江苏省水位监测设施标准化设计研究

2023-12-29朱信泽刘融融高玉娟王志伟

江苏水利 2023年12期

朱信泽，刘融融，陈哲，高玉娟，王志伟

（1.江苏省水文水资源勘测局盐城分局，江苏盐城 224002；2.江苏省水文水资源勘测局，江苏南京 210019；3.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127）

1 概述

水文监测设施作为获取水文数据的基础平台，是确保水文专业工作正常开展的硬件基础，对水文监测设施标准化设计展开研究可为流域防洪抗旱、水资源调度、江河湖泊治理等各项工作提供决策依据［1］，对于流域规划、水利开发、兴利除害具有极为重要的意义［2］。水文监测设施水位观测是水文监测重要组成部分，观测数据是研究河流形态、河床演变、水沙运动、水资源开发利用等工作的重要依据。

江苏省内河流水网密集，水文设施众多，建设任务繁重。据2022年统计数据，江苏省共有省级及以上水位自动化监测站点366 个，其中省级30 个，国家级336个，主要分布在江苏省平原区，覆盖省内13个地级市［3］。目前，江苏省正全力推进《“十四五”水利发展规划》《江苏省“十四五”水文发展规划》重点任务落地实施，加快推进水文基础设施和信息化建设，提升水文监测能力。

随着江苏省水文设施建设投资渠道逐渐增多，水文信息化要求不断提高，水文设施建设的相关标准与现代工程建设要求存在较大的差距。水文设施建设如何适应现代水利工程发展面临着挑战［4-6］。江苏省水文设施位置偏僻分散、体量小，其设计与建设缺乏详细可靠的规范标准，建设资金与时间成本难以控制，运维管理经验匮乏。在设计和施工过程中的难点主要表现为：①建设条件特殊，设计控制标准有待统一；②专业性设计缺乏，整体设计水平有待提高；③施工管理难度大，工程“转分包”情况普遍，传统施工方法及工艺亟待改进；④缺少标准统一的控制指标要求和工程验收规范，工程质量难以保证⑤改造维护困难较多，运行管理水平有待提高［7］。

标准化是国家治理体系和治理能力现代化的基础制度和重要方法，在水文设施中的应用研究也随着实践而愈加深入。如，国家地下水监测一期工程建设中，根据地下水位监测设备特点，以及使用环境和使用要求特殊性，建立了一套较完整的产品质量控制标准化体系，为水位监测设施建设标准化实施提供了模板［8］。

没有技术标准统一规范的水文基础设施设备，就难以保证水文监测成果的精确度和可靠性，更加难以基于水文数据做出精准的分析研究与规划决策。因此，适应水文现代化建设的新形势，水文行业亟待继续深化水文设施建设的规范化和标准化［6-10］管理，探索水文设施产业转型升级的变革，实现新技术在水文设施设计、建设和运行全周期中的应用［11-12］。

本文旨在针对江苏省水文设施发展现状，以《水文基础设施建设标准》为基础，着眼行业需求与发展前景，聚焦水位监测设施，提出标准化设计原则与要求，分析标准化设计优势，结合工程设计实例，展望水文设施设计与建设的工程信息化发展前景，为在江苏省内普及水文设施标准化设计与装配化施工打下基础。

2 水位观测设施

2.1 现状分析

目前，江苏省内水位监测方式可分为人工观测和自动监测，不同监测方式需不同的水位监测设施。人工观测的水文设施为水尺，需建设水尺桩。自动监测是当前水文发展的趋势，需根据不同的自动监测设备建设水位观测平台。目前比较成熟的水位自动监测设备有全量编码浮子式水位计、压力式水位计和超声波水位计（气介质、液介质）、雷达水位计。对自动监测需建设的水位观测平台，一般根据测站的地形条件、水位变幅、河道冲淤变化和采用的自记仪器等情况，因地制宜地建设浮子式水位计观测平台、水位计支架、水位计管道等观测设施。其中，搭载浮子式水位计的水位自记台是江苏省内应用最多的水位自动监测设施，总数超570 座，约占全部测站基础设施数量的60%，其技术成熟、运行稳定可靠、故障少且容易处理、维护简单方便，不易受外界条件影响，适用范围广，已成为当前存量最大、同时未来建设发展增量最广阔的水文设施。

2.2 标准化设计原则

浮子式水位自记台适合标准设计的部分包括测井、基础、进水管、栈桥等，针对仪器室尺寸、测井尺寸、巡台宽度、栈桥宽度、进水管直径等设定标准。仪器室建筑风格在现代设计方案和仿古设计方案中按需选择。栈桥按轴跨及栈桥宽度进行系列化与标准化设计，拆分为柱墩、支柱、帽梁、栈桥板等结构，分别进行尺寸的标准化处理，进而将自记台单项构件设计为通用型单元，形成模块化拼装结构。依据不同的测验河段特性，初步确定水位自记台标准化指标，见表1，岛式自记台设计示意图见图1。

图1 岛式自记台设计示意（单位：高程m；其余尺寸：cm）

表1 水位自记台设计标准

以符合控制指标的标准化设计为基础，结合测验断面选定预制构件，采用模块化装配浮子式水位计的观测平台，相对于传统设计施工方式，具有设计门槛低，节约采购、运输成本，施工难度低，对周边影响小，工期大大缩短，质量控制有保障，降低对河道防洪、行船的影响，便于统一维护管理等优势。

3 标准化与BIM的结合

BIM 技术是一个软件集合，通过数字化技术建立一个三维建筑工程计算机模型，数据来源于完整的、基于工程实物参数的建筑工程信息库［13］。信息库中包含各类构件的几何信息、属性及位置、运动状态，大大提高了工程的信息集成化程度。

随着国内BIM 在工程设计领域的普及，在设计与施工中积极结合BIM 标准化、可视化、数字化、动态性、协调性、优化性等特点，将在工程设计、决策、实施、交付使用的工程全生命周期中发挥重要作用。实现三维可视化仿真，形象直观地展示工程，实现精细设计、量算优化、辅助决策、施工仿真、场地规划［14-15］。同时成为多方协作的信息共享平台，通过权限控制，让工程多方高效地共同参与项目各阶段技术问题的处理。

在实践中，充分发挥BIM 技术特点，追求将其深度融入标准化、规范化的水文工程全周期生命中。设计阶段，通过BIM 平台数字化并整合标准设计成果，完成参数化建模，快速确定位置布局、稳定结构与设计参数模数，自动统计工程量、计算造价［16］。实现在标准化设计的基础上提升精细设计质量和效率，便于布置方案比选论证与决策、快速调整优化方案、提高方案合理性、减少设计变更、自动统计工程量与造价、快速获取工程数据，可以进一步缩短设计周期与成本。

建设阶段，基于BIM 实现三维可视化施工模拟、施工安全评价、优化混凝土装配构件及其他物资材料的采购和管理，提高施工效率、保证安全生产、控制施工质量与成本［17］。

水文设施使用阶段，将BIM 融入管理体系，提升工程安全防护规划、提高运维管理水平和效率、实时监测获取数据，助力推进水文信息化建设。

当前BIM 多应用于水位自记台主体建筑物设计，测井、支架、仪器室和栈桥较为符合BIM 建筑设计模块的内容，将自记台各主体建筑物设计于同一BIM 项目内，不仅有利于水位自记台各建筑物的协作设计，同时也可以增加水位自记台与场地的联系紧密程度，提供精确的场地测量和分析。在这个设计过程中，BIM 技术还可以同时进行工程量的初步统计。

目前市场上常用的BIM 核心建模软件包含Bentley、Aichi CAD、CATIA、Revit 等。以应用广泛、功能强大的BIM-Revit 为例，其包含建筑设计模块（Revit Architecture）、结构设计模块（Revit Structure）和机械设备设计模块（Revit MEP）。模型基础构成称为“族”，其可视为工程建筑的拆分模块，可统一定义、修改属性参数与水文设施的标准化设计、装配化施工目标和要求具有内在共性。

4 实例分析

4.1 项目概况

江苏省市际河道断面水文监测工程，根据《江苏省水文事业发展规划》中加强行政区界水质水量监测的要求，计划在市际行政区界设立水量水质监测断面，实施水质水量同步监测，达到控制行政区域内80%的出入境水量并实现量质同步监测，共布设421处控制断面。项目旨在为全省水资源管理及河湖长制管理服务，着力构建全面服务“最严格水资源管理要求”的市际行政区界水资源监测站网体系，加快实现“监测要全面、数据要可靠、成果要应用”和“监测全覆盖”的工作目标。

4.2 设计比选

本文以江苏省市际河道断面水文监测工程中新建芦泾港水文站水位自记台为例。芦泾港水位站作为南通百年潮位站天生港站的水位观测站房的补充水位站，它的可靠稳定运行，可准确及时提供南通城区段长江潮位的信息，为南通防汛防潮防台提供第一手水情潮位资料，需在芦泾港闸下游新建水位自记台，按照南通长江段标志性水文站点设计建设。本站作为百年老站，需要大力进行保护和发展。拟于本工程中在天生港电厂外选址建设岛式水位观测平台，经南通分局对上下游河道水上水下地形反复比对，拟于芦泾港闸站处建设芦泾港水位站，用于逐步替代天生港水位站。新建芦泾港水位站位于芦泾港闸下入长江口处，位于天生港水位站下游约2.3 km处。

对芦泾港水文站水位自记台分别采用传统二维图纸设计与BIM 建模标准化设计，成果见图2，BIM建模设计与传统CAD平面设计对比见表2。

图2 水位自记台三维模型

表2 BIM建模设计与传统CAD平面设计对比

应用以BIM-Revit 为代表的BIM 建模软件结合标准化设计可以大幅提升设计效率与成果展示效果，降低设计建设成本。但同时不能忽视CAD 平面设计前期准备工作量更小，单张图纸绘制更便捷，相关人才与经验更加丰富的优势，发挥其在前期多方案比选等方面的作用，实现BIM 建模设计与CAD平面设计的灵活选择与技术优势互补。