楊永林，曹鐸騫，朱宏

（1.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津300181；2.華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津300170；3.海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300021）

雷達(dá)水位計(jì)在克東縣山洪災(zāi)害防治中的應(yīng)用

楊永林1，曹鐸騫2，朱宏3

（1.天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司，天津300181；2.華北水利水電工程集團(tuán)有限公司，天津300170；3.海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300021）

通過應(yīng)用于黑龍江山洪災(zāi)害防治非工程項(xiàng)目自動(dòng)水位站的雷達(dá)水位計(jì)儀器的介紹，闡述了該傳感器的特點(diǎn)及優(yōu)越性能。雷達(dá)水位計(jì)是一種高精度的非接觸式水位測量儀器，不需要建測井，安裝檢修方便，可直接測量自然河道水位。該儀器自動(dòng)化程度高，可將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至山洪預(yù)警平臺(tái)，提高了山洪災(zāi)害防御能力。

雷達(dá)水位計(jì)；山洪災(zāi)害防治；克東縣

1 引言

山洪通常是由強(qiáng)降雨在山丘區(qū)引發(fā)的突發(fā)性洪水，其洪水位一般陡漲陡落，常常誘發(fā)山體滑坡和泥石流，危害巨大。山洪產(chǎn)生的影響因素很多，主要包括降雨特性（如強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨量、時(shí)空分布）和流域本身的特性（如流域面積、長度、坡度、形狀、土壤類型和土地利用及植被覆蓋等情況）。由于這些因素的綜合作用以及山洪產(chǎn)生機(jī)理的復(fù)雜性，山洪災(zāi)害的防治工作充滿了挑戰(zhàn)性。近年來，我國大江大河的防洪標(biāo)準(zhǔn)得到明顯提高，中小河流的洪災(zāi)問題特別是山區(qū)小流域的山洪致災(zāi)問題逐漸突顯。在所有洪澇災(zāi)害死亡人數(shù)中，因山洪造成的死亡人數(shù)比例居高不下并且有遞增趨勢，山洪災(zāi)害防治工作勢在必行。

根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)全國中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治若干意見》（國發(fā)〔2010〕31號(hào)）和已經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)的《全國中小河流治理和中小水庫除險(xiǎn)加固、山洪地質(zhì)災(zāi)害防治、易災(zāi)地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理總體規(guī)劃》（以下簡稱《總體規(guī)劃》），全國山洪災(zāi)害防治和中小河流監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警體系建設(shè)是完善防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。全國山洪災(zāi)害防治涉及30個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的2 058個(gè)縣（區(qū)、市），防治區(qū)面積487萬km2。其建設(shè)內(nèi)容主要包括災(zāi)害調(diào)查與評價(jià)、監(jiān)測站點(diǎn)布局、預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、群測群防體系建設(shè)等。

根據(jù)國家防總要求，按照克東縣防辦2013年上報(bào)的需要建設(shè)的內(nèi)容，黑龍江省組織編制完成《黑龍江省山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目實(shí)施方案（2013—2015年）》以及各年度實(shí)施方案，上述方案已通過水利部松遼水利委員會(huì)審查，并上報(bào)國家防辦備案。其建設(shè)任務(wù)包括克東縣山洪災(zāi)害調(diào)查分析評價(jià)、非工程措施補(bǔ)充完善等。

烏裕爾河為嫩江水系一級支流，位于克東縣縣境北部，距縣城南7.5 km。該河發(fā)源于小興安嶺西南麓山前臺(tái)地的沼澤地中，自北安市流入縣境，流經(jīng)縣內(nèi)的玉崗鎮(zhèn)、寶泉鎮(zhèn)、金城鄉(xiāng)，西至克東縣河南鄉(xiāng)永興村流入克山縣?？h內(nèi)河流長49 km，流域面積98 km2，通過克東縣境內(nèi)的多年平均過境水量為4.79×108m3。烏裕爾河河床不穩(wěn)定，常變遷改道，彎曲系數(shù)在1.1左右，平均比降1∶4 000。受季節(jié)影響，夏秋流量大，春季流量少，冬季斷流，兩岸多為坡耕地。紅衛(wèi)大橋自動(dòng)雷達(dá)水位站位于寶泉鎮(zhèn)紅星村，地理位置為東經(jīng)126°12′51″、北緯48°9′39″。

2 雷達(dá)水位計(jì)工作原理和安裝要求

紅衛(wèi)大橋雷達(dá)水位站采用的是德國恩德斯豪斯的Micropilot雷達(dá)水位計(jì)。Micropilot雷達(dá)水位計(jì)依托恩德斯豪斯最新兩線制生產(chǎn)平臺(tái)，結(jié)合全新MEK矢量動(dòng)態(tài)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)儀表全工況水位測量，精度高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性優(yōu)異。此外，該產(chǎn)品還充分考慮到現(xiàn)場應(yīng)用、實(shí)際維護(hù)與實(shí)時(shí)測量的復(fù)雜性與多變性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸和儀表維護(hù)等方面進(jìn)行了全面的升級和提高。該雷達(dá)儀表具備較強(qiáng)的抗干擾能力，寬泛的電壓使用范圍和較大的檢測量程；采用平板天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效抵抗冷凝、水汽等物理干擾；依托專利MEK矢量跟蹤技術(shù)，能夠精確定位水面位置，動(dòng)態(tài)跟蹤并記錄回波曲線，做到不受隨機(jī)干擾、水位波動(dòng)的影響準(zhǔn)確識(shí)別正確回波；可以實(shí)現(xiàn)30 m量程的有效測量，選擇特殊高頻模塊能夠?qū)崿F(xiàn)最大40 m量程的檢測；具有極低的功耗設(shè)計(jì)，寬泛的供電范圍滿足交/直流電、電池供電、太陽能供電等不同的使用需求；標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議及接口符合水利行業(yè)的技術(shù)規(guī)范和要求；采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，維護(hù)更簡單、更便捷。雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 雷達(dá)水位計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 工作原理

用于水位檢測的非接觸式高頻雷達(dá)水位計(jì)，基于時(shí)域反射技術(shù)（英文簡稱TDR）。其工作原理是雷達(dá)水位傳感器發(fā)射雷達(dá)脈沖，隨后接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時(shí)間T，依據(jù)電磁波的傳播速度C（常數(shù)）計(jì)算探頭到水面的距離，再根據(jù)傳感器安裝高程與探頭到水面的距離確定水位。其計(jì)算公式為：

式中：D為雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離（m）；C為光速（m/s）；T為電磁波運(yùn)行時(shí)間（s）。

以雷達(dá)水位計(jì)為傳感器組成的自動(dòng)水位站，通過無人值守、有人看管的管理模式建設(shè)。水位站還配置了遙測終端（英文簡稱RTU）、通信終端、電源系統(tǒng)（太陽能電池板和蓄電池）、避雷系統(tǒng)（接地電阻應(yīng)小于4 Ω），實(shí)現(xiàn)水情信息的自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸。電源系統(tǒng)中的太陽能板為峰值功率20 W的單晶電池片，蓄電池為38 Ah的12 V直流免維護(hù)膠體鉛酸蓄電池。太陽能電池板固定在太陽板支架上，注意太陽能板的方向，應(yīng)為南偏西約5°。水位的采集通過安裝在橫臂上的雷達(dá)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要測量時(shí)系統(tǒng)控制器給雷達(dá)水位計(jì)供電，通過RS485接口采集水位數(shù)據(jù)。

自動(dòng)水位站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)水位站設(shè)備組成結(jié)構(gòu)

2.2 安裝要求

所有設(shè)備均依照《水資源監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試》（SZY204-2012）要求進(jìn)行安裝調(diào)試、測試及聯(lián)合調(diào)試。

雷達(dá)水位計(jì)固定在懸臂水位自記平臺(tái)的橫向承管上。該承管長度為2.1 m，采用內(nèi)徑120 mm無縫鋼管，在立柱頂部以下2 m處穿過立柱，并與水流方向垂直。安置于橫向承管內(nèi)的伸臂，采用外徑100 mm厚無縫鋼管。雷達(dá)水位計(jì)固定在伸臂上，外面用遮雨罩遮擋，保證在汛期及冬季均能正常運(yùn)行。水位傳感器的供電線和信號(hào)線從伸臂管中間穿過，引入立桿處的RTU控制系統(tǒng)中。雷達(dá)水位計(jì)在伸臂上的安裝示意，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)水位計(jì)在伸臂上的安裝示意

施工時(shí)，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：①雷達(dá)水位計(jì)宜設(shè)置在河床穩(wěn)定、不易坍塌、崩岸且水位代表性好、主流不易改道的位置，應(yīng)避開回水和水工建筑物形成的影響；②基礎(chǔ)應(yīng)穩(wěn)定牢固，承載能力和抗傾覆能力滿足要求，確保洪水期不被洪水沖毀并保持正常收集水位資料；③支架伸臂高度至少高于最高洪水位1.0 m，且距岸邊地面高度不低于2.5 m；④確保探頭始終置于水流上方，信號(hào)反射區(qū)域內(nèi)無遮擋物，能記錄水位至歷史最高水位以上0.5 m。

3 雷達(dá)水位計(jì)汛期現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

水位每5 min采集1次，水位有變化時(shí)報(bào)送1次，無變化時(shí)不報(bào)送，為本地固態(tài)存儲(chǔ)，每日8時(shí)必須報(bào)送水位；非汛期每日2、6、8、14、20時(shí)各報(bào)送1次，報(bào)送內(nèi)容包括電池電壓、信號(hào)強(qiáng)度等。如，2016年8月10日，紅衛(wèi)大橋雷達(dá)水位計(jì)采集水深0.44 m、基準(zhǔn)值223.88 m、堤頂高程229.14 m、預(yù)警高程228.94 m，將采集的水情信息通過GPRS實(shí)時(shí)發(fā)送至克東縣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，由克東縣平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至黑龍江省防辦，給各級政府領(lǐng)導(dǎo)和防汛部門實(shí)施決策和防洪調(diào)度及搶險(xiǎn)救災(zāi)提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

4 結(jié)語

雷達(dá)水位計(jì)作為自動(dòng)水位站監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)代化儀器，不需要建測井，節(jié)省了大量的土建經(jīng)費(fèi)。該自動(dòng)水位采集傳感器精度高、穩(wěn)定性好，能夠抵抗冷凝、水汽等物理干擾，便于維護(hù)和檢修，大大減輕了人工勞動(dòng)成本。

應(yīng)用雷達(dá)水位計(jì)的山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施后，克東縣山洪災(zāi)害防御能力得到全面提升?？藮|縣山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目是克東縣洪澇災(zāi)害防治工作的一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，項(xiàng)目實(shí)施后山洪災(zāi)害防治的各項(xiàng)措施更加系統(tǒng)化、集成化和實(shí)用化，并產(chǎn)生較明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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1004-7328（2017）04-0053-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.016

2017—04—22

楊永林（1985—），男，助理工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。