聲波式測量系統在水庫水雨情監測中的應用

王智聞 張進春 朱光明

摘 要|針對水庫特別是小型水庫環境復雜、位置偏遠、水雨情監測設施安裝難度較高、后期運維難度大、成本高等特點，提出將聲波式測量系統應用在小型水庫水雨情監測，這種測量系統安裝方便，能應用于特殊的復雜性工況，施工要求相對簡單，并且可維護性強。通過該系統的應用，大大提高了水庫運管單位防汛抗旱的科學決策能力。

關鍵詞|小型水庫;水雨情監測;聲波式測量系統

1??? 引言

湖北省是我國的水庫大省，共有各類型水庫 6275 座，其中大（1）型 8 座，大（2）型 61 座，中型 280 座，小（1）型 1211 座，小（2）型 4715 座。總庫容 1201 億立方米，占全國的 12.8%，居全國第一;水庫數量位居全國第五， 占全國的 6%。水庫水雨情監測的技術手段多種多樣，應用比較廣泛的技術有：機械波方式的超聲波，有線、無線電磁波方式的雷達，光學反射的激光，以壓力方式的壓力式、氣泡式、機械式碼盤原理的浮子等，雨量監測設備多以翻斗式雨量計為主。

早期所誕生的接觸式技術：壓力式、氣泡式、浮子式水位計，其中壓力式、氣泡式水位計安裝簡單，但容易受外界氣溫、壓力、淤泥堵塞等自然條件影響， 因其是放入水底，日常維護后很難再準確地還原到之前的位置，氣泡式還有易耗品（氣泵）昂貴等缺點。浮子式水位計因前期要建造水位井，對安裝點位及施工有一定的要求，土建投入費用高，但其結構簡單，安裝方便，可維護性好。

中期的非接觸式技術：超聲波水位計，其安裝、維護簡單，但由于超聲波容易受溫度影響且探頭只能做到單點溫度補償，大量程極易產生溫漂，再加上距離越大反射面也越大，對水平面要求也越高，有懸浮物、反射面周邊的雜草樹木，以及凹凸不平的物體都會對聲波的反射達成影響。

晚期的非接觸式技術：雷達與激光，此技術由于發射度極其小，但能量集中， 且不易受到外部溫度、濕度等自然氣候條件的影響，且不存在累積誤差，在一 定的安裝條件下能做到高精度測量。但其價格昂貴，而且安裝與超聲波式的一樣， 都要求垂直式安裝，這給實際的應用帶來諸多不便。

針對水庫特別是小型水庫資金投入有限、水庫環境復雜、位置偏遠、后期運維成本高、運維資金欠缺等特點，提出采用聲波式測量系統在小型水庫水雨情監測的應用，這種測量系統安裝方便，能應用于一些特殊的復雜性工況，對施工要求相對簡單，可維護性強。它不需要垂直式安裝，因低頻聲波的穿透性極強，特別是在相對密閉、彎曲的管道中傳輸，依然能做到很低的損耗，使得測量距離可以輕松達到上百米，這給很多江河湖泊的水位監測帶來了極大的便利。

2??? 系統組成

聲波式測量監測通過 IC 控制的控制箱采集聲波式水位計和雨量計的實際數據，并將采集到的數據傳輸至市級平臺，市級平臺對接收的數據進行整編、計算、處理后顯示，為水庫抗旱防汛調度提供數據支撐。該系統由采集層、傳輸層、應用層組成，采用物聯網、云服務、地理信息、遙感等技術，利用聲波原理的 聲波處理技術為信息采集測量系統的基礎、移動公網通信系統為保障、系統中 心及分中心數據接收處理系統為核心的中小型水庫監測預警綜合服務平臺系統。系統中心數據集中存儲、備份、管理、應用，分中心數據存儲、備份、管理、 再利用的應用模式。提供各項應用服務，包括來水預報、洪峰流量、調蓄庫容、可利用水量等自動計算。

（1）采集層

包括水位、雨量的采集。探頭發出特定頻率聲波，聲波沿導波管向水面方向傳輸，聲波遇到水面后進行反射沿導波管向傳感器方向回傳。傳感器接收到返回的聲波計算出發射和接收聲波的時間間隔，同時根據事先放置的聲環算出實時工況下最接近被測距離的真實的速度，從而得出實時的導波管的長度，再參考折段參數計算出實時水位。雨量計計算出實際儲水水深換算出水量從而得出降雨量。

（2）傳輸層

包括運營商提供的網絡和 Lora 用于數據采集的無線傳輸網絡，這是信息數據傳輸平臺和系統數據載體為信息采集提供安全可靠的傳輸通道。

（3）應用層

應用層是水庫管理應用平臺系統的核心。該層提供共享特性和各類應用服務，通過水庫監測數據綜合分析和服務的標準接口管理，快速構建業務應用。

3??? 系統特點及功能

3.1 系統特點

利用低頻聲波測距，采用聲波測距、微處理器等技術進行非接觸式測量， 其原理構造簡單，體積小、價格低、響應速度快，無機械運動部件，抗干擾能 力強，測量精度高、穩定性好，對水體質量要求低，能在惡劣的環境下安裝使用，并具備自動監測和提前預警的功能，適合于長距離、多階梯彎曲工況。具有多 級聲環動態校準，保障數據的穩定性，配備專用的上位機軟件，可進行回波掃描、參數查看設置等。

（1）廣泛適用性

適用于長期測量水庫、渠道河流、湖泊等的水位，是監測水位變化的有效監測設備。特別適用于彎曲、階梯狀、遠距離超大斜坡等復雜工況。

（2）開放的結構

具有良好的可擴展性，可以不斷改進，嚴格按照標準規約進行設計，通用性強。

（3）可擴展性

在系統整體結構的設計中采用了新的設計理念，增加了系統的靈活性、可擴展性和平衡性。系統核心為模塊化結構，基于標準數據庫結合開放的結構， 滿足未來的開發需要。

（4）穩定性和可靠性

采用工業級 32 位微控制器，安裝電源反接保護和過流過壓保護，數據加密、安全認證及 Web 看門狗保護設計，確保系統穩定。

（5）維護便利成本低

主板采用三防處理，穩定性高、耗件成本低、更換方便，便于維護。

（6）數據存儲容量大

提供 64M 的數據存儲空間，可存儲 10 年以上的采集數據。

（7）低功耗抗干擾

支持多種工作模式減少了工作功耗，采用抗電磁干擾設計，能在強電磁干擾惡劣環境中可靠工作。

（8）故障檢測功能

系統具有故障自動檢測功能，提高了系統的穩定性。

（9）GIS 模塊

基于 GIS 技術，建立數據空間模型進行水庫位置地理位置查詢管理。操作簡單靈活，界面友好，功能模塊合理。

3.2 系統的功能

（1）基本信息

基本情況管理實現對單庫或區域查詢、條件組合查詢、查詢結果分類統計等功能，能實現以餅圖、表格、動畫、圖像，以及列表方式顯示水庫基礎信息和區域統計信息，包括實時信息、水庫簡介、工程圖紙、水庫基本情況表、水庫通訊聯絡表、水庫防洪指標、放水涵、水庫汛限水位、水庫庫容關系，以及水庫下游村莊等內容。

（2）實時監控

實時在線的各項數據的顯示，包括監控數據的顯示、報警站點及數據的顯示、設備工況的顯示、水位雨量過程線、柱狀圖等。通過系統界面的顯示功能可以查詢設備運行狀態，展示水庫水位、庫容、雨量、流量、泄量、現場圖像， 支持視頻功能展示。

（3）地圖監管

可提供百度、谷歌地圖二維或三維地圖為背景，實現了在地圖上顯示所有水庫站點，點擊單一水庫以百度百科的方式顯示水庫基礎信息，包括文字簡介、水文、水庫特征值、工程效益情況等內容，同時實現了基于雨量和水位實時高效篩選站點的功能，并能夠通過區域和日期單獨檢索站點相關信息，并實現了表格與地圖數據聯動功能。

（4）圖像監視

圖像監視管理包括區域及站點名檢索、站點圖像查詢、按水位危險度和今日雨量排序，點擊大圖顯示圖像播放，顯示該站點詳細信息，能在地圖監控上定位該站點。

（5）信息查詢

實現雨量查詢、水位查詢、圖像查詢和站點狀態查詢等功能。基于行政區劃、站點名稱、開始時間和結束時間查詢出站點雨量、水位庫容、站點圖像、站點 設備工況等相關信息。

（6）統計分析

實現逐小時降雨量報表、逐小時降雨量報表、水位日均報表，年逐日平均水位報表、月蓄水情況統計表、大中小型水庫運行日報表、大中小型水庫運行日報表和蓄水量查詢等功能。

（7）預警預報

實現水位預警、雨量預警，以及設備預警等功能，通過短信網關將預警信息發送至相關責任人。

（8）系統管理

實現用戶管理及巡檢管理等功能。

4??? 系統應用

2017 年荊門市小型水庫水雨情自動測報系統改造項目啟動，項目分多個年度實施。2020 年項目全部完成，共完成水庫水雨情自動測報建設站點 699 座， 實現了全域范圍內水庫水位、雨量、現場圖像的實時監測，提升了對水庫的管理手段，有效提高了水利系統對水庫防汛抗旱及水資源有序調控的管理水平。

建設站點中大型水庫 3 座、中型水庫 21 座、小型水庫 676 座。

項目實施前，大中型水庫全部建有獨立的水雨情測報系統，所有水雨情數據都只能獨自使用，無法共享，各級水利管理部門及防汛部門無法及時掌握水庫的實時水雨情。大中型水庫都有各自的管理人員，設備維護基本到位，系統運行基本正常;小型水庫基本都屬于鄉鎮管理，水庫運行基本沒有專職人員或管理人員缺乏，且水庫地理位置比較偏僻，交通條件基本很差，大部分水庫在雨后只能靠步行才能進去，水庫降雨及水庫來水情況基本靠估。

在這種信息孤島普遍出現在大部分小型水庫水雨情數據極不準確的情況下， 我們抓住全市大力推展小型水庫除險加固工程之機，聯系相關部門，提設計、 拿方案，充分利用聲波式測量系統的優勢在已完工的小型水庫安裝聲波式測量 系統觀測設施，測量精度達到毫米級，并建設了中小型水庫監測預警綜合服務 平臺系統及手機 APP 客戶應用終端，充分解決了水管及防汛抗旱部門對水庫信息準確性和及時性的需求。

該系統具有準確、可靠、穩定、易用的特點，有較強的實用性、通用性。采集的水雨傳感數據、視頻、圖像，通過分析展現出多樣的報圖或報表、等值線或等值面，并進行深入的數據挖掘，配套短信、語音、傳真、視頻等服務， 快速、及時、多通道的預警信息發布。各級水利局可根據實際情況進行數據的多次利用。

水庫監測預警綜合服務平臺的建設從根本上解決小型水庫水雨情觀測一直以人工方式來實現、水雨情數據準確性無法保證、水庫及流域防洪沒有依據、防汛主管部門無法做出正確的防洪決策的現狀。整個水庫監測預警綜合服務平臺由本地有實力的水利信息化專業公司進行管理、維護、升級，解決了無管理機構管理，無專業技術人員維護，無后續運行維護資金的“三無” 矛盾。從而避免了以往信息化系統驗收之日也是系統癱瘓之時的怪狀。水利部門在短期內不用為該系統運行再增加投入，也不用為該系統的正常運行增加技術管理人員。

5??? 總結

我國水庫眾多，但水資源總體匱乏，水利用效率低，防汛、抗旱任務重， 水庫管理水平亟待提高。目前，極端天氣時常出現，防汛、抗旱壓力時刻擺在水利部門面前，一套準確可靠的測量系統能為水利部門提供有效數據，從而做出科學的調度，為農業灌溉增收和防汛避險減少人民財產損失具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]楊榕，陳希謠，鐘道清.一種聲波式水位計的設計[J].人民珠江， 2018，39（7）：76-78.

[2]黃高凱.水環境監測自動化系統的應用分析[J].數碼設計，2017，6（13）：58-59.

Application of Acoustic Wave Measurement System in Water and Rain Monitoring of Reservoir

Wang Zhiwen???? Zhang Jinchun??? Zhu Guangming

Hubei Zhanghe Engineering Administration Bureau， Jingmen

Abstract： In view of the reservoir， especially the small reservoir environment complex， remote location， water rainfall regime monitoring facilities installation difficulty is higher， the late operations is difficult， high cost， the characteristics of acoustic measurement system in small reservoirs water rainfall regime monitoring applications， convenient installation， this measuring system can be applied to the complexity of the special working condition and the construction demand is relatively simple， strong maintainability. Through the application of this system， the scientific decision-making ability of flood control and drought resistance of reservoir transportation management unit is greatly improved.

Key words： Small reservoir; Water and rain monitoring; Acoustic measurement system