(jù)。

3.1.2 水尺樁

在大壩迎水坡面上,選擇合適位置設(shè)置雨水情報系統(tǒng)的水尺樁,避免出現(xiàn)水位觀測數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)的問題。在相同斷面位置設(shè)置同組水尺,在完成水尺樁施工作業(yè)后,需要檢測水尺樁質(zhì)量是否達(dá)到穩(wěn)定使用標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置不銹鋼制作直立式水尺樁,整體造型為圓筒狀,設(shè)置13.3cm直徑、110cm長度,不銹鋼材料厚度要求為0.15cm。對于水尺樁底部,需要使用不銹鋼材料的法蘭做可靠固定,通過膨脹螺栓將法蘭與混凝土有效連接,做好相應(yīng)的混凝土澆筑處理。

3.1.3 水位標(biāo)識條

使用不銹鋼制作水位標(biāo)識條,制作規(guī)格為500cm×20cm×0.15cm。打印出方便在雨中辨識的紅色標(biāo)識條,設(shè)置黑色水位高程數(shù)字顯示模式。將水位標(biāo)識條安裝在迎水面,通過膨脹螺栓對水位標(biāo)識條做可靠固定處理。

3.1.4 防雷接地

在自然降水中,可能會伴隨雷暴氣象條件,需要對雨水情測報系統(tǒng)的監(jiān)測站點做有效防護(hù)?？梢酝ㄟ^設(shè)置不銹鋼避雷針的方式,進(jìn)行防雷接地處理,避免在雨中獲取雨水情數(shù)據(jù)時,受到雷電因素的嚴(yán)重干擾,降低數(shù)據(jù)精度,增加設(shè)施設(shè)備損壞概率,保障工作人員的人身安全。使用熱鍍鋅角鋼制作防雷接地系統(tǒng),設(shè)置0.8m的埋設(shè)深度,并要求最大接地電阻≤10Ω[4]。

3.2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

對于視頻監(jiān)測系統(tǒng),主要由雨量計、水位計等計量設(shè)備,用于視頻監(jiān)測的攝像機(jī)與相應(yīng)終端系統(tǒng),以及維持整個視頻監(jiān)測運(yùn)行的通信模塊、供電系統(tǒng)等構(gòu)成。在設(shè)置視頻監(jiān)測系統(tǒng)時,需要為保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行,充分提升運(yùn)行功能,需要將各類設(shè)施設(shè)備設(shè)置在擁有保護(hù)功能的機(jī)箱內(nèi)部,通過一體化設(shè)置模式,保障設(shè)施設(shè)備安裝的可靠性,并將視頻監(jiān)測系統(tǒng)安裝在立桿支架上。對于視頻監(jiān)測系統(tǒng)的視頻站,需要在開挖基礎(chǔ)后,進(jìn)行相應(yīng)的管網(wǎng)敷設(shè)、接地網(wǎng)鋪設(shè)等作業(yè)。需要注意,使用固定安裝模式安裝探頭,避免探頭受到水流因素影響,出現(xiàn)位置的變化情況。氣管需要以向下傾斜的方式進(jìn)行安裝,最大傾斜角度不得超過5°。在水位之下的8cm位置,用于設(shè)置氣管的出氣口,避免在大雨影響下,淤泥、泥沙出現(xiàn)翻涌情況,堵塞出氣口位置,氣管出氣口最大彎曲半徑不得超過10cm。安裝通信模塊時,要利用屏蔽電纜,對其他干擾信號做有效屏蔽,避免視頻監(jiān)測系統(tǒng)通信功能受到影響。需要通過PVC管,強(qiáng)化對通信裝置的保護(hù)處理。3.1.4章節(jié)建設(shè)的防雷接地系統(tǒng),也需要和視頻監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊進(jìn)行有效連接,避免在大雨、暴雨等惡劣天氣情況下,降低獲取雨水情測報的精度[5]。

3.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng),可以細(xì)分為量水堰、測壓管、土建工程等三項建設(shè)內(nèi)容,通過使用水壓計、滲壓計等計量設(shè)備,配置監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),獲取有關(guān)大壩運(yùn)行的各項數(shù)據(jù),保障數(shù)據(jù)的精度。

3.3.1 量水堰

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的量水堰,可以考慮使用矩形斷面的施工設(shè)計模式,要求以7倍水頭作為量水堰長度標(biāo)準(zhǔn),最小上游堰槽長度為1.5m,最小值下游堰槽長度為0.5m,根據(jù)小型水庫具體規(guī)模進(jìn)行調(diào)整,并要求堰槽兩側(cè)保持平行狀態(tài),和小型水庫管理的河流流動方面保持垂直狀態(tài)。對于水尺、水位計等計量設(shè)備,需要設(shè)置在堰板上,基本是在量水堰上,根據(jù)4倍水頭長度進(jìn)行設(shè)置。使用不銹鋼制作堰板,使用平面鋪設(shè)方式進(jìn)行鋪設(shè)在過水堰口下游位置,需要將堰板彎曲成45°。需要關(guān)注堰口位置的堰板凹凸問題,最大凹凸誤差值≤1mm。使用水平鋪設(shè)方式鋪設(shè)堰板頂部,并要求以堰寬0.2%作為堰板頂部兩側(cè)鋪設(shè)最大差值。為有效提升量水堰水尺測量數(shù)據(jù)的精度,計量設(shè)備的最大讀數(shù)誤差≤1mm。

3.3.2 測壓管

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的測壓管,可以使用PE管或熱鍍鋅鋼管制作,以直徑50mm作為測壓管的制作標(biāo)準(zhǔn)?？梢愿鶕?jù)測壓管在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用情況,劃分為花管、導(dǎo)管兩種類型。在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)期間,要保證測壓管的均勻排列,保證鋪設(shè)的水平效果,做好測壓管內(nèi)部毛刺的打磨處理與內(nèi)部垃圾的清理工作。針對透水段的測壓管長度,需要保持在2m左右,利用包扎技術(shù)對測壓管做防護(hù)處理,確保測壓管內(nèi)部擁有良好的封閉效果。對于測壓管接頭位置,需要通過外箍方法做可靠連接[6]。

3.3.3 土建工程

土建工程是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行,發(fā)揮監(jiān)測功能的重要建設(shè)內(nèi)容。需要在確認(rèn)大壩觀測帶具體位置后,對于小型水庫場地進(jìn)行相應(yīng)的施工建設(shè)處理。比如在開展大壩形變監(jiān)測作業(yè)過程中,需要開展土建工程的施工建設(shè)任務(wù),需要將基礎(chǔ)尺寸保持在80cm左右。使用C25質(zhì)量等級的混凝土,進(jìn)行裸露水泥平臺的澆筑作業(yè)。對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),文章選擇GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)),利用其7day×24hour的全天候運(yùn)行條件,實時獲取大壩各個位置的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)合相應(yīng)的時間信息,實現(xiàn)高效率的安全監(jiān)測作業(yè)。利用基準(zhǔn)站+監(jiān)測站+控制中心的三級控制系統(tǒng),達(dá)到無損化的數(shù)據(jù)連接效果,從而有效監(jiān)測大壩各個位置的形變數(shù)據(jù)變化情況,相應(yīng)必要的處理工作。對于土建工程內(nèi)部,需要設(shè)置主筋直徑規(guī)格>1.4cm的鋼筋地籠,利用鍍鋅螺紋桿做鋼筋的有效連接,利用法蘭盤固定立桿,將地腳螺紋螺栓裸露在土建工程的外側(cè)?；鶞?zhǔn)站+監(jiān)測站+控制中心的重要設(shè)施設(shè)備,需要使用厚度為0.3cm,噴涂白色油漆的鍍鋅鋼管,進(jìn)行設(shè)施設(shè)備的防銹處理。

4 結(jié) 語

在建設(shè)小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)時,建議先對小型水庫所在區(qū)域的水文、汛期等情況做詳細(xì)分析,再根據(jù)水庫管理單位的經(jīng)濟(jì)條件與水庫后續(xù)開發(fā)方向,結(jié)合文章理論內(nèi)容,設(shè)計一套內(nèi)容完善的建設(shè)方案。在方案執(zhí)行過程中,可以根據(jù)小型水庫現(xiàn)有的監(jiān)測資源,對方案細(xì)節(jié)內(nèi)容做合理優(yōu)化,確保建設(shè)資源得到最大化應(yīng)用,為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)生產(chǎn)提供可靠保障。