安阳河口水情自动测报站技术方案设计

吴晓楷

（漳卫南运河管理局水文处，山东德州253009）

安阳河口水情自动测报站技术方案设计

吴晓楷

（漳卫南运河管理局水文处，山东德州253009）

安阳河是卫河的主要支流，设置入卫河口水文测站对于防洪、水资源监测非常必要。由于河口断面地处偏远，选择无人值守、自动测报结合巡查的设计方案。根据《河流流量测验规范》（GB50179-1993）要求设计的安阳河口水情自动测报系统站点结构、设备选型、比测率定方案先进可靠，可实现水位、流量在线监测，具有重要的典型示范意义。

水资源监控；水情自动测报；典型设计；安阳河

安阳河是漳卫南运河流域卫河的重要支流，安阳河入卫河没有控制水文测站无法掌握支流来水情况，难以满足防汛调度和落实最严格水资源管理制度的需要。根据水利部批复意见，2016年度建设水情自动测报系统，实现安阳河口的水位、流量在线监测。根据《河流流量测验规范》（GB50179-1993）的要求，提出安阳河口水情自动测报系统站点结构、设备选型、比测率定方案，方案技术先进可靠，可实现水位、流量在线监测，具有重要的典型示范意义。

1　测站功能、结构及工作方式

1.1测站功能

实时自动采集河流水位、流速信息，利用GPRS上报至数据中心接收站。水位监测站长期存储水位、流速历史数据，支持现场数据本地或远程下载，具有越限报警、遥测设备自动检测、电源报警等功能。数据接收中心站通过数据接收软件实时接收处理水位、流速数据，并进行数据转化，对测站进行工作状态监视、测站校时、远程设置等。根据《水位观测标准》（GB/T50138-2010）和《河流流量测验规范》（GB50179-1993）要求，水位和流速监测设备满足以下精度要求，见表1—2。

表1　自记水位计允许测量误差

表2　流速仪法单次流量允许误差

1.2测站结构

水情自动测报站主要由水位、流量监测设备、RTU遥测终端、DTU通信模块、供电系统、防雷系统组成（如图1所示），其中供电系统由太阳能电池板、蓄电池和充电控制器组成，由交流电和太阳能浮充蓄电池互补供电。

图1　水情自动测报站组成

1.3测站数据传输

数据监测终端设备采用GPRS/GSM方式采集数据上传，监测中心站采用ADSL固定IP网络接入形式接收测量终端设备数据。数据传输遵循《水资源监控数据传输规约》（SZY206-2012）要求。信息传输流程，如图2所示。

图2　信息传输流程

1.4测站工作方式

测站采用自报式与查询－应答式相结合的混合式工作方式。

（1）自报式。自报式是一种由遥测终端发动的数据传输体制。报汛站通常处于微功耗的掉电状态，由事件（如流量计有流量时输出一信号）触发或定时触发，在满足发送条件时主动向中心站发送数据，然后即可返回掉电状态。其中，增量自报（加密自报）为每当被测的数值发生一个规定的增减量变化时增加采集和发送的频率；定时自报为每隔一定时间间隔，不管参数有无变化，即采集和报送一次数据，中心的数据接收设备始终处于值守状态；限时自报为防止数据波动太大造成采集终端发射过于频繁，采集终端具有限时发送功能，即在一次流量发送之后的一定时间间隔内，即使流量变幅超过预先设定值也不发送，只有超过一定时间间隔以后的流量变化，采集遥测终端才发送。

（2）查询－应答式。查询－应答式是一种由数据采集中心发出数据采集命令，遥测终端收到该命令后再返回数据的数据通信体制。测站随时监听中心站的命令，收到中心站命令后根据命令要求完成指定的操作（发送数据，按时间段成块发送或发送当前值）。

2　测站配置及支架结构

2.1测站配置

水资源监测站组成，如图3所示。其中，第一部分是系统控制部分，主要设备安装在系统控制箱中；第二部分为雷达测速控制部分，主要设备安装在立柱横臂中；第三部分由太阳能电池板和蓄电池组成，蓄电池安装在电池箱中，太阳能电池板架设在室外；第四部分为中心站的数据接收处理软件。

图3　水资源监测站组成

（1）设备配置及主要功能。监测站配置采集系统、传输系统、供电系统、避雷系统及附属设施，包括采集水位、水面流速测验设备，RTU遥测终端、DTU通信模块、GPRS数据卡，蓄电池、太阳能电池板、充电控制器，电源、信号防雷模块，系统控制器、流量计算终端、雷达测速控制器、倾斜计、旋转机构、温度传感器、设备终端箱、水尺、支架（含振动传感器）、直流伺服电机，以及数据处理软件。

水位测验设备采用雷达式水位计，水面流速测验设备采用雷达波测速探头采集水面流速。系统控制器根据雷达波测速探头的安装高程、起点距位置、水位及测速垂线起点距，计算雷达波测速探头的旋转角度，通过雷达测速控制器控制直流伺服电机的旋转，旋转到预定位置，采集雷达式水位计的水位数据，并通过串口通信线给雷达测速控制器发送测流指令，接收雷达测速控制器输出的水面流速等数据，同步采集蓄电池供电电压数据，响应现场临时加测指令，通过串口将水位、流速等数据发送给流量计算终端，接收流量计算终端回传的数据，并通过串口发送给遥测终端机，响应遥测终端机转发的中心站校时指令和中心站的远程召测指令，实时监控系统运行状态，将异常状态通过短信方式发送。直流伺服电机响应雷达波测速控制器工作指令，按设定的旋转角度正转、反转和停止。雷达测速控制器响应系统控制器发送的各类工作指令，控制直流伺服电机启动、正转、反转和停止，控制雷达波测速探头工作，接收雷达波测速探头发送的水面流速数据，采集倾斜传感器的信号数据，通过串口回传给系统控制器。倾斜传感器测量雷达波测速探头的倾斜角度，转换为电压模拟信号输出。旋转机构安装直流伺服电机，按指定角度实现雷达波测速探头的旋转。

（2）蓄电池容量和太阳能电池板。水位监测站的功耗主要和测验次数有关，如果测验次数多，耗电量大，需要配备较大容量的蓄电池。如果测验次数少，则配备的蓄电池容量相应较小。为降低系统功耗，系统控制器对所有传感器采用控电模式，当系统收到＜开始测流＞工作指令后，给所有传感器供电，完成测验后对所有传感器断电。设计平均每天测流4次，断面上共有3根测流垂线，每次测流直流伺服电机的工作时间为5min左右，每天测流2次的时间则为20min。安全系数取1.2，日平均耗电量取0.94 Ah，温度修正系数取1，最长连续阴雨天时取45 d，蓄电电池放电深度取0.75，经计算得到的蓄电池最低容量为1.2×0.94×1×30×1/0.75=45.12（Ah），考虑蓄电池本身的损耗和功率，选用100 Ah的蓄电池，配套选用40W太阳能电池板。

（3）数据接收软件。实时显示遥测站点的水位和流量数据，切换单显示水位和流量信息；可以切换显示电压、温度、雷达波测速探头倾斜角度等工况信息；可以按图表结合方式显示整体或单个站点的水位、流量等数据及单个站点某个时段的水位-流量过程线；可以按图表结合方式显示整体或单个站点的电压、温度、雷达波测速探头倾斜角度等工况数据；可以编辑、修改、删除、添加站点信息，查看某个站点的基本信息以及设备信息；可以对某个站点进行远程流量加测操作，查询某个站点的加测记录；可以解析固态存储的流速数据，人工输入对应时间的水位值后可以重新计算生成流量数据；可以查询水位、流量历史数据，形成和打印规范报表；可以保存每日系统工作状态，形成日志文件。

2.2支架结构

旋转固定式雷达波测流系统支架结构，如图4所示。

图4　旋转固定式雷达波测流系统支架结构

雷达波测速探头从立柱开始采用横臂往河道方向外伸6～8m。横臂末端安装底板，不锈钢旋转机构安装在底板上，雷达波测速探头安装在旋转机构上。雷达式水位计采用抱箍方式安装在横臂上。倾斜计等传感器安装在雷达波测速探头的安装支架上。所有传感器的供电线和信号线，从横臂管中间穿过，拉到立柱处。雷达波测速探头在横臂上的安装示意，如图5所示。

图5　雷达波测速探头在横臂上的安装示意

根据《水利水电工程水文自动测报系统设计规范》（SL566-2012）要求，本测站应满足50年一遇的防洪标准。雷达式水位计应垂直安装在待测水面上，雷达波测速仪安装在测速垂线上方。自雷达式水位计探头至水面之间的周边，在保证探头的发射角内；安装支架侧臂与安装支架之间要有支撑杆，要求侧臂与支撑杆能够伸缩、放下，便于检修。

3　测站设备比测率定

3.1水位计的比测、校测

（1）比测。水位计应进行比测。比测时，按照水位变幅分几个段次分别进行，每段比测次数应在30次以上。比测结果应符合置信水平95%的综合不确定度不超过3 cm，系统误差为±1 cm。比测合格后，水位计可正式使用，比测的资料可作为正式资料。

（2）校测。采用水尺观测值进行校测。校测频次根据设备稳定性、水位涨落率和巡测条件确定。校测水位与自记水位系统偏差超过±2 cm时，应重新设置水位初始值。

3.2流速比测

根据水文测验规范，采用人工测量测速垂线上的流速作为率定的基础。通过实测建立测速垂线处水面流速与垂线平均流速系数关系，构建该断面上若干条垂线平均流速与断面平均流速间的相关关系或数学模型，计算得到断面平均流速。同时，利用雷达式水位计实测当前水位，得到断面面积，采用传统的流速面积法计算得到断面流量。

4　测站基础设计和施工

4.1水尺

建设水尺1组，水尺采用搪瓷成品，长度为150 cm。其基础采用钢混结构，尺寸为100 cm×100 cm，埋深为1.5m，混凝土标号为C30，保护层厚度5 cm。具体施工过程为开挖基坑、夯实素土、绑扎基础钢筋和支模、浇筑C30混凝土、安装搪瓷水尺。

4.2水位计支架

雷达式水位计支架位于主槽边，采用混凝土灌注桩基础，灌注桩直径800 cm、深度8m，混凝土标号为C30；桩顶为基础承台，尺寸为100 cm×100 cm× 100 cm，混凝土标号为C30。支架选用钢管，以悬臂安装。支架立柱采用12角椎体杆，上口内径为206mm，下口内径为370mm；悬臂横杆采用8角椎体杆，上口内径为110mm，下口内径为150mm。立柱及横杆整体进行热镀锌防腐，柱脚锚栓直径24mm、长度2.16m，悬臂横杆与立柱、立柱与基础采用法兰盘连接。

4.3防雷设施

防雷基础采用4～8只、厚4mm、长2m国标镀锌钢板，埋设在水位计支架混凝土基础处。镀锌钢板间用镀银专用线连接，组成接地网，周围填充工业盐，接地电阻达到4Ω以下，接地网连接线引至混凝土基础处。

安阳河口水情自动测报站建设对完善漳卫南运河水文站网及功能、提高水资源监测能力具有重要意义，同时可以满足水资源精细化管理的需要，为区域经济社会发展提供全面服务。

［1］SZY201-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［2］SZY202-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［3］SZY203-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［4］SZY204-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［5］SZY205-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［6］SZY206-2012，国家水资源监控能力建设标准［S］.

［7］SL365-2007，水资源水量监测技术导则［S］.

［8］SL566-2012，水利水电工程水文自动测报系统设计规范［S］.

［9］SL61-2003，水文自动测报系统技术规范［S］.

［10］SL415－2007，水文基础设施建设及技术装备标准［S］.

［11］GB/T50138-2010，水位观测标准［S］.

［12］GB50179-1993，河流流量测验规范［S］.

［13］SL306-2004，水利系统通信运行规程［S］.

TV11；P336

B

1004-7328（2016）05-0044-04

2016—08—25

吴晓楷（1968—），女，高级工程师，主要从事水文站网规划、建设管理及水文水资源调查评价和论证工作。