一種便攜水雨情應急監測裝置

曹子聰， 李林興， 王晨光

(1.江蘇南水水務科技有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心， 江蘇 南京 210012； 3.天津特利普爾有限公司， 天津 300000)

近年來，我國突發自然災害頻發，導致全國范圍內突發公共水事件日益增多，如，2008年5月四川汶川地震唐家山堰塞湖，2009年2月西藏林芝雅魯藏布江古玉山體滑坡，2017年8月西藏多地受持續性降雨影響，相繼發生洪澇、泥石流災害等，這些突發公共水事件對社會公共安全構成嚴重威脅；由于全國多地特殊地理環境等因素，原有觀測站點不能滿足迅速監測的要求，為了能及時掌控受災地區水雨情狀況，迫切需要開發研究一種新的水雨情一體化監測裝置，以滿足應對突發公共水事件對水文部門迅速啟動應急水文監測的要求。為及時開展現場應急監測，有效實時救援，減少次生災害損失以及災后恢復等提供有力的數據支撐[1-2]。

1 適用條件與要求

1.1 適用條件

本設計主要用于雨量、水位的應急監測，其中雨量傳感器采用翻斗式雨量傳感器，其中雨量分辨率可選配0.1 mm、0.2 mm、0.5 mm、1.0 mm 4種規格，降雨計量精度有雨量傳感器精度決定；水位測量主要采用氣泡式水位計與陶瓷電容式壓力水位計2種，其中量程最長可達100 m。安裝固定無須使用借助任何水泥墩與基面，運用周圍重物如石塊壓在可旋轉的支撐腳上即可完成機箱的臨時固定，如想長期觀測也可利用支撐腳安裝孔與斜拉索對設備進行加固。

1.2 整體結構與特點說明

1.2.1 整體結構

應急監測裝置主要由機箱、水雨情傳感器、控制終端、通信設備、供電系統、安裝支架、外包裝組成,見圖1。其中控制終端、通信設備與供電系統一部分掛負在機箱外部，另一部分安裝在機箱內部，雨量計安裝在機箱頂部，水位傳感器如采用氣泡水位計則主體部分安裝在機箱內部，氣管投入水中，采用壓力式水位計則直接投入水中。當現場安裝完成并啟動工作后，可采用北斗衛星和手機短信2種通訊方式將數據實施上傳至中心平臺[3]。

1.2.2 特點說明

精簡結構的一體化站房設計，便于山區步行搬運或直升機運輸，在保證裝置強度與可靠性的前提下，最大化利用空間并減輕裝置整體重量。

(1)簡單牢固的運輸包裝

整套裝置外包裝為2個IPV67的欄桿防護箱，其尺寸僅為750 mm×470 mm×350 mm，總重不超過20 kg。一個防護箱放置機箱，另一個則放置太陽能電池、雨量計、壓力水位計、衛星天線與安裝支架等。

機箱采用高抗沖ABS注射成型，堅固耐壓，使用溫度-20～60℃(可根據要求定制-40℃軍用級)。封箱扣為單個注塑件，由尼龍注射而成，即受較大沖擊也不會脫落。防水條采用條狀發泡硅橡膠，使機箱具有極強的防塵、防水、防腐蝕性能，即使在惡劣環境也能有效保護內部設備。機箱內部配有專用海綿，以便設備整齊有序的放置在防護箱里，將震動、跌落對儀器設備的沖擊減小到最低。

(2)精簡的機箱內部結構設計

機箱采用上下分隔式，上層為控制元件、通訊模塊等，下層為電池與衛星天線日常存放，見圖2。其中為充分利用機箱縱向空間，將上層安裝設計成2層安裝板，底層放置氣泡水位計、充電控制器等無須操作與顯示的部件，上層則安裝GPRS通訊模塊和控制終端，同時將控制終端顯示屏與按鍵移至機箱門上，以方便操作者進行操作。

為保證應急監測數據的及時性與人員的生命，要求裝置能在不依賴任何工具情況下，徒手完成裝置的安裝調試，且耗時較少，牢固可靠。

裝置整體安裝均采用M6與M8的手擰與蝶形螺釘，用手即可將支架、機箱與傳感器三者間固定牢固。機箱內部線都預先接好，外部線如太陽能電池、水雨情傳感器、衛星等需安裝的部件均采用接插件形式聽過插拔進行安裝。整體安裝調試過程不需要使用任何規格型號起子與扳手即可使儀器固定并工作，設備整體安裝時間不超過3 min。

太陽能電池支架設計主要從便捷性與牢固2個方面考慮，其由2種1.5 mm厚不銹鋼折彎條構成。支架甲與太陽能電池預先用緊固件固定，其頭部焊接有固定彎角，彎角角度為120°，可保證太陽板與水平成60°布置。支架用乙緊固件固定在前支架底部，可靈活旋轉，支架底部有開槽，供卡在機箱底部緊固件上收緊固定，這樣使太陽能電池形成四點支撐，固定牢固，裝卸方便。支架與太陽能電池形成整體，現場安裝只需掛在機箱側面即可，用2個緊固件擰緊。

雨量計安裝固定設計主要考慮如單獨在機箱周圍固定還需要專門基礎，且延長線過長且不美觀，所以采用安裝在機箱頂部方式，既保證降雨計量不受影響，同時儀器整體性得到保障。

衛星天線固定設計從衛星傳輸角度考慮要盡量抬高其安裝高度，所以安裝在雨量計側方，當需要調整天線方向時可通過調整機箱朝向來實現，天線整體安裝高度略低于雨量計承雨器口沿，在不影響雨量計計量精度的前提下提高衛星天線線號強度。其支架設計采用不銹鋼焊接的轉接頭、延長桿與安裝板構成，安裝板上焊有加強筋以保證天線安裝強度，轉接頭內部加工與衛星天線座相匹配的英尺螺紋，底部是中空的延長桿，其內徑與衛星插頭相匹配，可將整個天線引線穿過其中接入機箱內部固定，整體美觀大方，又能起到保護引線的作用，見圖3。

1.2.3 通訊方式的選擇和信號的保證

太陽能電池板的安裝設計主要從便捷性與牢固2個方面考慮，其特制安裝支架由2種1.5 mm厚不銹鋼折彎條構成，一種支架與太陽能電池預先用緊固件固定在太陽能電池上，其頭部焊接有專用彎角，彎角角度為120°，可保證太陽板與水平成60°布置。另一種支架用緊固件固定在前支架底部，可靈活旋轉，支架底部有開槽，供卡在機箱底部緊固件上收緊固定，這樣使太陽能電池形成四點支撐，固定牢固，裝卸方便。支架與太陽能電池形成整體，現場安裝只需掛在機箱側面即可，用2個緊固件擰緊即可。

雨量計安裝固定設計主要考慮如單獨在機箱周圍固定還需要專門基礎，且延長線過長且不美觀，所以采用安裝在機箱頂部方式，既保證降雨計量不受影響，同時儀器整體性得到保障。

衛星天線固定設計從衛星傳輸角度考慮要盡量抬高其安裝高度，所以安裝在雨量計側方，當需要調整天線方向時可通過調整機箱朝向來實現，天線整體安裝高度略低于雨量計承雨器口沿，在不影響雨量計計量精度的前提下提高衛星天線線號強度。其支架設計采用不銹鋼焊接的轉接頭、延長桿與安裝板構成，安裝板上焊有加強筋以保證天線安裝強度，轉接頭內部加工與衛星天線座相匹配的英尺螺紋，底部是中空的延長桿，其內徑與衛星插頭相匹配，可將整個天線引線穿過其中接入機箱內部固定，整體美觀大方，又能起到保護引線的作用。

2 應 用

裝置整體安裝均采用手擰與蝶形螺釘，接線均采用插拔形式，整體安裝調試過程不需要使用任何規格型號起子與扳手即可使儀器固定并工作，設備整體安裝時間不超過3 min，架設迅速，安裝牢固，拆卸方便，特別適宜爭分奪秒的應急搶險過程中使用。

雨量計與衛星天線用蝶形螺釘固定在機箱頂部，并將信號線通過機箱側面水接口穿入箱體內部用插頭與控制器相接。

將太陽能電池部件頭部2個彎角插入箱體側面焊接的掛耳處，同時將部件側面小支架放平扣入機箱底部手擰螺釘位置，并將手擰螺釘擰緊以固定。

底部彎角提供2種固定方式，一是運用彎角底部安裝孔用膨脹螺釘固定。二是運用重物壓在彎角上起到臨時固定，并可利用機箱頂部雨量計彎角拉牽引加固。

通過便攜水雨情應急監測裝置的應用，可滿足水文應急監測需要，有效實時救援，減少次生災害損失以及災后恢復等提供有力的數據支撐[4]。

3 結 語

這種水雨情便攜應急監測機箱在充分吸收以往應急監測裝置的優點的基礎上，針對應急監測的特殊性，不使用任何其他輔助工具就能完成設備的安裝和使用，在有限是空間下盡量減輕裝置重量和大小，提高裝置的便攜性與通用性，以便設備的推廣使用。本項產品已于2020年6月獲得實用新型專利《便攜式水雨情應急監測裝置》(專利號：ZL201922173344.3)一項。