中小流域水文站监测设施设计与建设分析

杜亚平

(运城市水文水资源勘测站，山西 运城 044000)

0 引言

水文监测系统建设作为中小河流治理的重要非工程措施，系统的建成将全面提高中小河流水文监测和预警预报能力[1]。水文监测设施对合理规划利用水土资源，预防洪涝灾害具有极为重要的意义。毛家湾水文站的建设对板涧河流域持续开展监测工作十分必要。监测设施主要由水雨情监测、流量泥沙监测系统构成，其设计方案的合理与否关系到水文站数据采集的可靠性，同时小流域水文特性也决定了监测系统设计和设备选型的复杂性。

1 水文站概况

毛家湾水文站位于山西省垣曲县毛家镇朱家庄村，位于板涧河干流上，断面以上控制流域面积162.0 km2，测验方式为驻测。测验河段河道较为顺直平坦，宽度均匀，主要为砾石河床，中低水时水流集中，无分流、串沟、回水、死水等情况，坡降较为一致。右岸为沙土斜坡，左岸为干砌石陡岸，主槽与陡岸之间有滩地，左右岸间距约80 m，主槽宽约12 m。毛家湾水文站基本断面图见图1。

图1 毛家湾水文站基本断面图

2 监测系统设计

毛家湾水文站的监测设施建设内容包括河段测验基础设施、水位观测设施设备、流量(泥沙)观测设施设备、实时水文图像监控系统等。

2.1 测验河段基础设施方案设计

测验河段的基础设施包括断面桩、断面标志、基线桩、水准点等。

2.1.1 断面桩

基本水尺断面，上、下比降断面左右岸各设断面桩1个，共6个，均处于历年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，采用0.6 mm的白色彩钢板加工而成的圆形钢管，管内捆绑三根直径6 mm钢筋，钢管下穿两根长500 mm、直径10 mm钢筋，下焊一根带钩型直径6 mm钢筋(和钢管内砼凝固在一起)，圆盖上贴上两片半圆红白反光膜(圆锥形标志和两片半圆红白反光膜的中心线表示河道断面线)，见图2。

图2 断面桩

2.1.2 基线桩

基线垂直于基本水尺断面，需新设置2个。采用300 mm×300 mm×2000 mm的C20预制砼桩，桩中心使用φ14长400 mm的钢筋作为标志，应高出混凝土桩顶面20 mm。断面桩内配置4根Φ8 mm主筋和间距为100 mm的箍筋，箍筋直径为6 mm，高出地面100 mm。

2.1.3 断面标志

断面标志牌材料采用国标0.6 mm白色彩钢板和铝合金方管用铝铆钉加工成菱形方块，贴上两片对称三角红白反光膜(两片三角红白反光膜的中心线表示河道断面线)，菱形方块加工上和标志杆连接螺丝杆。标志杆用3吋热镀锌管，镀锌管上按比例贴上数圈反光膜，镀锌管内捆绑三根6 mm钢筋，钢管下串上两根长500 mm、直径10 mm钢筋，打坑浇注砼，镀锌管内再灌入砼。根据断面宽度、地形、视距、能见度等因素，确定断面标志牌尺寸及高度，见图3。

图3 断面标志牌

2.1.4 水准点

在地形稳定，方便引测的地方设置历年最高洪水位以上基本水准点1处，校核水准点2处。结构形式及尺寸见图4。

图4 水准点

2.1.5 保护标志牌

使用500 mm×300 mm的框架制作2块保护标志牌，框架内锚固粘贴了反光膜和蓝底白字的镀锌铁皮。书写标语内容主要是保护设施的名称、由来和建设时间等。

2.1.6 测站标志

基本断面设测站标志1座，位于历年最高洪水位以上0.5 m～1.0 m，在C25的钢筋混凝土基座上镶嵌宽×高×厚为(1500×1300×100)mm的大理石板，石板上刻写水文站名和单位等信息。

2.2 水位观测设施方案

水文站水位观测设施通常有直立水尺，雷达水位计和水尺护桩等。毛家湾水文站新建水位观测设施包括上下游断面的直立水尺12支，雷达水位计1处，水尺护桩2支。

2.2.1 直立水尺

直立式水尺由水尺桩、水尺板和基础这3部分构成。水尺桩应与水面保持垂直，确保高程处于测站历年最高水位0.5 m以上，最低水位0.5 m以下。同一组水尺应保持在同一断面上，相邻水尺重合0.2 m的观测范围，水尺刻度由蓝、白反光膜贴面构成。

2.2.2 雷达水位计台

雷达水位计台通常由仪器、钢管支架、悬臂和基础构成。水位计不锈钢探头悬臂长度按照水流边界条件调整。无缝钢管支架高度按照水位变幅确定，使用法兰与仪器连接。基础使用C30的钢筋混凝土桩。地面以下基础为强度等级C25的钢筋砼桩；地面以上为强度等级C25的砼柱。

2.2.3 水位信息采集仪器设备

根据对山西省水文站水位信息采集仪器设备使用情况分析，确定毛家湾水文站水位传感器选型为非接触式雷达水位计，信息传输设施设备数据采集选用终端RTU进行观测。

(1)雷达水位计

雷达水位计采用非接触测量，因为没有任何部件接触水面，所以不受水流和漂浮物冲击、撞击及堵塞等。同时，鉴于雷达水位计无运动部件，不需建设观测井，从而提高了无故障工作时间。采用实时全变量自动温度补偿机制，测量精度较高，非常适用于山西省河流多泥沙测量断面。

(2)信息传输设施设备

数据采集终端负责对采集信息进行存储、计算、建立索引。同时，在相应时间内，遥测终端还需接收数据处理中心下发的各类命令已完成远程控制。

数据采集终端RTU的功能要求为自动采集、存储水位信息，当被测参数达到发送条件时(自报或加报)，雨量发送累计值或时段值，水位发送实时值；具有采集遥测站工作环境参数功能，如电池电压、太阳能充电电压、GSM信号强度等；能够接收、处理中心站下发的测量数据、工作环境参数召测命令；定时上/下电功能；具有通过GSM自动校时功能。

GSM/GPRS模块根据现状选用Wavecom公司生产的GSM终端。该终端具有可靠性高、稳定快捷的优势。尤其是在水情自动测报系统中得到了广泛应用。并可以应用于机房监控和远程维护、银行储蓄点机房监控、GSM/SMS/GPS移动车辆监控调度系统、移动办公及管理以及其他一些应用领域。

采用YD30K045EH(K)型电源线避雷器，应用于所有遥测站，适用于各种低电流的直流配电线路及控制线路的雷电过电压防护。

2.3 流量泥沙观测方案

2.3.1 方案设计

该站中低水时涉水使用流速仪测流，中高水位时采用非接触式雷达表面测流法，配置无线遥控雷达波数字化测流系统。要求安装拆卸方便快捷、性能可靠、操作简单、满足高水流量测验。内容包括：雷达测速仪、遥控设备、过河索、计算机、操作软件、支柱等。配置防爆移动灯2台，用于夜间观测照明。配置泥沙信息处理分析仪器设备水样法测沙仪器设备：泥沙采样器2个、电子天平1个、烘箱1个、水样桶20个。

2.3.2 设备选择

该站中低水时涉水使用流速仪测流，中高水位时采用无线雷达波数字化测流系统及电波流速仪配合使用。配备无线遥控雷达波数字化测流系统等设施设备。雷达波测速传感器要求：

流速范围0.2 m/s～18 m/s；流速精度±0.03 m/s；平均时长099.9 m/s；俯角范围可设置30°、45°、60°；水面流速小、俯角要小些，水面流速大、俯角可大些，在中到大雨情况下60°，常规用45°；波束宽度12°(锥度角)，计时分辨率：0.1 s，在风雨环境下可正常测流。

2.4 实时水文图像监控系统

实时水文图像监控设备包括摄像机、视频服务器(DVS)、供电系统、避雷系统和网络模块组成。功能要求能实现白天和夜间可视，并在恶劣天气中保持一定的图像稳定性。安装实时水文图像监控设备1套，用于监控断面实时水情。配置视频服务器1套，用于远程监控断面实时水情。

3 结语

毛家湾水文站的建设可有效实现板涧河暴雨洪水的自动监测和预测预警、逐渐提高中小河流的灾害预警和防御能力，为保障流域内人民生命财产安全提供高效可靠的水文信息服务，同时加密运城市河流水文站网密度，改善监测站点数量、种类及信息时效性难于满足需求、现有水文站基础设施设备相对薄弱、测报技术手段落后等水文监测现状。