小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统建设

姜 涛,商舒婷,刘丰伟

(齐齐哈尔市水旱灾害防御中心,黑龙江 齐齐哈尔 161300)

0 前 言

黑龙江省齐齐哈尔市气候条件为温带大陆性季风气候,年降水量400～550ml,拥有丰富的地表水,在春季融雪、夏秋集中降水的双重影响下,齐齐哈尔市范围内的江河有春、夏(秋)两个汛期。齐齐哈尔市共有水库95座,其中大型水库3座,中型水库13座,农垦水库7座,小型水库79座。小型水库是齐齐哈尔市防洪、灌溉、供水的重要基础设施,其运行管理关系到小型水库功能和效益的发挥。但是,部分小型水库运行时间相对较长,老化损坏严重,当水库遭遇暴雨洪水时,很可能会造成垮坝失事的重大事故,严重地威胁着下游人民生命财产的安全。通过小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设,构建全市水库安全预警管理系统,推进齐齐哈尔市小型水库规范设施建设与运行管理,保障齐齐哈尔市小型水库系统安全长效运行。

1 小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统建设目标

1.1 提升监测自动化水平

对于齐齐哈尔市管辖范围内的小型水库,现有的监测系统存在一定的运行安全隐患,难以实现通信、监测的全方位自动化运行目标,信息传输效率偏低。这导致工作人员无法通过现有的监测系统,及时发现小型水库的雨水情与大坝安全情况,部分安全隐患无法得到有效处理。如果出现大规模自然降水,会增加水库的运行风险。为此,需要通过建设小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统的形式,提升监测系统的自动化水平,并对部分内容做合理优化,针对细节内容进行完善处理,有效捕捉小型水库当前运行数据,准确识别小型水库当前存在的安全隐患。

1.2 加强数据传输规范

在过去较长一段时间内,小型水库的监测系统是以功能性为主要建设目标,而不是监测系统的运行整体性,这导致监测设备类型存在较大差异,难以执行同一套的通信协议,无法实现标准化数据传输目标,进而造成小型水库安全管理水平偏低。利用小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统的建设内容,可以让数据实现规范化传输,提升数据传输的稳定性。也可以在此基础上构建相应的通信管理平台,为监测数据进一步开发、利用提供便利条件。

1.3 提升水库监测管理综合水平

正因为小型水库需要开展自动化管理,达到信息数据管理目标,就需要通过小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统建设内容,通过提升水库监测管理综合水平的方式,推动小型水库的标准化管理,为后续开发功能提供规范化建设指标,以便实现区、市、省三级化的水域自动化管理开发建设目标[1]。

2 小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统基本结构

2.1 结构设计

小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统是以信息技术作为基础,针对水库运行期间的各类信息做有效捕捉,以此达到实时采集设施设备运行数据与水库周边环境具体信息的效果。同时,将数据信息集中传输到相应的数据分析及开发平台中。对于小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统,涉及水情监测、视频监测、安全监测等多个功能系统,由众多的前端设施设备获取水库运行信息,平台对各类数据信息做分析处理。

通过软件系统+硬件设备的组合方式,对于小型水库开展高效率的运行管理,以及相应的安全预警处理,为小型水库的工作人员提供更为准确的数据信息。需要用到雨量计、水位计等计量设备,并根据小型水库规模,配置相应的数据采集、遥测终端等设备,做必要的防雷接地处理,布设监测点。

2.2 功能需求

小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统需要拥有水位、雨量等监测工程,以及安全信息等采集功能,将采集的数据信息传输到水库本地建设的数据库中。可以将功能需求整理为以下几项内容:①在系统运行过程中,需要根据预先设计的工作流程,针对各个监测站点做实时化监测。如果出现预设监测范围之外的数据,直接进行自动报警处理;②系统需要将水库运行期间的各种信息,例如水位、雨量、渗流等,以实时传输方式,上传到信息监测平台中。同时,将图像、视频等内容一同传输,对水库真实现场情况做有效监测;③系统需要根据远程控制功能,可以实现自动化控制与人员介入控制的流畅切换。可以根据运行需求,对相关设施设备进行远程唤醒;④系统将水库运行数据储存时,需要以工作日志形式,存储到数据库中,最小存储时间为1a,方便工作人员随机调取有关水库运行的历史数据,科学分析水库近期运行情况;⑤系统需要使用主信道+备用信道的组合方式,开展数据传输作业,并要设置相应的报警节点,进一步提升系统自动化运行的可靠性[2]。

2.3 工作流程

在小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统中,总传输端为遥测终端机设备。系统前端配置若干传感器,用于获取水库运行数据。在采集水库的水文、安全等数据后,会将视频图像、参数信息等,利用遥测终端机设备,直接传输到信息监测平台,将数据信息存储到数据库中,便于后续的数据调用与处理工作。在传感器采集数据信息后,还需要通过编码器、解码器进行相应的格式转化,对数据做调制处理后,发送到信息监测平台上。对于遥测站,主要负责采集、传输数据。可以使用5G通信网络,获取各个遥测站的现场环境信息。合理应用光纤通信技术,实现稳定传输视频、图像、数据等内容,以此降低数据时延。为合理控制系统运行期间的电力资源消耗量,也可以在常规交流电供电模式基础上,增加太阳能浮充供电设备,实现白天交流电供电,夜晚太阳能供电的供电效果。

2.4 参数监测

在小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统参数监测中,需要设置监测参数。对于小型水库雨水情测报需要通过提取水库水位、降水量等数据,以整点汇报的形式进行参数上传。比如在系统的数据监测中,降水量超过1mm,水库水位变化幅度超过1cm,需要提升参数上传频率,以5min的频率进行数据汇报。对于大坝安全监测自动化系统,需要监测大坝渗流量、压力参数、形变参数。如果监测参数大于预设数据阈值,或是当前水库大坝在初蓄期或是面对洪水,则要将原本的整点汇报模式缩减成5min汇报。对于监测站点布设,需要根据具体的观测内容,在合适位置设置相应的监测站点。对于流域较大的小型水库,可以考虑增设更多的观测点。需要注意,观测点布设位置需要保持足够空旷条件,避免有其他建筑物遮挡观测视野。摄像头需要具有一定的自动变焦功能,可以对小型水库各个位置运行数据做有效捕捉[3]。

2.5 监测内容

小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统监测内容,涉及渗流量、渗流压力、形变等内容。对于渗流量,需要设置1个监测点。如果水库高度超过15m,需要额外增设1个监测点;对于渗流压力,则要以断面数量、位置,设置相应的监测点。比如在水库高度超过15m时,设置一个绕坝监测面;对于形变监测,则要对水库坝体的裂缝、开裂等情况进行监测。利用开合、错位等监测方法,保障水库坝体运行数据的有效采集。如果水库大坝类型为砌石坝或混凝土坝,需要选择坝顶位置,作为形变监测断面的布设位置。

3 小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统建设内容

3.1 雨水情测报系统

对于雨水情测报系统,可以细分为水准点、水尺桩、标识条、防雷接地等四项建设内容,利用设施设备的组合应用方式,对小型水库的雨水数据信息做有效采集与快速分析。

3.1.1 水准点

参考《水位观测标准》(GB/T 50138-2010),根据雨水情测报系统中水准点的建设要求,对小型水库水文站基础设施开展相应的建设作业。要求以一个小型水库一个水准点的标准进行建设,水准点需要处于小型水库所在区域的地形稳定位置,并将用于确认位置的标识杆设置在水准点周边区域。使用C25质量等级的混凝土浇筑水准点基座,使用不锈钢制作水准点主体结构,以50cm×50cm×4cm的标准,作为复合窨井盖制作规格。使用和水准点基座相同的标准浇筑标识杆基座,主体结构使用镀锌钢管,使用红色与白色两种反光漆,以螺旋相间方式涂刷镀锌钢管。在完成水准点的埋设作业后,需要做高程水准点的引测处理,保证引测高程匹配小型水库的引用高程,以此达到通过水准点采集小型水库雨水情数据。

3.1.2 水尺桩

在大坝迎水坡面上,选择合适位置设置雨水情报系统的水尺桩,避免出现水位观测数据不精准的问题。在相同断面位置设置同组水尺,在完成水尺桩施工作业后,需要检测水尺桩质量是否达到稳定使用标准。设置不锈钢制作直立式水尺桩,整体造型为圆筒状,设置13.3cm直径、110cm长度,不锈钢材料厚度要求为0.15cm。对于水尺桩底部,需要使用不锈钢材料的法兰做可靠固定,通过膨胀螺栓将法兰与混凝土有效连接,做好相应的混凝土浇筑处理。

3.1.3 水位标识条

使用不锈钢制作水位标识条,制作规格为500cm×20cm×0.15cm。打印出方便在雨中辨识的红色标识条,设置黑色水位高程数字显示模式。将水位标识条安装在迎水面,通过膨胀螺栓对水位标识条做可靠固定处理。

3.1.4 防雷接地

在自然降水中,可能会伴随雷暴气象条件,需要对雨水情测报系统的监测站点做有效防护。可以通过设置不锈钢避雷针的方式,进行防雷接地处理,避免在雨中获取雨水情数据时,受到雷电因素的严重干扰,降低数据精度,增加设施设备损坏概率,保障工作人员的人身安全。使用热镀锌角钢制作防雷接地系统,设置0.8m的埋设深度,并要求最大接地电阻≤10Ω[4]。

3.2 视频监测系统

对于视频监测系统,主要由雨量计、水位计等计量设备,用于视频监测的摄像机与相应终端系统,以及维持整个视频监测运行的通信模块、供电系统等构成。在设置视频监测系统时,需要为保障系统的安全运行,充分提升运行功能,需要将各类设施设备设置在拥有保护功能的机箱内部,通过一体化设置模式,保障设施设备安装的可靠性,并将视频监测系统安装在立杆支架上。对于视频监测系统的视频站,需要在开挖基础后,进行相应的管网敷设、接地网铺设等作业。需要注意,使用固定安装模式安装探头,避免探头受到水流因素影响,出现位置的变化情况。气管需要以向下倾斜的方式进行安装,最大倾斜角度不得超过5°。在水位之下的8cm位置,用于设置气管的出气口,避免在大雨影响下,淤泥、泥沙出现翻涌情况,堵塞出气口位置,气管出气口最大弯曲半径不得超过10cm。安装通信模块时,要利用屏蔽电缆,对其他干扰信号做有效屏蔽,避免视频监测系统通信功能受到影响。需要通过PVC管,强化对通信装置的保护处理。3.1.4章节建设的防雷接地系统,也需要和视频监测系统的通信模块进行有效连接,避免在大雨、暴雨等恶劣天气情况下,降低获取雨水情测报的精度[5]。

3.3 大坝安全监测系统

对于大坝安全监测系统,可以细分为量水堰、测压管、土建工程等三项建设内容,通过使用水压计、渗压计等计量设备,配置监测系统、数据采集设备等设施设备的运行参数,获取有关大坝运行的各项数据,保障数据的精度。

3.3.1 量水堰

大坝安全监测系统的量水堰,可以考虑使用矩形断面的施工设计模式,要求以7倍水头作为量水堰长度标准,最小上游堰槽长度为1.5m,最小值下游堰槽长度为0.5m,根据小型水库具体规模进行调整,并要求堰槽两侧保持平行状态,和小型水库管理的河流流动方面保持垂直状态。对于水尺、水位计等计量设备,需要设置在堰板上,基本是在量水堰上,根据4倍水头长度进行设置。使用不锈钢制作堰板,使用平面铺设方式进行铺设在过水堰口下游位置,需要将堰板弯曲成45°。需要关注堰口位置的堰板凹凸问题,最大凹凸误差值≤1mm。使用水平铺设方式铺设堰板顶部,并要求以堰宽0.2%作为堰板顶部两侧铺设最大差值。为有效提升量水堰水尺测量数据的精度,计量设备的最大读数误差≤1mm。

3.3.2 测压管

大坝安全监测系统的测压管,可以使用PE管或热镀锌钢管制作,以直径50mm作为测压管的制作标准。可以根据测压管在大坝安全监测系统的应用情况,划分为花管、导管两种类型。在大坝安全监测系统建设期间,要保证测压管的均匀排列,保证铺设的水平效果,做好测压管内部毛刺的打磨处理与内部垃圾的清理工作。针对透水段的测压管长度,需要保持在2m左右,利用包扎技术对测压管做防护处理,确保测压管内部拥有良好的封闭效果。对于测压管接头位置,需要通过外箍方法做可靠连接[6]。

3.3.3 土建工程

土建工程是大坝安全监测系统正常运行,发挥监测功能的重要建设内容。需要在确认大坝观测带具体位置后,对于小型水库场地进行相应的施工建设处理。比如在开展大坝形变监测作业过程中,需要开展土建工程的施工建设任务,需要将基础尺寸保持在80cm左右。使用C25质量等级的混凝土,进行裸露水泥平台的浇筑作业。对于大坝安全监测系统的数据采集系统,文章选择GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统),利用其7day×24hour的全天候运行条件,实时获取大坝各个位置的三维坐标数据,结合相应的时间信息,实现高效率的安全监测作业。利用基准站+监测站+控制中心的三级控制系统,达到无损化的数据连接效果,从而有效监测大坝各个位置的形变数据变化情况,相应必要的处理工作。对于土建工程内部,需要设置主筋直径规格>1.4cm的钢筋地笼,利用镀锌螺纹杆做钢筋的有效连接,利用法兰盘固定立杆,将地脚螺纹螺栓裸露在土建工程的外侧。基准站+监测站+控制中心的重要设施设备,需要使用厚度为0.3cm,喷涂白色油漆的镀锌钢管,进行设施设备的防锈处理。

4 结 语

在建设小型水库雨水情测报及大坝安全监测自动化系统时,建议先对小型水库所在区域的水文、汛期等情况做详细分析,再根据水库管理单位的经济条件与水库后续开发方向,结合文章理论内容,设计一套内容完善的建设方案。在方案执行过程中,可以根据小型水库现有的监测资源,对方案细节内容做合理优化,确保建设资源得到最大化应用,为当地经济生产提供可靠保障。