小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設

姜 濤,商舒婷,劉豐偉

(齊齊哈爾市水旱災害防御中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300)

0 前 言

黑龍江省齊齊哈爾市氣候條件為溫帶大陸性季風氣候,年降水量400～550ml,擁有豐富的地表水,在春季融雪、夏秋集中降水的雙重影響下,齊齊哈爾市范圍內的江河有春、夏(秋)兩個汛期。齊齊哈爾市共有水庫95座,其中大型水庫3座,中型水庫13座,農墾水庫7座,小型水庫79座。小型水庫是齊齊哈爾市防洪、灌溉、供水的重要基礎設施,其運行管理關系到小型水庫功能和效益的發(fā)揮。但是,部分小型水庫運行時間相對較長,老化損壞嚴重,當水庫遭遇暴雨洪水時,很可能會造成垮壩失事的重大事故,嚴重地威脅著下游人民生命財產的安全。通過小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施建設,構建全市水庫安全預警管理系統(tǒng),推進齊齊哈爾市小型水庫規(guī)范設施建設與運行管理,保障齊齊哈爾市小型水庫系統(tǒng)安全長效運行。

1 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設目標

1.1 提升監(jiān)測自動化水平

對于齊齊哈爾市管轄范圍內的小型水庫,現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)存在一定的運行安全隱患,難以實現(xiàn)通信、監(jiān)測的全方位自動化運行目標,信息傳輸效率偏低。這導致工作人員無法通過現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)小型水庫的雨水情與大壩安全情況,部分安全隱患無法得到有效處理。如果出現(xiàn)大規(guī)模自然降水,會增加水庫的運行風險。為此,需要通過建設小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的形式,提升監(jiān)測系統(tǒng)的自動化水平,并對部分內容做合理優(yōu)化,針對細節(jié)內容進行完善處理,有效捕捉小型水庫當前運行數(shù)據(jù),準確識別小型水庫當前存在的安全隱患。

1.2 加強數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范

在過去較長一段時間內,小型水庫的監(jiān)測系統(tǒng)是以功能性為主要建設目標,而不是監(jiān)測系統(tǒng)的運行整體性,這導致監(jiān)測設備類型存在較大差異,難以執(zhí)行同一套的通信協(xié)議,無法實現(xiàn)標準化數(shù)據(jù)傳輸目標,進而造成小型水庫安全管理水平偏低。利用小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建設內容,可以讓數(shù)據(jù)實現(xiàn)規(guī)范化傳輸,提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。也可以在此基礎上構建相應的通信管理平臺,為監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步開發(fā)、利用提供便利條件。

1.3 提升水庫監(jiān)測管理綜合水平

正因為小型水庫需要開展自動化管理,達到信息數(shù)據(jù)管理目標,就需要通過小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設內容,通過提升水庫監(jiān)測管理綜合水平的方式,推動小型水庫的標準化管理,為后續(xù)開發(fā)功能提供規(guī)范化建設指標,以便實現(xiàn)區(qū)、市、省三級化的水域自動化管理開發(fā)建設目標[1]。

2 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本結構

2.1 結構設計

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)是以信息技術作為基礎,針對水庫運行期間的各類信息做有效捕捉,以此達到實時采集設施設備運行數(shù)據(jù)與水庫周邊環(huán)境具體信息的效果。同時,將數(shù)據(jù)信息集中傳輸?shù)较鄳臄?shù)據(jù)分析及開發(fā)平臺中。對于小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),涉及水情監(jiān)測、視頻監(jiān)測、安全監(jiān)測等多個功能系統(tǒng),由眾多的前端設施設備獲取水庫運行信息,平臺對各類數(shù)據(jù)信息做分析處理。

通過軟件系統(tǒng)+硬件設備的組合方式,對于小型水庫開展高效率的運行管理,以及相應的安全預警處理,為小型水庫的工作人員提供更為準確的數(shù)據(jù)信息。需要用到雨量計、水位計等計量設備,并根據(jù)小型水庫規(guī)模,配置相應的數(shù)據(jù)采集、遙測終端等設備,做必要的防雷接地處理,布設監(jiān)測點。

2.2 功能需求

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)需要擁有水位、雨量等監(jiān)測工程,以及安全信息等采集功能,將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)剿畮毂镜亟ㄔO的數(shù)據(jù)庫中。可以將功能需求整理為以下幾項內容:①在系統(tǒng)運行過程中,需要根據(jù)預先設計的工作流程,針對各個監(jiān)測站點做實時化監(jiān)測。如果出現(xiàn)預設監(jiān)測范圍之外的數(shù)據(jù),直接進行自動報警處理;②系統(tǒng)需要將水庫運行期間的各種信息,例如水位、雨量、滲流等,以實時傳輸方式,上傳到信息監(jiān)測平臺中。同時,將圖像、視頻等內容一同傳輸,對水庫真實現(xiàn)場情況做有效監(jiān)測;③系統(tǒng)需要根據(jù)遠程控制功能,可以實現(xiàn)自動化控制與人員介入控制的流暢切換。可以根據(jù)運行需求,對相關設施設備進行遠程喚醒;④系統(tǒng)將水庫運行數(shù)據(jù)儲存時,需要以工作日志形式,存儲到數(shù)據(jù)庫中,最小存儲時間為1a,方便工作人員隨機調取有關水庫運行的歷史數(shù)據(jù),科學分析水庫近期運行情況;⑤系統(tǒng)需要使用主信道+備用信道的組合方式,開展數(shù)據(jù)傳輸作業(yè),并要設置相應的報警節(jié)點,進一步提升系統(tǒng)自動化運行的可靠性[2]。

2.3 工作流程

在小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中,總傳輸端為遙測終端機設備。系統(tǒng)前端配置若干傳感器,用于獲取水庫運行數(shù)據(jù)。在采集水庫的水文、安全等數(shù)據(jù)后,會將視頻圖像、參數(shù)信息等,利用遙測終端機設備,直接傳輸?shù)叫畔⒈O(jiān)測平臺,將數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中,便于后續(xù)的數(shù)據(jù)調用與處理工作。在傳感器采集數(shù)據(jù)信息后,還需要通過編碼器、解碼器進行相應的格式轉化,對數(shù)據(jù)做調制處理后,發(fā)送到信息監(jiān)測平臺上。對于遙測站,主要負責采集、傳輸數(shù)據(jù)。可以使用5G通信網絡,獲取各個遙測站的現(xiàn)場環(huán)境信息。合理應用光纖通信技術,實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸視頻、圖像、數(shù)據(jù)等內容,以此降低數(shù)據(jù)時延。為合理控制系統(tǒng)運行期間的電力資源消耗量,也可以在常規(guī)交流電供電模式基礎上,增加太陽能浮充供電設備,實現(xiàn)白天交流電供電,夜晚太陽能供電的供電效果。

2.4 參數(shù)監(jiān)測

在小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測中,需要設置監(jiān)測參數(shù)。對于小型水庫雨水情測報需要通過提取水庫水位、降水量等數(shù)據(jù),以整點匯報的形式進行參數(shù)上傳。比如在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測中,降水量超過1mm,水庫水位變化幅度超過1cm,需要提升參數(shù)上傳頻率,以5min的頻率進行數(shù)據(jù)匯報。對于大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng),需要監(jiān)測大壩滲流量、壓力參數(shù)、形變參數(shù)。如果監(jiān)測參數(shù)大于預設數(shù)據(jù)閾值,或是當前水庫大壩在初蓄期或是面對洪水,則要將原本的整點匯報模式縮減成5min匯報。對于監(jiān)測站點布設,需要根據(jù)具體的觀測內容,在合適位置設置相應的監(jiān)測站點。對于流域較大的小型水庫,可以考慮增設更多的觀測點。需要注意,觀測點布設位置需要保持足夠空曠條件,避免有其他建筑物遮擋觀測視野。攝像頭需要具有一定的自動變焦功能,可以對小型水庫各個位置運行數(shù)據(jù)做有效捕捉[3]。

2.5 監(jiān)測內容

小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)監(jiān)測內容,涉及滲流量、滲流壓力、形變等內容。對于滲流量,需要設置1個監(jiān)測點。如果水庫高度超過15m,需要額外增設1個監(jiān)測點;對于滲流壓力,則要以斷面數(shù)量、位置,設置相應的監(jiān)測點。比如在水庫高度超過15m時,設置一個繞壩監(jiān)測面;對于形變監(jiān)測,則要對水庫壩體的裂縫、開裂等情況進行監(jiān)測。利用開合、錯位等監(jiān)測方法,保障水庫壩體運行數(shù)據(jù)的有效采集。如果水庫大壩類型為砌石壩或混凝土壩,需要選擇壩頂位置,作為形變監(jiān)測斷面的布設位置。

3 小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設內容

3.1 雨水情測報系統(tǒng)

對于雨水情測報系統(tǒng),可以細分為水準點、水尺樁、標識條、防雷接地等四項建設內容,利用設施設備的組合應用方式,對小型水庫的雨水數(shù)據(jù)信息做有效采集與快速分析。

3.1.1 水準點

參考《水位觀測標準》(GB/T 50138-2010),根據(jù)雨水情測報系統(tǒng)中水準點的建設要求,對小型水庫水文站基礎設施開展相應的建設作業(yè)。要求以一個小型水庫一個水準點的標準進行建設,水準點需要處于小型水庫所在區(qū)域的地形穩(wěn)定位置,并將用于確認位置的標識桿設置在水準點周邊區(qū)域。使用C25質量等級的混凝土澆筑水準點基座,使用不銹鋼制作水準點主體結構,以50cm×50cm×4cm的標準,作為復合窨井蓋制作規(guī)格。使用和水準點基座相同的標準澆筑標識桿基座,主體結構使用鍍鋅鋼管,使用紅色與白色兩種反光漆,以螺旋相間方式涂刷鍍鋅鋼管。在完成水準點的埋設作業(yè)后,需要做高程水準點的引測處理,保證引測高程匹配小型水庫的引用高程,以此達到通過水準點采集小型水庫雨水情數(shù)據(jù)。

3.1.2 水尺樁

在大壩迎水坡面上,選擇合適位置設置雨水情報系統(tǒng)的水尺樁,避免出現(xiàn)水位觀測數(shù)據(jù)不精準的問題。在相同斷面位置設置同組水尺,在完成水尺樁施工作業(yè)后,需要檢測水尺樁質量是否達到穩(wěn)定使用標準。設置不銹鋼制作直立式水尺樁,整體造型為圓筒狀,設置13.3cm直徑、110cm長度,不銹鋼材料厚度要求為0.15cm。對于水尺樁底部,需要使用不銹鋼材料的法蘭做可靠固定,通過膨脹螺栓將法蘭與混凝土有效連接,做好相應的混凝土澆筑處理。

3.1.3 水位標識條

使用不銹鋼制作水位標識條,制作規(guī)格為500cm×20cm×0.15cm。打印出方便在雨中辨識的紅色標識條,設置黑色水位高程數(shù)字顯示模式。將水位標識條安裝在迎水面,通過膨脹螺栓對水位標識條做可靠固定處理。

3.1.4 防雷接地

在自然降水中,可能會伴隨雷暴氣象條件,需要對雨水情測報系統(tǒng)的監(jiān)測站點做有效防護。可以通過設置不銹鋼避雷針的方式,進行防雷接地處理,避免在雨中獲取雨水情數(shù)據(jù)時,受到雷電因素的嚴重干擾,降低數(shù)據(jù)精度,增加設施設備損壞概率,保障工作人員的人身安全。使用熱鍍鋅角鋼制作防雷接地系統(tǒng),設置0.8m的埋設深度,并要求最大接地電阻≤10Ω[4]。

3.2 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

對于視頻監(jiān)測系統(tǒng),主要由雨量計、水位計等計量設備,用于視頻監(jiān)測的攝像機與相應終端系統(tǒng),以及維持整個視頻監(jiān)測運行的通信模塊、供電系統(tǒng)等構成。在設置視頻監(jiān)測系統(tǒng)時,需要為保障系統(tǒng)的安全運行,充分提升運行功能,需要將各類設施設備設置在擁有保護功能的機箱內部,通過一體化設置模式,保障設施設備安裝的可靠性,并將視頻監(jiān)測系統(tǒng)安裝在立桿支架上。對于視頻監(jiān)測系統(tǒng)的視頻站,需要在開挖基礎后,進行相應的管網敷設、接地網鋪設等作業(yè)。需要注意,使用固定安裝模式安裝探頭,避免探頭受到水流因素影響,出現(xiàn)位置的變化情況。氣管需要以向下傾斜的方式進行安裝,最大傾斜角度不得超過5°。在水位之下的8cm位置,用于設置氣管的出氣口,避免在大雨影響下,淤泥、泥沙出現(xiàn)翻涌情況,堵塞出氣口位置,氣管出氣口最大彎曲半徑不得超過10cm。安裝通信模塊時,要利用屏蔽電纜,對其他干擾信號做有效屏蔽,避免視頻監(jiān)測系統(tǒng)通信功能受到影響。需要通過PVC管,強化對通信裝置的保護處理。3.1.4章節(jié)建設的防雷接地系統(tǒng),也需要和視頻監(jiān)測系統(tǒng)的通信模塊進行有效連接,避免在大雨、暴雨等惡劣天氣情況下,降低獲取雨水情測報的精度[5]。

3.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng),可以細分為量水堰、測壓管、土建工程等三項建設內容,通過使用水壓計、滲壓計等計量設備,配置監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設備等設施設備的運行參數(shù),獲取有關大壩運行的各項數(shù)據(jù),保障數(shù)據(jù)的精度。

3.3.1 量水堰

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的量水堰,可以考慮使用矩形斷面的施工設計模式,要求以7倍水頭作為量水堰長度標準,最小上游堰槽長度為1.5m,最小值下游堰槽長度為0.5m,根據(jù)小型水庫具體規(guī)模進行調整,并要求堰槽兩側保持平行狀態(tài),和小型水庫管理的河流流動方面保持垂直狀態(tài)。對于水尺、水位計等計量設備,需要設置在堰板上,基本是在量水堰上,根據(jù)4倍水頭長度進行設置。使用不銹鋼制作堰板,使用平面鋪設方式進行鋪設在過水堰口下游位置,需要將堰板彎曲成45°。需要關注堰口位置的堰板凹凸問題,最大凹凸誤差值≤1mm。使用水平鋪設方式鋪設堰板頂部,并要求以堰寬0.2%作為堰板頂部兩側鋪設最大差值。為有效提升量水堰水尺測量數(shù)據(jù)的精度,計量設備的最大讀數(shù)誤差≤1mm。

3.3.2 測壓管

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的測壓管,可以使用PE管或熱鍍鋅鋼管制作,以直徑50mm作為測壓管的制作標準。可以根據(jù)測壓管在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的應用情況,劃分為花管、導管兩種類型。在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設期間,要保證測壓管的均勻排列,保證鋪設的水平效果,做好測壓管內部毛刺的打磨處理與內部垃圾的清理工作。針對透水段的測壓管長度,需要保持在2m左右,利用包扎技術對測壓管做防護處理,確保測壓管內部擁有良好的封閉效果。對于測壓管接頭位置,需要通過外箍方法做可靠連接[6]。

3.3.3 土建工程

土建工程是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運行,發(fā)揮監(jiān)測功能的重要建設內容。需要在確認大壩觀測帶具體位置后,對于小型水庫場地進行相應的施工建設處理。比如在開展大壩形變監(jiān)測作業(yè)過程中,需要開展土建工程的施工建設任務,需要將基礎尺寸保持在80cm左右。使用C25質量等級的混凝土,進行裸露水泥平臺的澆筑作業(yè)。對于大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),文章選擇GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)),利用其7day×24hour的全天候運行條件,實時獲取大壩各個位置的三維坐標數(shù)據(jù),結合相應的時間信息,實現(xiàn)高效率的安全監(jiān)測作業(yè)。利用基準站+監(jiān)測站+控制中心的三級控制系統(tǒng),達到無損化的數(shù)據(jù)連接效果,從而有效監(jiān)測大壩各個位置的形變數(shù)據(jù)變化情況,相應必要的處理工作。對于土建工程內部,需要設置主筋直徑規(guī)格>1.4cm的鋼筋地籠,利用鍍鋅螺紋桿做鋼筋的有效連接,利用法蘭盤固定立桿,將地腳螺紋螺栓裸露在土建工程的外側。基準站+監(jiān)測站+控制中心的重要設施設備,需要使用厚度為0.3cm,噴涂白色油漆的鍍鋅鋼管,進行設施設備的防銹處理。

4 結 語

在建設小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)時,建議先對小型水庫所在區(qū)域的水文、汛期等情況做詳細分析,再根據(jù)水庫管理單位的經濟條件與水庫后續(xù)開發(fā)方向,結合文章理論內容,設計一套內容完善的建設方案。在方案執(zhí)行過程中,可以根據(jù)小型水庫現(xiàn)有的監(jiān)測資源,對方案細節(jié)內容做合理優(yōu)化,確保建設資源得到最大化應用,為當?shù)亟洕a提供可靠保障。