小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統建設

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測設施建設,構建全市水庫安全預警管理系統,推進齊齊哈爾市小型水庫規范設施建設與運行管理,保障齊齊哈爾市小型水庫系統安全長效運行。

1 小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統建設目標

1.1 提升監測自動化水平

對于齊齊哈爾市管轄范圍內的小型水庫,現有的監測系統存在一定的運行安全隱患,難以實現通信、監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有的監測系統,及時發現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。如果出現大規模自然降水,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測自動化系統的形式,提升監測系統的自動化水平,并對部分內容做合理優化,針對細節內容進行完善處理,有效捕捉小型水庫當前運行數據,準確識別小型水庫當前存在的安全隱患。

1.2 加強數據傳輸規范

在過去較長一段時間內,小型水庫的監測系統是以功能性為主要建設目標,而不是監測系統的運行整體性,這導致監測設備類型存在較大差異,難以執行同一套的通信協議,無法實現標準化數據傳輸目標,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測自動化系統的建設內容,可以讓數據實現規范化傳輸,提升數據傳輸的穩定性。也可以在此基礎上構建相應的通信管理平臺,為監測數據進一步開發、利用提供便利條件。

1.3 提升水庫監測管理綜合水平

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

2 小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統基本結構

2.1 結構設計

小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統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據與水庫周邊環境具體信息的效果。同時,將數據信息集中傳輸到相應的數據分析及開發平臺中。對于小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統,涉及水情監測、視頻監測、安全監測等多個功能系統,由眾多的前端設施設備獲取水庫運行信息,平臺對各類數據信息做分析處理。

通過軟件系統+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據信息。需要用到雨量計、水位計等計量設備,并根據小型水庫規模,配置相應的數據采集、遙測終端等設備,做必要的防雷接地處理,布設監測點。

2.2 功能需求

小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統需要擁有水位、雨量等監測工程,以及安全信息等采集功能,將采集的數據信息傳輸到水庫本地建設的數據庫中?？梢詫⒐δ苄枨笳頌橐韵聨醉梼热?①在系統運行過程中,需要根據預先設計的工作流程,針對各個監測站點做實時化監測。如果出現預設監測范圍之外的數據,直接進行自動報警處理;②系統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,上傳到信息監測平臺中。同時,將圖像、視頻等內容一同傳輸,對水庫真實現場情況做有效監測;③系統需要根據遠程控制功能,可以實現自動化控制與人員介入控制的流暢切換。可以根據運行需求,對相關設施設備進行遠程喚醒;④系統將水庫運行數據儲存時,需要以工作日志形式,存儲到數據庫中,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據,科學分析水庫近期運行情況;⑤系統需要使用主信道+備用信道的組合方式,開展數據傳輸作業,并要設置相應的報警節點,進一步提升系統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測自動化系統中,總傳輸端為遙測終端機設備。系統前端配置若干傳感器,用于獲取水庫運行數據。在采集水庫的水文、安全等數據后,會將視頻圖像、參數信息等,利用遙測終端機設備,直接傳輸到信息監測平臺,將數據信息存儲到數據庫中,便于后續的數據調用與處理工作。在傳感器采集數據信息后,還需要通過編碼器、解碼器進行相應的格式轉化,對數據做調制處理后,發送到信息監測平臺上。對于遙測站,主要負責采集、傳輸數據?？梢允褂?G通信網絡,獲取各個遙測站的現場環境信息。合理應用光纖通信技術,實現穩定傳輸視頻、圖像、數據等內容,以此降低數據時延。為合理控制系統運行期間的電力資源消耗量,也可以在常規交流電供電模式基礎上,增加太陽能浮充供電設備,實現白天交流電供電,夜晚太陽能供電的供電效果。

2.4 參數監測

在小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統參數監測中,需要設置監測參數。對于小型水庫雨水情測報需要通過提取水庫水位、降水量等數據,以整點匯報的形式進行參數上傳。比如在系統的數據監測中,降水量超過1mm,水庫水位變化幅度超過1cm,需要提升參數上傳頻率,以5min的頻率進行數據匯報。對于大壩安全監測自動化系統,需要監測大壩滲流量、壓力參數、形變參數。如果監測參數大于預設數據閾值,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。對于監測站點布設,需要根據具體的觀測內容,在合適位置設置相應的監測站點。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據做有效捕捉[3]。

2.5 監測內容

小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統監測內容,涉及滲流量、滲流壓力、形變等內容。對于滲流量,需要設置1個監測點。如果水庫高度超過15m,需要額外增設1個監測點;對于滲流壓力,則要以斷面數量、位置,設置相應的監測點。比如在水庫高度超過15m時,設置一個繞壩監測面;對于形變監測,則要對水庫壩體的裂縫、開裂等情況進行監測。利用開合、錯位等監測方法,保障水庫壩體運行數據的有效采集。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,作為形變監測斷面的布設位置。

3 小型水庫雨水情測報及大壩安全監測自動化系統建設內容

3.1 雨水情測報系統

對于雨水情測報系統,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據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),根據雨水情測報系統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。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域的地形穩定位置,并將用于確認位置的標識桿設置在水準點周邊區域。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據。

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的水尺樁,避免出現水位觀測數據不精準的問題。在相同斷面位置設置同組水尺,在完成水尺樁施工作業后,需要檢測水尺樁質量是否達到穩定使用標準。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的監測站點做有效防護?？梢酝ㄟ^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據時,受到雷電因素的嚴重干擾,降低數據精度,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,設置0.8m的埋設深度,并要求最大接地電阻≤10Ω[4]。

3.2 視頻監測系統

對于視頻監測系統,主要由雨量計、水位計等計量設備,用于視頻監測的攝像機與相應終端系統,以及維持整個視頻監測運行的通信模塊、供電系統等構成。在設置視頻監測系統時,需要為保障系統的安全運行,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,并將視頻監測系統安裝在立桿支架上。對于視頻監測系統的視頻站,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。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,避免視頻監測系統通信功能受到影響。需要通過PVC管,強化對通信裝置的保護處理。3.1.4章節建設的防雷接地系統,也需要和視頻監測系統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 大壩安全監測系統

對于大壩安全監測系統,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,配置監測系統、數據采集設備等設施設備的運行參數,獲取有關大壩運行的各項數據,保障數據的精度。

3.3.1 量水堰

大壩安全監測系統的量水堰,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,根據小型水庫具體規模進行調整,并要求堰槽兩側保持平行狀態,和小型水庫管理的河流流動方面保持垂直狀態。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據的精度,計量設備的最大讀數誤差≤1mm。

3.3.2 測壓管

大壩安全監測系統的測壓管,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?？梢愿鶕y壓管在大壩安全監測系統的應用情況,劃分為花管、導管兩種類型。在大壩安全監測系統建設期間,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測系統正常運行,發揮監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測作業過程中,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。對于大壩安全監測系統的數據采集系統,文章選擇GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統),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據,結合相應的時間信息,實現高效率的安全監測作業。利用基準站+監測站+控制中心的三級控制系統,達到無損化的數據連接效果,從而有效監測大壩各個位置的形變數據變化情況,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?；鶞收?監測站+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測自動化系統時,建議先對小型水庫所在區域的水文、汛期等情況做詳細分析,再根據水庫管理單位的經濟條件與水庫后續開發方向,結合文章理論內容,設計一套內容完善的建設方案。在方案執行過程中,可以根據小型水庫現有的監測資源,對方案細節內容做合理優化,確保建設資源得到最大化應用,為當地經濟生產提供可靠保障。