中小流域水文站監測設施設計與建設分析

杜亞平

(運城市水文水資源勘測站，山西 運城 044000)

0 引言

水文監測系統建設作為中小河流治理的重要非工程措施，系統的建成將全面提高中小河流水文監測和預警預報能力[1]。水文監測設施對合理規劃利用水土資源，預防洪澇災害具有極為重要的意義。毛家灣水文站的建設對板澗河流域持續開展監測工作十分必要。監測設施主要由水雨情監測、流量泥沙監測系統構成，其設計方案的合理與否關系到水文站數據采集的可靠性，同時小流域水文特性也決定了監測系統設計和設備選型的復雜性。

1 水文站概況

毛家灣水文站位于山西省垣曲縣毛家鎮朱家莊村，位于板澗河干流上，斷面以上控制流域面積162.0 km2，測驗方式為駐測。測驗河段河道較為順直平坦，寬度均勻，主要為礫石河床，中低水時水流集中，無分流、串溝、回水、死水等情況，坡降較為一致。右岸為沙土斜坡，左岸為干砌石陡岸，主槽與陡岸之間有灘地，左右岸間距約80 m，主槽寬約12 m。毛家灣水文站基本斷面圖見圖1。

圖1 毛家灣水文站基本斷面圖

2 監測系統設計

毛家灣水文站的監測設施建設內容包括河段測驗基礎設施、水位觀測設施設備、流量(泥沙)觀測設施設備、實時水文圖像監控系統等。

2.1 測驗河段基礎設施方案設計

測驗河段的基礎設施包括斷面樁、斷面標志、基線樁、水準點等。

2.1.1 斷面樁

基本水尺斷面，上、下比降斷面左右岸各設斷面樁1個，共6個，均處于歷年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，采用0.6 mm的白色彩鋼板加工而成的圓形鋼管，管內捆綁三根直徑6 mm鋼筋，鋼管下穿兩根長500 mm、直徑10 mm鋼筋，下焊一根帶鉤型直徑6 mm鋼筋(和鋼管內砼凝固在一起)，圓蓋上貼上兩片半圓紅白反光膜(圓錐形標志和兩片半圓紅白反光膜的中心線表示河道斷面線)，見圖2。

圖2 斷面樁

2.1.2 基線樁

基線垂直于基本水尺斷面，需新設置2個。采用300 mm×300 mm×2000 mm的C20預制砼樁，樁中心使用φ14長400 mm的鋼筋作為標志，應高出混凝土樁頂面20 mm。斷面樁內配置4根Φ8 mm主筋和間距為100 mm的箍筋，箍筋直徑為6 mm，高出地面100 mm。

2.1.3 斷面標志

斷面標志牌材料采用國標0.6 mm白色彩鋼板和鋁合金方管用鋁鉚釘加工成菱形方塊，貼上兩片對稱三角紅白反光膜(兩片三角紅白反光膜的中心線表示河道斷面線)，菱形方塊加工上和標志桿連接螺絲桿。標志桿用3吋熱鍍鋅管，鍍鋅管上按比例貼上數圈反光膜，鍍鋅管內捆綁三根6 mm鋼筋，鋼管下串上兩根長500 mm、直徑10 mm鋼筋，打坑澆注砼，鍍鋅管內再灌入砼。根據斷面寬度、地形、視距、能見度等因素，確定斷面標志牌尺寸及高度，見圖3。

圖3 斷面標志牌

2.1.4 水準點

在地形穩定，方便引測的地方設置歷年最高洪水位以上基本水準點1處，校核水準點2處。結構形式及尺寸見圖4。

圖4 水準點

2.1.5 保護標志牌

使用500 mm×300 mm的框架制作2塊保護標志牌，框架內錨固粘貼了反光膜和藍底白字的鍍鋅鐵皮。書寫標語內容主要是保護設施的名稱、由來和建設時間等。

2.1.6 測站標志

基本斷面設測站標志1座，位于歷年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，在C25的鋼筋混凝土基座上鑲嵌寬×高×厚為(1500×1300×100)mm的大理石板，石板上刻寫水文站名和單位等信息。

2.2 水位觀測設施方案

水文站水位觀測設施通常有直立水尺，雷達水位計和水尺護樁等。毛家灣水文站新建水位觀測設施包括上下游斷面的直立水尺12支，雷達水位計1處，水尺護樁2支。

2.2.1 直立水尺

直立式水尺由水尺樁、水尺板和基礎這3部分構成。水尺樁應與水面保持垂直，確保高程處于測站歷年最高水位0.5 m以上，最低水位0.5 m以下。同一組水尺應保持在同一斷面上，相鄰水尺重合0.2 m的觀測范圍，水尺刻度由藍、白反光膜貼面構成。

2.2.2 雷達水位計臺

雷達水位計臺通常由儀器、鋼管支架、懸臂和基礎構成。水位計不銹鋼探頭懸臂長度按照水流邊界條件調整。無縫鋼管支架高度按照水位變幅確定，使用法蘭與儀器連接。基礎使用C30的鋼筋混凝土樁。地面以下基礎為強度等級C25的鋼筋砼樁；地面以上為強度等級C25的砼柱。

2.2.3 水位信息采集儀器設備

根據對山西省水文站水位信息采集儀器設備使用情況分析，確定毛家灣水文站水位傳感器選型為非接觸式雷達水位計，信息傳輸設施設備數據采集選用終端RTU進行觀測。

(1)雷達水位計

雷達水位計采用非接觸測量，因為沒有任何部件接觸水面，所以不受水流和漂浮物沖擊、撞擊及堵塞等。同時，鑒于雷達水位計無運動部件，不需建設觀測井，從而提高了無故障工作時間。采用實時全變量自動溫度補償機制，測量精度較高，非常適用于山西省河流多泥沙測量斷面。

(2)信息傳輸設施設備

數據采集終端負責對采集信息進行存儲、計算、建立索引。同時，在相應時間內，遙測終端還需接收數據處理中心下發的各類命令已完成遠程控制。

數據采集終端RTU的功能要求為自動采集、存儲水位信息，當被測參數達到發送條件時(自報或加報)，雨量發送累計值或時段值，水位發送實時值；具有采集遙測站工作環境參數功能，如電池電壓、太陽能充電電壓、GSM信號強度等；能夠接收、處理中心站下發的測量數據、工作環境參數召測命令；定時上/下電功能；具有通過GSM自動校時功能。

GSM/GPRS模塊根據現狀選用Wavecom公司生產的GSM終端。該終端具有可靠性高、穩定快捷的優勢。尤其是在水情自動測報系統中得到了廣泛應用。并可以應用于機房監控和遠程維護、銀行儲蓄點機房監控、GSM/SMS/GPS移動車輛監控調度系統、移動辦公及管理以及其他一些應用領域。

采用YD30K045EH(K)型電源線避雷器，應用于所有遙測站，適用于各種低電流的直流配電線路及控制線路的雷電過電壓防護。

2.3 流量泥沙觀測方案

2.3.1 方案設計

該站中低水時涉水使用流速儀測流，中高水位時采用非接觸式雷達表面測流法，配置無線遙控雷達波數字化測流系統。要求安裝拆卸方便快捷、性能可靠、操作簡單、滿足高水流量測驗。內容包括：雷達測速儀、遙控設備、過河索、計算機、操作軟件、支柱等。配置防爆移動燈2臺，用于夜間觀測照明。配置泥沙信息處理分析儀器設備水樣法測沙儀器設備：泥沙采樣器2個、電子天平1個、烘箱1個、水樣桶20個。

2.3.2 設備選擇

該站中低水時涉水使用流速儀測流，中高水位時采用無線雷達波數字化測流系統及電波流速儀配合使用。配備無線遙控雷達波數字化測流系統等設施設備。雷達波測速傳感器要求：

流速范圍0.2 m/s～18 m/s；流速精度±0.03 m/s；平均時長099.9 m/s；俯角范圍可設置30°、45°、60°；水面流速小、俯角要小些，水面流速大、俯角可大些，在中到大雨情況下60°，常規用45°；波束寬度12°(錐度角)，計時分辨率：0.1 s，在風雨環境下可正常測流。

2.4 實時水文圖像監控系統

實時水文圖像監控設備包括攝像機、視頻服務器(DVS)、供電系統、避雷系統和網絡模塊組成。功能要求能實現白天和夜間可視，并在惡劣天氣中保持一定的圖像穩定性。安裝實時水文圖像監控設備1套，用于監控斷面實時水情。配置視頻服務器1套，用于遠程監控斷面實時水情。

3 結語

毛家灣水文站的建設可有效實現板澗河暴雨洪水的自動監測和預測預警、逐漸提高中小河流的災害預警和防御能力，為保障流域內人民生命財產安全提供高效可靠的水文信息服務，同時加密運城市河流水文站網密度，改善監測站點數量、種類及信息時效性難于滿足需求、現有水文站基礎設施設備相對薄弱、測報技術手段落后等水文監測現狀。