吳曉楷

（漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處，山東德州253009）

安陽(yáng)河口水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站技術(shù)方案設(shè)計(jì)

吳曉楷

（漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局水文處，山東德州253009）

安陽(yáng)河是衛(wèi)河的主要支流，設(shè)置入衛(wèi)河口水文測(cè)站對(duì)于防洪、水資源監(jiān)測(cè)非常必要。由于河口斷面地處偏遠(yuǎn)，選擇無(wú)人值守、自動(dòng)測(cè)報(bào)結(jié)合巡查的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-1993）要求設(shè)計(jì)的安陽(yáng)河口水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)站點(diǎn)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、比測(cè)率定方案先進(jìn)可靠，可實(shí)現(xiàn)水位、流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，具有重要的典型示范意義。

水資源監(jiān)控；水情自動(dòng)測(cè)報(bào)；典型設(shè)計(jì)；安陽(yáng)河

安陽(yáng)河是漳衛(wèi)南運(yùn)河流域衛(wèi)河的重要支流，安陽(yáng)河入衛(wèi)河沒(méi)有控制水文測(cè)站無(wú)法掌握支流來(lái)水情況，難以滿(mǎn)足防汛調(diào)度和落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的需要。根據(jù)水利部批復(fù)意見(jiàn)，2016年度建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安陽(yáng)河口的水位、流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-1993）的要求，提出安陽(yáng)河口水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)站點(diǎn)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型、比測(cè)率定方案，方案技術(shù)先進(jìn)可靠，可實(shí)現(xiàn)水位、流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，具有重要的典型示范意義。

1　測(cè)站功能、結(jié)構(gòu)及工作方式

1.1測(cè)站功能

實(shí)時(shí)自動(dòng)采集河流水位、流速信息，利用GPRS上報(bào)至數(shù)據(jù)中心接收站。水位監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期存儲(chǔ)水位、流速歷史數(shù)據(jù)，支持現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)本地或遠(yuǎn)程下載，具有越限報(bào)警、遙測(cè)設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)、電源報(bào)警等功能。數(shù)據(jù)接收中心站通過(guò)數(shù)據(jù)接收軟件實(shí)時(shí)接收處理水位、流速數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，對(duì)測(cè)站進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)視、測(cè)站校時(shí)、遠(yuǎn)程設(shè)置等。根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50138-2010）和《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-1993）要求，水位和流速監(jiān)測(cè)設(shè)備滿(mǎn)足以下精度要求，見(jiàn)表1—2。

表1　自記水位計(jì)允許測(cè)量誤差

表2　流速儀法單次流量允許誤差

1.2測(cè)站結(jié)構(gòu)

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站主要由水位、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備、RTU遙測(cè)終端、DTU通信模塊、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)組成（如圖1所示），其中供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池和充電控制器組成，由交流電和太陽(yáng)能浮充蓄電池互補(bǔ)供電。

圖1　水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站組成

1.3測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備采用GPRS/GSM方式采集數(shù)據(jù)上傳，監(jiān)測(cè)中心站采用ADSL固定IP網(wǎng)絡(luò)接入形式接收測(cè)量終端設(shè)備數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸遵循《水資源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸規(guī)約》（SZY206-2012）要求。信息傳輸流程，如圖2所示。

圖2　信息傳輸流程

1.4測(cè)站工作方式

測(cè)站采用自報(bào)式與查詢(xún)－應(yīng)答式相結(jié)合的混合式工作方式。

（1）自報(bào)式。自報(bào)式是一種由遙測(cè)終端發(fā)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸體制。報(bào)汛站通常處于微功耗的掉電狀態(tài)，由事件（如流量計(jì)有流量時(shí)輸出一信號(hào)）觸發(fā)或定時(shí)觸發(fā)，在滿(mǎn)足發(fā)送條件時(shí)主動(dòng)向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，然后即可返回掉電狀態(tài)。其中，增量自報(bào)（加密自報(bào)）為每當(dāng)被測(cè)的數(shù)值發(fā)生一個(gè)規(guī)定的增減量變化時(shí)增加采集和發(fā)送的頻率；定時(shí)自報(bào)為每隔一定時(shí)間間隔，不管參數(shù)有無(wú)變化，即采集和報(bào)送一次數(shù)據(jù)，中心的數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于值守狀態(tài)；限時(shí)自報(bào)為防止數(shù)據(jù)波動(dòng)太大造成采集終端發(fā)射過(guò)于頻繁，采集終端具有限時(shí)發(fā)送功能，即在一次流量發(fā)送之后的一定時(shí)間間隔內(nèi)，即使流量變幅超過(guò)預(yù)先設(shè)定值也不發(fā)送，只有超過(guò)一定時(shí)間間隔以后的流量變化，采集遙測(cè)終端才發(fā)送。

（2）查詢(xún)－應(yīng)答式。查詢(xún)－應(yīng)答式是一種由數(shù)據(jù)采集中心發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，遙測(cè)終端收到該命令后再返回?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通信體制。測(cè)站隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)中心站的命令，收到中心站命令后根據(jù)命令要求完成指定的操作（發(fā)送數(shù)據(jù)，按時(shí)間段成塊發(fā)送或發(fā)送當(dāng)前值）。

2　測(cè)站配置及支架結(jié)構(gòu)

2.1測(cè)站配置

水資源監(jiān)測(cè)站組成，如圖3所示。其中，第一部分是系統(tǒng)控制部分，主要設(shè)備安裝在系統(tǒng)控制箱中；第二部分為雷達(dá)測(cè)速控制部分，主要設(shè)備安裝在立柱橫臂中；第三部分由太陽(yáng)能電池板和蓄電池組成，蓄電池安裝在電池箱中，太陽(yáng)能電池板架設(shè)在室外；第四部分為中心站的數(shù)據(jù)接收處理軟件。

圖3　水資源監(jiān)測(cè)站組成

（1）設(shè)備配置及主要功能。監(jiān)測(cè)站配置采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)及附屬設(shè)施，包括采集水位、水面流速測(cè)驗(yàn)設(shè)備，RTU遙測(cè)終端、DTU通信模塊、GPRS數(shù)據(jù)卡，蓄電池、太陽(yáng)能電池板、充電控制器，電源、信號(hào)防雷模塊，系統(tǒng)控制器、流量計(jì)算終端、雷達(dá)測(cè)速控制器、傾斜計(jì)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、溫度傳感器、設(shè)備終端箱、水尺、支架（含振動(dòng)傳感器）、直流伺服電機(jī)，以及數(shù)據(jù)處理軟件。

水位測(cè)驗(yàn)設(shè)備采用雷達(dá)式水位計(jì)，水面流速測(cè)驗(yàn)設(shè)備采用雷達(dá)波測(cè)速探頭采集水面流速。系統(tǒng)控制器根據(jù)雷達(dá)波測(cè)速探頭的安裝高程、起點(diǎn)距位置、水位及測(cè)速垂線(xiàn)起點(diǎn)距，計(jì)算雷達(dá)波測(cè)速探頭的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)雷達(dá)測(cè)速控制器控制直流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，采集雷達(dá)式水位計(jì)的水位數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口通信線(xiàn)給雷達(dá)測(cè)速控制器發(fā)送測(cè)流指令，接收雷達(dá)測(cè)速控制器輸出的水面流速等數(shù)據(jù)，同步采集蓄電池供電電壓數(shù)據(jù)，響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)加測(cè)指令，通過(guò)串口將水位、流速等數(shù)據(jù)發(fā)送給流量計(jì)算終端，接收流量計(jì)算終端回傳的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給遙測(cè)終端機(jī)，響應(yīng)遙測(cè)終端機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的中心站校時(shí)指令和中心站的遠(yuǎn)程召測(cè)指令，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，將異常狀態(tài)通過(guò)短信方式發(fā)送。直流伺服電機(jī)響應(yīng)雷達(dá)波測(cè)速控制器工作指令，按設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。雷達(dá)測(cè)速控制器響應(yīng)系統(tǒng)控制器發(fā)送的各類(lèi)工作指令，控制直流伺服電機(jī)啟動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，控制雷達(dá)波測(cè)速探頭工作，接收雷達(dá)波測(cè)速探頭發(fā)送的水面流速數(shù)據(jù)，采集傾斜傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口回傳給系統(tǒng)控制器。傾斜傳感器測(cè)量雷達(dá)波測(cè)速探頭的傾斜角度，轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)輸出。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝直流伺服電機(jī)，按指定角度實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波測(cè)速探頭的旋轉(zhuǎn)。

（2）蓄電池容量和太陽(yáng)能電池板。水位監(jiān)測(cè)站的功耗主要和測(cè)驗(yàn)次數(shù)有關(guān)，如果測(cè)驗(yàn)次數(shù)多，耗電量大，需要配備較大容量的蓄電池。如果測(cè)驗(yàn)次數(shù)少，則配備的蓄電池容量相應(yīng)較小。為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)控制器對(duì)所有傳感器采用控電模式，當(dāng)系統(tǒng)收到＜開(kāi)始測(cè)流＞工作指令后，給所有傳感器供電，完成測(cè)驗(yàn)后對(duì)所有傳感器斷電。設(shè)計(jì)平均每天測(cè)流4次，斷面上共有3根測(cè)流垂線(xiàn)，每次測(cè)流直流伺服電機(jī)的工作時(shí)間為5min左右，每天測(cè)流2次的時(shí)間則為20min。安全系數(shù)取1.2，日平均耗電量取0.94 Ah，溫度修正系數(shù)取1，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天時(shí)取45 d，蓄電電池放電深度取0.75，經(jīng)計(jì)算得到的蓄電池最低容量為1.2×0.94×1×30×1/0.75=45.12（Ah），考慮蓄電池本身的損耗和功率，選用100 Ah的蓄電池，配套選用40W太陽(yáng)能電池板。

（3）數(shù)據(jù)接收軟件。實(shí)時(shí)顯示遙測(cè)站點(diǎn)的水位和流量數(shù)據(jù)，切換單顯示水位和流量信息；可以切換顯示電壓、溫度、雷達(dá)波測(cè)速探頭傾斜角度等工況信息；可以按圖表結(jié)合方式顯示整體或單個(gè)站點(diǎn)的水位、流量等數(shù)據(jù)及單個(gè)站點(diǎn)某個(gè)時(shí)段的水位-流量過(guò)程線(xiàn)；可以按圖表結(jié)合方式顯示整體或單個(gè)站點(diǎn)的電壓、溫度、雷達(dá)波測(cè)速探頭傾斜角度等工況數(shù)據(jù)；可以編輯、修改、刪除、添加站點(diǎn)信息，查看某個(gè)站點(diǎn)的基本信息以及設(shè)備信息；可以對(duì)某個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程流量加測(cè)操作，查詢(xún)某個(gè)站點(diǎn)的加測(cè)記錄；可以解析固態(tài)存儲(chǔ)的流速數(shù)據(jù)，人工輸入對(duì)應(yīng)時(shí)間的水位值后可以重新計(jì)算生成流量數(shù)據(jù)；可以查詢(xún)水位、流量歷史數(shù)據(jù)，形成和打印規(guī)范報(bào)表；可以保存每日系統(tǒng)工作狀態(tài)，形成日志文件。

2.2支架結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)固定式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)固定式雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)

雷達(dá)波測(cè)速探頭從立柱開(kāi)始采用橫臂往河道方向外伸6～8m。橫臂末端安裝底板，不銹鋼旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在底板上，雷達(dá)波測(cè)速探頭安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。雷達(dá)式水位計(jì)采用抱箍方式安裝在橫臂上。傾斜計(jì)等傳感器安裝在雷達(dá)波測(cè)速探頭的安裝支架上。所有傳感器的供電線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)，從橫臂管中間穿過(guò)，拉到立柱處。雷達(dá)波測(cè)速探頭在橫臂上的安裝示意，如圖5所示。

圖5　雷達(dá)波測(cè)速探頭在橫臂上的安裝示意

根據(jù)《水利水電工程水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL566-2012）要求，本測(cè)站應(yīng)滿(mǎn)足50年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)。雷達(dá)式水位計(jì)應(yīng)垂直安裝在待測(cè)水面上，雷達(dá)波測(cè)速儀安裝在測(cè)速垂線(xiàn)上方。自雷達(dá)式水位計(jì)探頭至水面之間的周邊，在保證探頭的發(fā)射角內(nèi)；安裝支架側(cè)臂與安裝支架之間要有支撐桿，要求側(cè)臂與支撐桿能夠伸縮、放下，便于檢修。

3　測(cè)站設(shè)備比測(cè)率定

3.1水位計(jì)的比測(cè)、校測(cè)

（1）比測(cè)。水位計(jì)應(yīng)進(jìn)行比測(cè)。比測(cè)時(shí)，按照水位變幅分幾個(gè)段次分別進(jìn)行，每段比測(cè)次數(shù)應(yīng)在30次以上。比測(cè)結(jié)果應(yīng)符合置信水平95%的綜合不確定度不超過(guò)3 cm，系統(tǒng)誤差為±1 cm。比測(cè)合格后，水位計(jì)可正式使用，比測(cè)的資料可作為正式資料。

（2）校測(cè)。采用水尺觀測(cè)值進(jìn)行校測(cè)。校測(cè)頻次根據(jù)設(shè)備穩(wěn)定性、水位漲落率和巡測(cè)條件確定。校測(cè)水位與自記水位系統(tǒng)偏差超過(guò)±2 cm時(shí)，應(yīng)重新設(shè)置水位初始值。

3.2流速比測(cè)

根據(jù)水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范，采用人工測(cè)量測(cè)速垂線(xiàn)上的流速作為率定的基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)測(cè)建立測(cè)速垂線(xiàn)處水面流速與垂線(xiàn)平均流速系數(shù)關(guān)系，構(gòu)建該斷面上若干條垂線(xiàn)平均流速與斷面平均流速間的相關(guān)關(guān)系或數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到斷面平均流速。同時(shí)，利用雷達(dá)式水位計(jì)實(shí)測(cè)當(dāng)前水位，得到斷面面積，采用傳統(tǒng)的流速面積法計(jì)算得到斷面流量。

4　測(cè)站基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工

4.1水尺

建設(shè)水尺1組，水尺采用搪瓷成品，長(zhǎng)度為150 cm。其基礎(chǔ)采用鋼混結(jié)構(gòu)，尺寸為100 cm×100 cm，埋深為1.5m，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，保護(hù)層厚度5 cm。具體施工過(guò)程為開(kāi)挖基坑、夯實(shí)素土、綁扎基礎(chǔ)鋼筋和支模、澆筑C30混凝土、安裝搪瓷水尺。

4.2水位計(jì)支架

雷達(dá)式水位計(jì)支架位于主槽邊，采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)，灌注樁直徑800 cm、深度8m，混凝土標(biāo)號(hào)為C30；樁頂為基礎(chǔ)承臺(tái)，尺寸為100 cm×100 cm× 100 cm，混凝土標(biāo)號(hào)為C30。支架選用鋼管，以懸臂安裝。支架立柱采用12角椎體桿，上口內(nèi)徑為206mm，下口內(nèi)徑為370mm；懸臂橫桿采用8角椎體桿，上口內(nèi)徑為110mm，下口內(nèi)徑為150mm。立柱及橫桿整體進(jìn)行熱鍍鋅防腐，柱腳錨栓直徑24mm、長(zhǎng)度2.16m，懸臂橫桿與立柱、立柱與基礎(chǔ)采用法蘭盤(pán)連接。

4.3防雷設(shè)施

防雷基礎(chǔ)采用4～8只、厚4mm、長(zhǎng)2m國(guó)標(biāo)鍍鋅鋼板，埋設(shè)在水位計(jì)支架混凝土基礎(chǔ)處。鍍鋅鋼板間用鍍銀專(zhuān)用線(xiàn)連接，組成接地網(wǎng)，周?chē)畛涔I(yè)鹽，接地電阻達(dá)到4Ω以下，接地網(wǎng)連接線(xiàn)引至混凝土基礎(chǔ)處。

安陽(yáng)河口水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站建設(shè)對(duì)完善漳衛(wèi)南運(yùn)河水文站網(wǎng)及功能、提高水資源監(jiān)測(cè)能力具有重要意義，同時(shí)可以滿(mǎn)足水資源精細(xì)化管理的需要，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供全面服務(wù)。

［1］SZY201-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］SZY202-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］SZY203-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］SZY204-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］SZY205-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］SZY206-2012，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］SL365-2007，水資源水量監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［8］SL566-2012，水利水電工程水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］SL61-2003，水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.

［10］SL415－2007，水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［11］GB/T50138-2010，水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［12］GB50179-1993，河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.

［13］SL306-2004，水利系統(tǒng)通信運(yùn)行規(guī)程［S］.

TV11；P336

B

1004-7328（2016）05-0044-04

2016—08—25

吳曉楷（1968—），女，高級(jí)工程師，主要從事水文站網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)管理及水文水資源調(diào)查評(píng)價(jià)和論證工作。