小型水库雨水工情标准化自动测报系统研发与实践

丁言梅 赖冬英 宋 锤

(1.中国南水北调集团水务投资有限公司，北京 100036；2.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；3.广东智慧水云科技有限责任公司，广东 广州 510635)

水库承担着防洪、供水、灌溉等功能，是保障地区社会经济发展的重要基础设施之一。我国小型水库多建于20世纪50—70年代，始建标准低，绝大多数由乡镇或村集体管理，受历史条件和投入不足等原因影响，存在管理设施短缺、病险隐患突出等难题，制约小型水库功能发挥。亟须实施小型水库雨水工情自动测报项目，通过雨水工情自动测报、水库信息数字化管理、纳雨能力分析和流域联合调度预演等技术手段，为小型水库的安全运行、防洪调度及领导决策提供及时、准确的信息，做好水库安全管理，保障水库良性运行。小型水库雨水工情自动测报系统设计过程中，测报设备的选择和安装是整个系统能否实现既定目标的关键。

本项目的建设对象为广东省连州市33个小型水库雨水情测报系统升级及49个小型水库(不包括红岩水库)安全监测设施完善，列入本次项目实施水库的有1个中型、11个小(1)型及39个小(2)型水库。包括32个小型水库雨水情测报系统升级(增加量水堰渗流量监测，升级为“四要素”)及冷水洞水库1座副坝、围子水库3座副坝增加量水堰渗流量监测；中小型水库大坝渗流压力设施配套36个；中小型水库(其中小型水库21个)大坝变形监测设施配套22个；47个小型水库(包括红岩水库)大坝或主坝全貌视频监测。小型水库雨水情测报和大坝安全监测项目的设施，推进和规范了当地设施建设与运行管理，提升了小型水库信息化管理水平，为落实水库预报、预警、预演、预案措施提供技术支撑，保障水库安全运行。

1 自动测报系统目标

测报设施是小型水库雨水工情自动监测体系的基础，包括小型水库雨水情测报设施和大坝安全监测设施两大部分，主要包括如下测报内容：降水量和库水位、入库流量、预警和大坝变形、渗流监测等。小型水库测报设施选用技术成熟可靠的自动监测仪器设备，结合水库现场的实际条件选择通信和供电方式，主要工作目标如下：实现小型水库雨水情自动测报以及小型水库大坝渗压自动测报。

1.1 雨水情测报设施目标

要实现小型水库雨水情自动测报，需要在小型水库配置降水量与库水位一体测报的雨水情自动测报设备设施，应对水位测报、测报信息传输等目标进行明确。配置小型水库水位前端监测设施，主要满足防汛需要。

1.2 渗压测报设施工作目标

渗压测报主要包括大坝浸润线、渗流量监测。大坝浸润线监测，每个水库大坝设置不少于3个监测横断面，每个断面布置不少于3支测压管，通过测报大坝浸润线水位变化，分析大坝渗漏情况；大坝渗流量监测，需要在坝体背水坡设置三角堰及其自动测报装置，及时反映大坝渗流量大小及其渗流颜色变化，以此判断大坝渗漏险情危重程度。

1.3 测报频次及目标

雨量、水位、渗压监测采用定时自报、加报与查询-应答报送相兼容的混合式报送方式。

1.3.1 自动测报

时间间隔固定，无论监测参数有无变化，均采集数据1次，其中，水位监测设备每隔6min采集1次，渗压监测设备每隔1h采集1次；每1h向省市两级平台发送1次，中心的数据接收系统24小时处在运行值守状态。

当雨水工情参数发生变化量时，测报系统会自动采集数据1次，并向中心发送。

1.3.2 自报、查询—应答结合式

采用自报、查询—应答结合式时，在遥测站定时报或加报时，测报系统中心可以对遥测站建立通信链接，可以对遥测站进行远程设置或召测。

1.3.3 人工观测

人工观测时，可根据巡检终端上的APP程序或监测平台上的人工数据上报页面进行雨水情及大坝安全监测数据上报，其中降水量、库水位监测频次原则上每日上午8点上报，当出现强降雨、库水位明显变化，或遭遇大洪水、强地震、工程异常等特殊情况时，应增加观测报送频次；渗透压力监测频次原则上每月不少于4～2次，初蓄期或遭遇大洪水、强地震、工程异常等特殊情况时，应增加观测报送频次。

1.4 视频监控目标

在每座水库的大坝至少建设2个视频监视点，以监视水库状态，采用太阳能供电、4G无线传输方式。实现视频实时监视、数据动态存储、无线(4G)数据传输，实现水库无人值守下的水库视频实时监视。不受安装环境条件限制，可以实现全天候的实时监视。

2 主要设备选型

2.1 雨水情监测设备

雨水情(雨量、水位)监测设备的数据传输处理及资料整编，应充分利用水利行业主管部门已使用的水文测验管理公共数据平台，数据传输应遵循《水文监测数据通信规约》(SL 651—2014)相关规定，实现雨量、水位数据自动采集。采集信息包括数据所属单位、设备编号、站名、数据值、设备温度、数据值对应时钟、电池电量、供电电压、信号强度等内容。

设备工作参数修改应通过远程操作完成，设置完成应回复操作者确认信息。为便于隐蔽式安装，监测设备尺寸应尽量小，功耗要尽量低。设备应采用蓄电池和太阳能板联合组成的电源供电系统。雨水情自动监测设备包括翻斗式雨量计、浮子式水位计、气泡式水位计、雷达式水位计、遥测终端机、太阳能供电系统、避雷设施、立杆、机柜(或机箱)及安装配件等。

2.1.1 翻斗式雨量计

承雨口内径：2000mm+0.60mm，外刃口角度40°～45°，刃口锋利；承雨器：不锈钢一体冲压成型；分辨力：≤0.5mm；翻斗计量误差：≤±4%；降雨强度测量范围：0.01～4mm/min；输出信号方式：干簧管/磁钢式接点通断信号，工作寿命50000次以上；可靠性指标：平均无故障工作时间不小于40000h；筒体材质：不锈钢；与采集传输设备接口匹配，能够完成整个过程的数据传输和测报功能。

2.1.2 浮子式水位计

量程：0～40m(特殊订货：0～80m，根据实际情况选取)；最大水位变率：≤100cm/min；带数值显示；输出形式：12bit格雷码；分辨力：1cm；浮子直径：150mm；平衡锤直径：20mm；水位轮工作周长：320mm；准确度：≤10m量程时，±2cm，>10m量程时，≤0.2%FS；工作环境温度：-10～50℃(测井水体不结冰)；设备平均无故障工作时间：MTBF≥25000h；相对湿度：≤95%(40℃无凝露)；与采集传输设备接口匹配，能够完成整个过程的数据传输和测报功能。

2.1.3 雷达式水位计

量程：0～30m(根据实际情况选取)；测量精度：1～3mm；分辨力：1mm；数据输出：4～20mA/RS485；供电电源：直流12V；温度范围：-20～70℃；湿度范围：0～90%(无凝露)；防护等级：IP67；与采集传输设备接口匹配，能够完成整个过程的数据传输和测报功能。

2.1.4 气泡水位计

量程：0～60m(根据实际情况选取)；精度：±0.05%FS；分辨力：1mm/0.1mBar；测量间隔：5min～1h；输出：RS485、4～20mA；存储容量：≥15万条；工作温度：-20～60℃；工作湿度：10%～95%(无凝露)；保护等级：IP65；与采集传输设备接口匹配，能够完成整个过程的数据传输和测报功能。

2.2 渗压监测设备

渗压监测项目为坝体测压管水位(浸润线)、绕坝渗流等。大坝渗压监测设备主要由振弦式渗压计/跟踪式渗压计、自动采集单元(含立杆/支架及基础)、专用线缆、太阳能供电系统、避雷设施、户外防水设备箱(柜)及安装配件、渗压观测井等组成。

2.2.1 振弦式渗压计设备选型

a.渗压观测井(渗压管、钻孔及基础)。每个坝体监测断面不少于3支测压管。测压管宜采用镀锌钢管或硬塑料管，包括透水段和导管。导管两端接头处用外箍接头相连(镀锌钢管宜用外丝扣接头)；透水段可采用导管或等直径的透水石管制作，长度2m，用台钻φ8钻透水孔，孔间按照梅花状错开分布，排列均匀和内壁无毛刺，进水管开孔率不小于10%，不留沉淀管段，外包两层土工布或棕皮，用镀锌铅丝或尼龙扎带包扎，透水段顶端与导管牢固相连；管底用60号氯丁橡胶止塞封堵。井口防护装置定制。

b.振弦式渗压计。振弦式渗压计测量范围：不小于等同于最大坝高水柱的压强；分辨力：≤0.035%FS；精度：≤0.10%FS；过载能力：50%；测温范围：-20～80℃(见表1)。

表1 振弦式渗压计主要技术指标

2.2.2 跟踪式渗压计设备选型

a.渗压观测井(渗压管、钻孔及基础)。为留有足够空隙，在坝体监测测压管填充封孔材料，测压管内径小于50mm时，钻孔直径不宜小于100mm。造孔采用干钻，严禁用泥浆固壁，为防止塌孔，可采用套管跟进护壁。测压管由透水管段和导管段组成。透水管段开孔率为10%～20%，外部包裹无纺土工织物。管底封闭，不留沉淀管段。下管前应先在孔底填约10cm厚的反滤料。测压管透水反滤段以上应严密封闭，以防降水等干扰。封孔材料，采用高崩解性黏土球或膨润土球。管口保护装置定制。

b.跟踪式渗压计。测量范围：不小于等同于最大坝高水位；分辨力：≤0.1cm；测量误差：不超过±1cm；测量回差:不超过±1cm；重复性误差：不超过±1cm。

2.3 渗流量监测设备

渗流量监测主要监测的是坝脚渗流量，通过修建集渗沟，布设量水堰(一般采用三角堰)及量水堰计来进行自动监测，渗流量监测设备主要包括磁致伸缩水位计、遥测终端机(含立杆/支架及基础)、专用线缆、太阳能供电系统、避雷设施、户外防水设备箱(柜)及安装配件、量水堰板等。系统通过4G网络将数据传至水雨情站点，再通过水雨情站点遥测终端RTU上传数据到软件平台，实现接收前端各种传输方式传输回来的数据。

2.3.1 磁致伸缩水位计

传感器由三部分组成：测杆、电路部件及浮球。工作时电路部件产生一个电流脉冲，该脉冲沿着测杆内的波导丝向下传输，并产生一下环形磁场。在测扞外配有一个浮球，浮球随着水位的变化而上下浮动，由于浮球内装有一个永久磁钢所以浮球也同时产生一个磁场，当两个磁场相交时产生一个扭转脉冲，扭转脉冲沿着测杆回传至电路部件，由电路部件测出发送电流脉冲与返回的扭转脉冲的时间差计算出浮球的实际位置，从而得出水位。

量程：0～1000mm、0～1500mm、0～2000mm；分辨力：0.1mm；测量误差：±1mm(±0.1%FS)；测量水位变率：>40cm/min；采样频率：≤100ms；浮子直径：50mm；工作电压：直流12V(工作电压范围：(-10%～20%)；平均工作电流：≤20mmA；工作环境： ∶-10℃～60℃(测井内不结冰)；输出接口：RS485，MODBUS协议；防护等级：IP65。

2.3.2 遥测终端机

定时自动采集及传输水位、雨量、图像等数据，数据采集间隔时间可任意设定；兼容GPRS/CDMA/4G/NB-IOT/LORA/WIFI/有线网络/北斗卫星通信(可选)等通信方式接入管理平台，通过网关自组网，通过LORA中继扩大通信距离；具备接收其他监测设备通过LoRa无线发来的数据并上传服务器；支持一站多发功能，支持多中心通信，可同时与多个后台服务器进行通信，支持4个中心通信转发；数据采集通信接口：具备通用RS485通信接口，RS232接口；具有雨量、水位、图像加报、实时图像传输功能，加报门槛可任意设置；支持不小于2路实时图像接入、液晶显示屏实时显示监测数据、断电及断网续传和数据自动补发功能，保证数据完整性；支持数据字符与图像叠加功能，并且能够实现图片抓拍；支持大数据存储和数据导出功能，储存5年以上的测站数据(最小时段5min)；支持远程、本地参数设置，远程、本地软件更新、远程诊断、唤醒及维护；符合《水文监测数据通信规约》(SL 651—2014)全部检测项目的要求(见表2)；工作温度：-25～65℃；储存温度：-25～65℃；湿度：≤95%(40℃凝露)。

表2 渗流监测站点配置清单

2.4 视频监视设备

水库视频监控系统建设以低功耗视频采集技术和网络技术为支撑，应用先进的技术和设备，实现视频实时监视、数据动态存储、无线(4G)数据传输，实现水库无人值守下的水库视频实时监视，为各级防汛指挥部门提供准确、及时的现场视频，为防汛调度决策和抗洪抢险、救灾指挥提供科学依据，同时，本系统主要由低功耗球形摄像机(4G)、蓄电池、太阳能板、避雷系统等设备组成，通过4G网络将视频实时传输到软件平台，实现视频的实时监视和录像回放、语音实时对讲。由于采用低功耗设备集成，有效解决了小型水库无电、无网环境下视频监视感知，不受安装环境条件限制，可实现全天候实时监视(见表3)。

表3 视频监控站点配置清单

3 项目实施情况

3.1 雨水情监测设施

本项目雨情与水情监测设施共用水位计台，水位计台结构和工作方式为直立式，建筑材料采用金属管材。测井井壁垂直，测井口应高于实测最高水位0.5m以上，测井底低于实测最低水位0.5m以上。水位计台建设在能测到水库死水位的地点。

水位计井筒整体为圆形，法兰连接处应优先采用圆形。不论井筒采用何种断面形状，均应保证安装在此水位观测井上的浮子式水位计的浮子距井壁距离在7.5cm以上，平衡锤离井壁也应有7.5cm以上的距离。支架顶部设避雷针，基础设防雷接地体，接地电阻不大于4Ω。

3.1.1 钢管式水位计台

钢管式水位计台布置在水库大坝迎水坡内，由井筒、工作平台、仪器保护装置等部分组成(见图1)。钢管嵌入河底混凝土基础，浮子水位计置于钢管内。沿钢管设爬梯，钢管上部设上人平台，平台地面与井筒顶部位置设置直径300mm清污孔。钢管内设仪器平台，尺寸根据仪器尺寸确定，并预留检修孔(日常需封闭加锁)。平台上部的仪器设备箱支架应采用角钢定制，与水位计台焊接，仪器设备箱采用螺栓固定在支架上。

井筒采用钢管分段焊接完成，工作平台以下全部采用直径610mm、壁厚13mm镀锌钢管；上部采用直径300mm、壁厚8mm镀锌钢管。钢管塔上部设上人工作平台，便于设备维护，平台高于坝顶0.5m。工作平台上方设翻斗式雨量计和仪器设备箱。基础采用直径610mm、壁厚13mm镀锌钢管和C30素混凝土钢管桩，基础低于放水洞底高程0.5m。

钢管杆件应采用工厂加工，现场组装，优先采用焊接(应尽量在工厂完成)，杆件应做好镀锌处理，若必须在现场焊接时，焊缝应进行除锈处理，焊后镀锌，锌层厚度不应小于86μm(锌附着量不低于610g/m2)。

3.1.2 雷达水位计台和气泡水位计

雷达水位计台和气泡水位计采用立杆支架安装，竖直钢管为直径400～300mm、壁厚8mm、长5m的镀锌钢管，水位计探头悬臂为直径300～200mm、壁厚6mm、长6m的镀锌钢管。基础采用C30现浇钢筋混凝土，尺寸(长×宽×高)2000mm×2000mm×1000mm，基础上部C30素混凝土包脚，尺寸(长×宽×高)2000mm×2000mm×500mm。其他所需配备设备包括雷雷达水位计台和气泡水位计、遥测终端机、太阳能电源及电池、户外设备保护箱等(见图1、图2)。

图1 雷达式水位计支架剖视(单位：mm)

图2 气泡式水位计支架剖视(单位：mm)

3.2 渗压监测设施

渗压计在安装之前应先进行检测，合格后方能使用。因为渗压计的透水石存在渗透系数，而渗透压力穿过透水石作用在渗压计的感应膜片上，所以透水石与感应膜片前的储水腔没有注满水，若存在空腔或者含有气泡，将会造成渗压计测值的误差。安装埋设前渗压计端部的透水板必须注满水并且排出空气。具体实施方法为:先将透水石从渗压计顶端拆下，然后将渗压计及透水石均放入水中浸泡60～120min,用以排出透水石中的气泡，使其充分饱和。最后将渗压计主体和透水石浸泡在水中重新连接安装。排出透水石中气泡也可以采用另一种方法，即先将透水石放入沸水中煮透，然后将用于煮透水石的少量热水连同透水石共同倒入盛有冷水和渗压计的容器内，在水中进行组装。

若在混凝土浇筑层面埋设，则混凝土浇筑层达到设计要求的安装埋设渗压计的高程时，于浇筑下一部分混凝土前，在埋设位置的层面预留一个深300mm、直径200mm的孔。然后在孔底铺垫约20mm细砂，将渗压计放在孔内细砂垫层上，再用粗砂填埋在渗压计四周，布置好渗压计观测电缆后再浇筑下一部分混凝土。

若在基岩面上埋设，需在渗压计埋设的基岩位置钻一个孔深1000mm、直径50mm的测压孔。测压孔渗压计浇筑层混凝土必须经过渗水试验合格，再用细砂将包裹好的渗压计放在测压孔中。细砂包的装填过程为:将一布袋放入盛水大容器内，袋内充填适量级配砂，将渗压计放在袋中央，并继续在渗压计周围充填级配砂，待充满后将袋口扎紧。如不用砂包也可用土工布把渗压计包严后埋设，砂包在埋设前应浸没在水中保存。

3.3 渗流量监测设施

渗流量监测一体站采用直径为110mm的PVC设备建设在量水堰的侧墙上，底部封死，在30cm内做好梅花孔，内衬防水网，做好水位联通，磁致伸缩水位计安装在PVC管内，在旁边安装立杆(机箱)及太阳能系统，通过线缆与水位计连接(见图3)。

图3 渗流量监测一体站

3.4 视频监控

视频监视点安装时要注意防雷系统的建设，由于建设在水库大坝上，相对空旷，雷雨天避雷很重要，可避免设备在雷雨天气遭受雷击而损坏，避雷系统采用3～5m扁铁或1～2m角铁钢打入地面，通过铜线与避雷针连接来实现。视频监视点为了取得更好的监视视野，视频监视点立杆一般采用4～4.5m高的立杆，地笼埋设深度为0.8～1.2m，并保证立杆稳固(见图4)。

图4 视频监控站安装示意图

4 后期设备维护情况

4.1 雨量计维护保养

检查维护前应先下载降水量数据，检查时间误差，然后断开信号线和电源线，再进行仪器拆装、调试等操作。注水试验后，应清除仪器内部存留水量，清除试验数据，复核仪器参数设置是否正确。

固态存储器的站号、日期、时钟、仪器分辨力、存储记录时间间隔、通信方式等参数设置应正确；记录时间间隔宜设置为5min，需要时可设置1min。

仪器应稳固、无变形，器口内径应符合性能要求；承雨器口应水平，器口平面水平倾斜度应小于1°；仪器内外应清洁，过水部件汇流畅通、无堵塞；供电和通信系统应正常；存储器记录值、数据中心接收值与传感器输出值应一致；避雷接地应完好，接地电阻应小于4Ω。时间误差不应大于5min；测量误差应符合仪器性能要求；检查维护情况应现场详细记录。

4.2 水位计维护

4.2.1 水位感应系统维护

浮子长期浸在水中，应注意检查浮子的气密性。对金属浮子，要注意它的锈蚀情况，需要时要涂油漆防蚀。定期检查悬索与平衡锤、浮子是否牢固连接。定期检查悬索的顺直情况，检查悬索有无相互缠绕情况。定期检查水位轮槽是否洁净，检查水位轮的固定情况，且无油污。使用穿孔钢带或带球细丝绳作为悬索的水位计，要经常检查水位轮槽内的销钉、凹孔和钢带上的穿孔、钢丝绳上的小球啮合情况。

4.2.2 编码器维护

定期检查水位编码器的信号输出是否和当时水位数值对应。发现差错时及时处理，如果是正常的少量误差，通过核对水位的方法解决。如果是编码器乱码，应检修编码器；定期检查编码器输出电缆的接插连接可靠性；如果水位长期变化不大，使水位编码器仅在较小水位变化范围内工作，为保证在其他水位范围内工作的可靠性，应定期取下悬索或使水位轮与编码器轴脱开，人工转动编码器，检查在其他水位变化范围内，编码器输出信号的准确性。

4.2.3 人工比测

比测前通过小型水库数字化管理系统对需要进行人工比测的测点进行选测，记录自动监测数值。在水位较稳定的时段，使用全站仪对水面高程进行测量，与水位计测值进行对比。

4.2.4 故障处理

出现人工测值与自动监测值误差较大的情况，可由一人将测轮两侧钢丝轻轻提起，另一人转动测轮，同时，使用小型水库数字化管理系统进行选测，对比实时水位和自动监测水位，并进行调整。

4.3 渗压计维护

4.3.1 仪器性能检验

定期巡视检查，定期对比传感器与人工测量值之间的误差是否在允许范围之内。

定期用便携式仪表或自动化监测装置对仪器进行多次测量，以重复检验仪器的稳定性情况。对于传感器测量精度，以振弦式渗压计为例，打开传感器电缆固定接头，用笔记本对传感器进行提升实验，每次提升0.5m，记录每次自动化测量值，比较测量值与实际变化量之间的差值，持续4～6个状态，再进行复位。

4.3.2 人工比测

利用自动化监测系统将传感器选测1次，保存测值。携带可调大小的扳手、测绳、记录本、铅笔、手电筒、配护电工包等人工比测必备工器具，对自动监测值进行人工比测。

4.4 磁致伸缩水位计维护

每年定期进行设备巡检，如设备供电系统、连通管等，并进行清淤处理，保证数据采集的准确和传输的正常。

通过数据接收平台，随时关注设备工况信息，发现设备故障或数据异常，安排专业工程师进行及时的现场检修维护。

4.5 视频监控维护

本系统采用的低功耗4G球机，使用寿命长(5～10年)，功耗低，能够满足长期野外使用要求，采用的是单晶硅太阳能板和免维护储能蓄电池，电池衰减率低，供电系统能够使用5年以上。

维护分为定期巡检和临时维修，每年在汛期前进行设备巡检清理，保证汛期正常运行，同时通过视频监视平台的告警功能，在设备出现故障时会发生信息，维修工程师收到故障信息后及时现场维修，确保正常使用。

5 结 语

本文研究的小型水库标准化雨水工情自动测报系统，已在广东、福建及安徽等省份广泛建设与应用。实践证明，全年的数据报送率和数据准确率均达到了95%以上，汛期的数据报送率和数据准确率均达到了98%以上，提升了小型水库监测预警的调度决策指挥的数字化、智能化、智慧化水平，为保障小型水库安全度汛提供了坚实基础，同时，也为流域水利工程安全运行和优化调度提供了超前、快速、精准的决策支持。