智慧水利背景下小型水库雨水情感知技术应用现状研究

吴 浩，王子文，董友龙，张 峰

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.沂沭河水利管理局大官庄水利枢纽管理局，山东 临沂 276700）

0 引言

小型水库因点多面广、量大、资金少、信息化不足而导致运行管护薄弱，是新阶段水利高质量发展的短板。同时，小型水库运行信息感知能力不足，难以为智慧水利“预报、预警、预演、预案”提供技术支撑，无法保障水库安全运行。为此，十四五期间，各省根据地域特点、气候条件、分布情况、经济状况等多种因素进行了小型水库信息化方案设计，主要涵盖监测信息感知、传输、汇集、应用和共享等功能，而其中前端感知设备是整个系统的关键部分。分析对多个省份小型水库信息化建设方案发现，方案中的雨水情测报仪器设备选型一般沿用当地设计院设计习惯，或是参考已建省内水文水资源类、山洪灾害类信息化系统，小型水库针对性不足。

雨水情测报是水利各类信息化应用的基础，小型水库信息化建设通常将视频监控与雨量、水位测报一体化设置，因此，本文综合论述小型水库信息化建设中雨水情测报要素——降水量、库水位及视频监控等3 个参数感知设备的应用现状，掌握每种仪器设备的优缺点，可为小型水库雨水情感知设施建设提供参考。

1 降水量

降水量监测有人工、自动测量两种方式，主要有翻斗式、虹吸式、超声波式、光电式和压电式等，其中技术成熟应用广泛的为虹吸式和翻斗式雨量计。

1.1 虹吸式雨量计

虹吸式雨量计组成如图1 所示，雨水自承雨器进入浮子室，水位升至虹吸管口完成一次虹吸，同时自记笔随浮子上升记录降雨过程。每次虹吸量为10mm，能够精确到0.1mm[1]。

图1 虹吸式雨量计结构图

虹吸雨量计适用于大多数场景，但对于浑浊雨质，容易造成虹吸管堵塞，导致虹吸异常[2]。该设备为非全自动设施，难免会在测量排水量、事先注水等方面存在误差。

1.2 翻斗式雨量计

翻斗式雨量计组成如图2 所示，翻斗部分是关键部件，雨水依次通过雨水口及引水漏斗，流至翻斗，积累到定量值后致使翻斗失衡而翻倒，从而触发一次信号并记录。单次翻斗雨量有0.5mm、1mm 不等。

图2 翻斗式雨量计结构图

翻斗式雨量计虽理论雨强范围为0.01～4mm/min，但实践中发现存在小雨无法测量、大暴雨误差大的问题，资料显示其各项观测误差多达9 种[3]，可归纳为最大起始误差、翻斗计量误差和器口尺寸误差等三类[4]。为克服上述误差，雨量计也在不断改进，如在雨量计的进水管道、集水表面喷涂特氟龙处理，最大消除初始误差；对翻斗进行改造减少翻转计量误差[5]，如虹吸式翻斗、微型阀门翻斗、双层/多层翻斗等，这些措施均利于提升测量精度和适用性。

1.3 超声波雨量计

超声波雨量计是利用超声测距原理测量雨量桶内液面变化，从而换算降水量。测量频率为1 次/min，最大精度可达0.1mm。

按传播介质可分为气、固、液三种，其中液介式应用广范，原理如图3 所示[6]，标准量具和液面分别将换能器发射的超声波反射回来，通过计算超声波在液体内传播的往返时间计算液面距离得到降雨量。

图3 超声波雨量计原理图

超声波雨量计取消了机械传动部件，提升了对雨强的适应性（最高可达10mm/min），满足大量程、高精度、恶劣环境的使用工况，但在雨夹雪测量时误差较大。

此外，光学式雨量计、压电式雨量计等新技术雨量计不断研发并投入应用。光学式雨量计是利用光学原理借助摄像头将降雨分解成连续的粒子，从而对降雨信息分析测量的技术。按实现原理不同分为散射技术测量和图像识别技术。压电式雨量计是通过测量逐个测定雨滴的冲击动量，假定雨滴接近落地时速度为定值，反算雨滴体积，累加得降雨量。

以上两种设备机械结构少、集成度高、可克服恶劣环境适用性，但均对后处理技术依赖程度高，且无明确的技术规范参照，在工程实践中鲜有应用。

2 库水位

库水位监测仪器按与水的相对位置关系可分为接触式和非接触式，接触式有浮子式水位计、压力式水位计、气泡式水位计、一体化水尺，非接触式主要有雷达式、超声波水位计等。与降水量监测统一选用翻斗式雨量计不同，各地方案中选用了不同类型水位计，如山东省大量采用浮子式水位计，少量的采用气泡式或雷达式水位计，有些水库则采用了一种新型电子/人工一体化水尺；湖北省对于有栈桥的水库选用浮子式水位计，其他采用气泡式水位计；广西省则选用气泡式或雷达式水位计；江西省对于有启闭机房的采用雷达式水位计，其他采用压力式水位计。

2.1 浮子式水位计

浮子式水位计是利用水的浮力使浮子实时跟随液面变化，进而带动编码器的变化，输出水位测量值[7]，量程一般为10～40m。

该类水位计量程大、稳定性好、使用寿命长，但水位井土建投资大，安装复杂，并且需定期对水位井进行清淤处理。

2.2 压力式水位计

压力式水位计是利用静水压力与水深成正比的原理，通过头部的水压传感器，测定传感器所处位置的水压，进而间接反算出水位。压力式水位计关键部件为水压传感器，为了数据的准确性，一般会同时考虑温度和气压的影响。

压力式水位计精度高、安装简便，但测量精度容易受水温和水体杂质影响，另外仪器前端的透水部件容易堵塞造成零漂现象，长期使用需定期维护校正。

2.3 气泡式水位计

气泡式水位计与压力式水位计类似，都是通过测点静水压力反算当前水位。它是采用通气管将水压传感器与水下管口进行连接，其内充满气体，管口感受的压力变化可通过通气管动态平衡传递至传感器，实现静水压力的测量。

气泡式水位计安装简单、操作灵活，同样的测量准确性易受水温、水质的影响，长期运行稳定性不高，甚至误差较大。

2.4 电子/人工一体化水尺

电子/人工一体化水尺是在传统立柱式人工水尺内部加装传感装置，满足人工直读的同时自动水位测量并记录[8]。内置传感器有触电式、电容感应式、容栅式、静磁栅式和磁致伸缩式等，电子水尺精度远高于其他类型水尺，精度可达毫米级，产品造价与精度正相关。

对于小型水库而言，多数水库无任何水位观测设施，人工水尺的建设是必选项，且小型水库水位变化范围不大，汛期的关注重点就是水位变动区域，因此，为优化工程造价，可在水位变动区域选择精度高的测体、长期处于水位以下和处于空气的区域选择精度低的测体，如此多支梯级联动的组合方式使得一体化水尺是水位测量的一种优选方案。从测量稳定性角度看，测体是利用水导电的性质，测量不受被测水体水质、水温、泥沙等情况的影响。

2.5 非接触式水位计

雷达水位计、超声波水位计均是利用垂直设于水面以上的设备“发生-反射-接收”波的原理（如图4 所示），在获取波速、传播时间后计算空高的距离，进而精确反算水位值。两者区别是超声波与雷达的电磁波不同，在空气中的传播速度易受空气理化性质的影响，气压、温度、湿度和粉尘等杂质会影响速度。

图4 雷达水位计原理图

两者均克服了接触式水位计的缺点，测量精度高、抗干扰能力强，但水面的不稳定性和杂物均对其准确性产生影响。同时，两者采用支架悬挂于水面正上方，波的性质要求测量范围不得有障碍物且存在一定“盲区”，因此适合安装在水库垂直岸边。从工程实践来看，有些设计选定的垂直岸边由于淤积等导致局部高程较高，近而低水位时无法实现测量，因此，非接触式水位计安装位置要结合现场情况综合分析选定。

3 视频监控

各地方案中，视频监控均与雨量、水位感知设施联合设置，布设在可覆盖全坝范围的坝顶上游侧。在溢洪道、闸门等部位可增设视频监控。

坝顶视频监控的立杆、供电、防雷、保护箱与雨水情设施统一考虑，针对小型水库位置偏僻、库区范围广、传输距离远、环境潮湿和24 小时安防等需求[9]，小型水库视频监控选型基本原则如下：

（1）具有夜视功能的变焦可旋转球机摄像头；

（2）满足视频实时查看和图片拍摄报送功能；

（3）可远程通过云台和变焦监视水库全景；

（4）实现自动连续循环存储，视频存储时间不少于3 天；

（5）支持多种协议接入各类平台，实现用户端视频播放和回放，满足多用户并发请求。

此外，可以采用具备图像智能识别技术的视频摄像头，实现水库区域内人员入侵、追踪、异常情况告警等智能安防功能。

4 结论

在考察多地小型水库信息化建设方案基础上，简要论述了小型水库信息化建设中降水量、库水位等雨水情感知设备的结构原理、应用优缺点等，并考虑到视频监控与雨水情测站有一体化建设的需要，对视频监控进行简要介绍，经对比分析，有以下几点认识：

（1）降水量感知设备众多，原理各异，但小型水库信息化建设实践中，几乎全部采用翻斗式雨量计，其他类型应用较少。

（2）库水位感知设备按与水的相对位置关系划分为接触式和非接触式，各类设备均广泛应用，工程实践中需充分考虑工程特性、设备适用情形及当地现有设备的协调性。

（3）视频监控与雨水情感知设备已基本实现一体化建站。

（4）小型水库数量众多，各地可结合水库坝型、规模、坝高、坝长、下游影响、通信供电条件等多个指标进行分类，给出典型设计方案，便于建设实施及运行维护。

（5）感知原理不同导致测量精度、稳定性存在差异，实践中需选择集成度高、组网方便、全自动的设备，满足户外防风、防水、防雷的需求，易维护甚至免维护。

（6）可试点探索应用光学雨量计、电子/人工一体化水尺这类在大型水库应用不多但在小型水库适用性强的仪器设备