安陽河口水情自動測報站技術方案設計

吳曉楷

（漳衛南運河管理局水文處，山東德州253009）

安陽河口水情自動測報站技術方案設計

吳曉楷

（漳衛南運河管理局水文處，山東德州253009）

安陽河是衛河的主要支流，設置入衛河口水文測站對于防洪、水資源監測非常必要。由于河口斷面地處偏遠，選擇無人值守、自動測報結合巡查的設計方案。根據《河流流量測驗規范》（GB50179-1993）要求設計的安陽河口水情自動測報系統站點結構、設備選型、比測率定方案先進可靠，可實現水位、流量在線監測，具有重要的典型示范意義。

水資源監控；水情自動測報；典型設計；安陽河

安陽河是漳衛南運河流域衛河的重要支流，安陽河入衛河沒有控制水文測站無法掌握支流來水情況，難以滿足防汛調度和落實最嚴格水資源管理制度的需要。根據水利部批復意見，2016年度建設水情自動測報系統，實現安陽河口的水位、流量在線監測。根據《河流流量測驗規范》（GB50179-1993）的要求，提出安陽河口水情自動測報系統站點結構、設備選型、比測率定方案，方案技術先進可靠，可實現水位、流量在線監測，具有重要的典型示范意義。

1　測站功能、結構及工作方式

1.1測站功能

實時自動采集河流水位、流速信息，利用GPRS上報至數據中心接收站。水位監測站長期存儲水位、流速歷史數據，支持現場數據本地或遠程下載，具有越限報警、遙測設備自動檢測、電源報警等功能。數據接收中心站通過數據接收軟件實時接收處理水位、流速數據，并進行數據轉化，對測站進行工作狀態監視、測站校時、遠程設置等。根據《水位觀測標準》（GB/T50138-2010）和《河流流量測驗規范》（GB50179-1993）要求，水位和流速監測設備滿足以下精度要求，見表1—2。

表1　自記水位計允許測量誤差

表2　流速儀法單次流量允許誤差

1.2測站結構

水情自動測報站主要由水位、流量監測設備、RTU遙測終端、DTU通信模塊、供電系統、防雷系統組成（如圖1所示），其中供電系統由太陽能電池板、蓄電池和充電控制器組成，由交流電和太陽能浮充蓄電池互補供電。

圖1　水情自動測報站組成

1.3測站數據傳輸

數據監測終端設備采用GPRS/GSM方式采集數據上傳，監測中心站采用ADSL固定IP網絡接入形式接收測量終端設備數據。數據傳輸遵循《水資源監控數據傳輸規約》（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測站工作方式

測站采用自報式與查詢－應答式相結合的混合式工作方式。

（1）自報式。自報式是一種由遙測終端發動的數據傳輸體制。報汛站通常處于微功耗的掉電狀態，由事件（如流量計有流量時輸出一信號）觸發或定時觸發，在滿足發送條件時主動向中心站發送數據，然后即可返回掉電狀態。其中，增量自報（加密自報）為每當被測的數值發生一個規定的增減量變化時增加采集和發送的頻率；定時自報為每隔一定時間間隔，不管參數有無變化，即采集和報送一次數據，中心的數據接收設備始終處于值守狀態；限時自報為防止數據波動太大造成采集終端發射過于頻繁，采集終端具有限時發送功能，即在一次流量發送之后的一定時間間隔內，即使流量變幅超過預先設定值也不發送，只有超過一定時間間隔以后的流量變化，采集遙測終端才發送。

（2）查詢－應答式。查詢－應答式是一種由數據采集中心發出數據采集命令，遙測終端收到該命令后再返回數據的數據通信體制。測站隨時監聽中心站的命令，收到中心站命令后根據命令要求完成指定的操作（發送數據，按時間段成塊發送或發送當前值）。

2　測站配置及支架結構

2.1測站配置

水資源監測站組成，如圖3所示。其中，第一部分是系統控制部分，主要設備安裝在系統控制箱中；第二部分為雷達測速控制部分，主要設備安裝在立柱橫臂中；第三部分由太陽能電池板和蓄電池組成，蓄電池安裝在電池箱中，太陽能電池板架設在室外；第四部分為中心站的數據接收處理軟件。

圖3　水資源監測站組成

（1）設備配置及主要功能。監測站配置采集系統、傳輸系統、供電系統、避雷系統及附屬設施，包括采集水位、水面流速測驗設備，RTU遙測終端、DTU通信模塊、GPRS數據卡，蓄電池、太陽能電池板、充電控制器，電源、信號防雷模塊，系統控制器、流量計算終端、雷達測速控制器、傾斜計、旋轉機構、溫度傳感器、設備終端箱、水尺、支架（含振動傳感器）、直流伺服電機，以及數據處理軟件。

水位測驗設備采用雷達式水位計，水面流速測驗設備采用雷達波測速探頭采集水面流速。系統控制器根據雷達波測速探頭的安裝高程、起點距位置、水位及測速垂線起點距，計算雷達波測速探頭的旋轉角度，通過雷達測速控制器控制直流伺服電機的旋轉，旋轉到預定位置，采集雷達式水位計的水位數據，并通過串口通信線給雷達測速控制器發送測流指令，接收雷達測速控制器輸出的水面流速等數據，同步采集蓄電池供電電壓數據，響應現場臨時加測指令，通過串口將水位、流速等數據發送給流量計算終端，接收流量計算終端回傳的數據，并通過串口發送給遙測終端機，響應遙測終端機轉發的中心站校時指令和中心站的遠程召測指令，實時監控系統運行狀態，將異常狀態通過短信方式發送。直流伺服電機響應雷達波測速控制器工作指令，按設定的旋轉角度正轉、反轉和停止。雷達測速控制器響應系統控制器發送的各類工作指令，控制直流伺服電機啟動、正轉、反轉和停止，控制雷達波測速探頭工作，接收雷達波測速探頭發送的水面流速數據，采集傾斜傳感器的信號數據，通過串口回傳給系統控制器。傾斜傳感器測量雷達波測速探頭的傾斜角度，轉換為電壓模擬信號輸出。旋轉機構安裝直流伺服電機，按指定角度實現雷達波測速探頭的旋轉。

（2）蓄電池容量和太陽能電池板。水位監測站的功耗主要和測驗次數有關，如果測驗次數多，耗電量大，需要配備較大容量的蓄電池。如果測驗次數少，則配備的蓄電池容量相應較小。為降低系統功耗，系統控制器對所有傳感器采用控電模式，當系統收到＜開始測流＞工作指令后，給所有傳感器供電，完成測驗后對所有傳感器斷電。設計平均每天測流4次，斷面上共有3根測流垂線，每次測流直流伺服電機的工作時間為5min左右，每天測流2次的時間則為20min。安全系數取1.2，日平均耗電量取0.94 Ah，溫度修正系數取1，最長連續陰雨天時取45 d，蓄電電池放電深度取0.75，經計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太陽能電池板。

（3）數據接收軟件。實時顯示遙測站點的水位和流量數據，切換單顯示水位和流量信息；可以切換顯示電壓、溫度、雷達波測速探頭傾斜角度等工況信息；可以按圖表結合方式顯示整體或單個站點的水位、流量等數據及單個站點某個時段的水位-流量過程線；可以按圖表結合方式顯示整體或單個站點的電壓、溫度、雷達波測速探頭傾斜角度等工況數據；可以編輯、修改、刪除、添加站點信息，查看某個站點的基本信息以及設備信息；可以對某個站點進行遠程流量加測操作，查詢某個站點的加測記錄；可以解析固態存儲的流速數據，人工輸入對應時間的水位值后可以重新計算生成流量數據；可以查詢水位、流量歷史數據，形成和打印規范報表；可以保存每日系統工作狀態，形成日志文件。

2.2支架結構

旋轉固定式雷達波測流系統支架結構，如圖4所示。

圖4　旋轉固定式雷達波測流系統支架結構

雷達波測速探頭從立柱開始采用橫臂往河道方向外伸6～8m。橫臂末端安裝底板，不銹鋼旋轉機構安裝在底板上，雷達波測速探頭安裝在旋轉機構上。雷達式水位計采用抱箍方式安裝在橫臂上。傾斜計等傳感器安裝在雷達波測速探頭的安裝支架上。所有傳感器的供電線和信號線，從橫臂管中間穿過，拉到立柱處。雷達波測速探頭在橫臂上的安裝示意，如圖5所示。

圖5　雷達波測速探頭在橫臂上的安裝示意

根據《水利水電工程水文自動測報系統設計規范》（SL566-2012）要求，本測站應滿足50年一遇的防洪標準。雷達式水位計應垂直安裝在待測水面上，雷達波測速儀安裝在測速垂線上方。自雷達式水位計探頭至水面之間的周邊，在保證探頭的發射角內；安裝支架側臂與安裝支架之間要有支撐桿，要求側臂與支撐桿能夠伸縮、放下，便于檢修。

3　測站設備比測率定

3.1水位計的比測、校測

（1）比測。水位計應進行比測。比測時，按照水位變幅分幾個段次分別進行，每段比測次數應在30次以上。比測結果應符合置信水平95%的綜合不確定度不超過3 cm，系統誤差為±1 cm。比測合格后，水位計可正式使用，比測的資料可作為正式資料。

（2）校測。采用水尺觀測值進行校測。校測頻次根據設備穩定性、水位漲落率和巡測條件確定。校測水位與自記水位系統偏差超過±2 cm時，應重新設置水位初始值。

3.2流速比測

根據水文測驗規范，采用人工測量測速垂線上的流速作為率定的基礎。通過實測建立測速垂線處水面流速與垂線平均流速系數關系，構建該斷面上若干條垂線平均流速與斷面平均流速間的相關關系或數學模型，計算得到斷面平均流速。同時，利用雷達式水位計實測當前水位，得到斷面面積，采用傳統的流速面積法計算得到斷面流量。

4　測站基礎設計和施工

4.1水尺

建設水尺1組，水尺采用搪瓷成品，長度為150 cm。其基礎采用鋼混結構，尺寸為100 cm×100 cm，埋深為1.5m，混凝土標號為C30，保護層厚度5 cm。具體施工過程為開挖基坑、夯實素土、綁扎基礎鋼筋和支模、澆筑C30混凝土、安裝搪瓷水尺。

4.2水位計支架

雷達式水位計支架位于主槽邊，采用混凝土灌注樁基礎，灌注樁直徑800 cm、深度8m，混凝土標號為C30；樁頂為基礎承臺，尺寸為100 cm×100 cm× 100 cm，混凝土標號為C30。支架選用鋼管，以懸臂安裝。支架立柱采用12角椎體桿，上口內徑為206mm，下口內徑為370mm；懸臂橫桿采用8角椎體桿，上口內徑為110mm，下口內徑為150mm。立柱及橫桿整體進行熱鍍鋅防腐，柱腳錨栓直徑24mm、長度2.16m，懸臂橫桿與立柱、立柱與基礎采用法蘭盤連接。

4.3防雷設施

防雷基礎采用4～8只、厚4mm、長2m國標鍍鋅鋼板，埋設在水位計支架混凝土基礎處。鍍鋅鋼板間用鍍銀專用線連接，組成接地網，周圍填充工業鹽，接地電阻達到4Ω以下，接地網連接線引至混凝土基礎處。

安陽河口水情自動測報站建設對完善漳衛南運河水文站網及功能、提高水資源監測能力具有重要意義，同時可以滿足水資源精細化管理的需要，為區域經濟社會發展提供全面服務。

［1］SZY201-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［2］SZY202-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［3］SZY203-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［4］SZY204-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［5］SZY205-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［6］SZY206-2012，國家水資源監控能力建設標準［S］.

［7］SL365-2007，水資源水量監測技術導則［S］.

［8］SL566-2012，水利水電工程水文自動測報系統設計規范［S］.

［9］SL61-2003，水文自動測報系統技術規范［S］.

［10］SL415－2007，水文基礎設施建設及技術裝備標準［S］.

［11］GB/T50138-2010，水位觀測標準［S］.

［12］GB50179-1993，河流流量測驗規范［S］.

［13］SL306-2004，水利系統通信運行規程［S］.

TV11；P336

B

1004-7328（2016）05-0044-04

2016—08—25

吳曉楷（1968—），女，高級工程師，主要從事水文站網規劃、建設管理及水文水資源調查評價和論證工作。