三峽工程明渠截流中的水位自動測報系統(tǒng)

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1、 前言

三峽工程明渠截流的技術(shù)難度、截流力度空前巨大。作為明渠截流河段的動態(tài)河勢監(jiān)測、水力學(xué)要素等重要參數(shù)監(jiān)測的水文監(jiān)測工作，水位監(jiān)測又是水文監(jiān)測最基本、最重要的監(jiān)測項目之一0。

　　水位自動測報已在水文測報中普遍運用，但作為三峽工程明渠截流中有著特定條件、特殊要求的階段性水位監(jiān)測服務(wù)的水位自動測報系統(tǒng)，既要求功能完善、精確可靠，又要求操作簡便、有統(tǒng)一美觀的計算機(jī)操作界面，同時還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計、設(shè)備的選型、軟件的編制、設(shè)備傳感器的安裝位置與安裝方式等都成為組建系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

圖1  水位自動測報站布設(shè)示意圖

2、 三峽水位自動測報系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

2.1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　三峽水位自動測報系統(tǒng)是由三峽水情中心和多個水位自動測報站組成。根據(jù)截流的需要，共布設(shè)了6個水位自動測報站、1個水情中心、2個水位信息接收站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及水情信息流程見圖2。

2.2   明渠截流河段水位自動測報站的布設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)功能及設(shè)計要求,各水位自動測報站布設(shè)見圖1。

2.3   截流河段各水位自動測報站間的關(guān)系及主要功能

為監(jiān)測截流河段各部位的水位落差，在截流河段的茅坪（一）水位站至三斗坪水位站間建設(shè)了6個自動測報水位站，各站的相互關(guān)系及其功能見表1。

表1              截流河段水位站相互關(guān)系及其功能表

相關(guān)水位自動測報站

主要功能

茅坪(一)站

三斗坪站

截流河段總落差監(jiān)測

茅坪(一)站

S10站

上龍口落差監(jiān)測

S10站

三斗坪站

下龍口落差監(jiān)測

S10站

SW07站

基坑橫比降監(jiān)測

泄洪閘上站

泄洪閘下站

分流河段落差監(jiān)測

2.4   系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)      《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》   GBJ138-90

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)      《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》  SL61-94 

長江委水文局  《水文測、整、報質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)》

3、 設(shè)備的選型

　　該系統(tǒng)從原形觀測數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸通信模式、測站及中心的設(shè)備等都是通過精心設(shè)計和選擇，系統(tǒng)及所有設(shè)備都具有兼容性、可擴(kuò)充性。

3.1  水位自記儀

　　根椐三峽壩區(qū)的地形及環(huán)境條件、水流條件，以及根據(jù)水位自記儀的適應(yīng)性能及便于儀器安裝、維護(hù)和遷移的特點，所有水位儀器設(shè)備全部選用壓阻式水位自記儀。 

　　水位計測量原理是：被測水位在固定（高程、位置）的壓力傳感器感壓膜片上形成相應(yīng)的水壓強(qiáng)，由壓力傳感器的感壓膜片感生出相應(yīng)電壓，經(jīng)傳感器內(nèi)部的V/A變送器，壓力傳感器中同時測出水溫并自動補(bǔ)償，輸出不受水溫、大氣壓強(qiáng)等因素影響的4—20mA的水位模擬信號，由雙芯屏蔽電纜連接到水位儀輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)進(jìn)行去偽、除波等處理得出所測的水位。再進(jìn)行顯示、存儲、傳輸?shù)?。工作原理框圖如圖3。

圖2   三峽水位自動測報系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成及水情信息流程框圖

水位儀主要功能：能定時自動測量（5～60分鐘可設(shè)）、自動定時發(fā)報、固態(tài)存儲、顯示、鍵盤操作、時間、水位、測量間隔、數(shù)字電臺電源控制及發(fā)報段次等參數(shù)的修改、控制中心遙控、水位查詢和傳輸?shù)取?/span>

表2                     壓阻式水位儀主要技術(shù)指標(biāo)

水位分辨力

1cm

精度等級

0.2級

電源電壓

DC (12+12)V，低功耗傳感器12V

量程

0～20m，0～40m

固態(tài)存儲容量

32K

適應(yīng)最大水位變率

≥60cm/min

計時誤差

≤2min/month

工作環(huán)境溫度

-5℃～50℃

　　壓力傳感器選用中美麥克傳感器有限公司和先行測控系統(tǒng)有限公司的產(chǎn)品。

3.2  數(shù)據(jù)傳輸無線電臺

　　數(shù)據(jù)傳輸無線電臺是測控中心與野外測站數(shù)據(jù)通訊的唯一手段，也是決定系統(tǒng)功能的重要因素。本系統(tǒng)的固迪通信（GRANDCOMM）數(shù)字電臺，是經(jīng)過國內(nèi)外多種型號的反復(fù)比較，綜合各種因素考核后確定的。這種電臺功能較全，工作穩(wěn)定性能較好，可長時間連續(xù)發(fā)射（30分鐘以上），價格合理。一般情況下已經(jīng)能夠滿足本系統(tǒng)的要求。

3.3  系統(tǒng)及測站電源

各水位自動測報站均在施工區(qū)，外接交流電源無保障，并且要求測站設(shè)備在野外不間斷運行。使用交流電源還易引入雷擊。所以本系統(tǒng)野外測站均采用80W太陽能電源，浮充100AH 12V 免維護(hù)蓄電池；中心控制站使用100AH 12V 免維護(hù)蓄電池，交流穩(wěn)壓充電。

表3                      電臺主要參數(shù)表

型號

GD230V

電源電壓

DC 13.8V

發(fā)射功率

25W

工作頻率

230MHz頻段

數(shù)據(jù)空間傳輸速率

1200/2400bps（選用1200bps）  異步通信

誤碼率

優(yōu)于1×10

頻率穩(wěn)定度

1.5ppm

接收靈敏度

-111dbs(BER10)

調(diào)制方式

CPFSK

數(shù)據(jù)收/發(fā)方式

透明方式/非透明方式（采用透明方式）

功耗

Rx:100mA；Tx:5.5A

3.4  水情中心設(shè)備

　　中心控制站設(shè)備有數(shù)字電臺、計算機(jī)及電源等。中心控制站是由三峽水位自動測報系統(tǒng)中心控制軟件來實現(xiàn)水位自動接收、數(shù)據(jù)文件自動生成及存儲、水位自動測報站遠(yuǎn)程參數(shù)修改、水位數(shù)據(jù)遙測及遙傳等功能。

3.5  避雷設(shè)施

　　三峽壩區(qū)是一多雷區(qū)，防雷問題直接關(guān)系到測報站設(shè)備安全。測報站防雷分為測報站室外防雷、天線防雷、設(shè)備屏蔽接地、接地網(wǎng)等。設(shè)計防雷接地網(wǎng)接地電阻≤10Ω，設(shè)備接地網(wǎng)接地電阻≤4Ω。

　　測報站室外防雷，采用的避雷針引雷接地，本系統(tǒng)中避雷針?biāo)⑻炀€塔、太陽能電源架做成三合一體的塔架結(jié)構(gòu)形式，塔架與防雷接地網(wǎng)相焊接，形成良好的等電位體，以達(dá)到防雷效果。

　　數(shù)字電臺天線防雷，通過串接在天線饋線上的日本產(chǎn)低損耗同軸避雷器過電壓對地放電而實現(xiàn)的防雷。 

　　設(shè)備接地是將測報站所有設(shè)備外殼均相互連接，使設(shè)備的外屏蔽形成一等電位體，最后通過一點接入設(shè)備接地網(wǎng)。

4、 水情中心測控及數(shù)據(jù)處理軟件

　　在軟件的設(shè)計與編制上較大地突破了傳統(tǒng)的模式，更適合網(wǎng)絡(luò)化的信息發(fā)布，計算機(jī)化數(shù)字化的資料成果的整理、整編及館藏。

　　中心軟件工作平臺：Win98/Me、Win2000/XP；

　　桌面顯示的主菜單內(nèi)容：最新水位顯示、數(shù)據(jù)查詢、打印、顯示地圖、操作水位計、參數(shù)設(shè)置、退出等。子菜單內(nèi)容根據(jù)測控和數(shù)據(jù)處理要求設(shè)置。

　　本系統(tǒng)測控軟件中（計算機(jī)上）的一個重要標(biāo)志是采用了美國衛(wèi)星拍攝的衛(wèi)星照片，本系統(tǒng)在衛(wèi)星照片中割取了三峽壩區(qū)的圖片，長江及其三峽工程的空中形象在桌面上非常直觀，一目了然，圖片真實、美觀。各水位站、三峽水情中心標(biāo)志及名稱均在圖中標(biāo)注。

　　中心控制站可單獨對某一個水位自動測報站進(jìn)行操作，也可同時對所有水位自動測報站同時進(jìn)行操作。中心站同時操作全部測站時，只需用鼠標(biāo)點擊水情中心站標(biāo)志，再操作彈出的對話框；中心站僅操作某一測站時，只需用鼠標(biāo)點擊該測站標(biāo)志，再操作彈出的對話框。操作非常方便。

　　當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)的顯示屏上會自動彈出“最新水位數(shù)據(jù)” 對話框，會自動顯示站名、時間、水位。

5、水位自動測報站設(shè)備的安裝

　　泄洪閘上、泄洪閘下水位自動測報站是三峽工程二期上下游基坑充水過程監(jiān)測、明渠截流大壩建筑物正式過水過程監(jiān)測、大壩建筑物上游蓄水（至▽135m）過程監(jiān)測的多用途監(jiān)測水位站。兩站分別選址在大壩泄洪閘上右導(dǎo)墻▽140m平臺上游端，泄洪閘下左導(dǎo)墻下游端。由于兩測站位置的特殊性，在大壩建筑物上不可能有較大的安裝平臺，因此儀器室選用了上海寶山鋼鐵公司輕型房制造公司的組裝式隔熱保溫輕型鋼房，面積為2.0*2.0(㎡),水位儀傳感器護(hù)套管使用φ80加厚鍍鋅鋼管垂直安裝在導(dǎo)流墻上，傳感器采用柔軟彈性連接在鋼護(hù)套管上。

　　船閘箱涵出口水位自動測報站主要功能是監(jiān)測船閘充水下泄對大江水位的影響程度。明渠截流中作為補(bǔ)充站使用，用于監(jiān)測和校核壩下水位。

　　茅坪（一）水位自動測報站，組裝式臨時儀器室，壓阻式傳感器用φ50mm的鍍鋅鋼管及鋼架固定在水下，傳輸電纜水下部分用鋼管作護(hù)套，水上部分用PVC管作護(hù)套管。天線、太陽能電源板等架設(shè)在儀器室房頂。

　　S10水位自動測報站為設(shè)置在壩下縱向圍堰上，不便建儀器室。設(shè)計為天線桿、太陽能架一體式簡易臨時儀器箱。

　　三斗坪水位自動測報站為磚混結(jié)構(gòu)永久性儀器室，壓阻式傳感器及傳輸電纜線通過固定在護(hù)坡上的Φ100mm的鍍鋅鋼管保護(hù)并安裝。

6、 自動測報系統(tǒng)水位資料的比測

　　三峽水位自動測報系統(tǒng)各水位自動測報站在明渠截流期間根據(jù)截流的進(jìn)展要求，設(shè)置自動測報的段次，11月4日22:00之前為每間隔1小時自動測報一次， 　　11月4日22:00～5日08:00，每間隔30分鐘自動測報一次，11月6日07：00～10:00為龍口合攏期，間隔10分鐘自動測報一次。

　　三峽水位自動測報系統(tǒng)中的泄洪閘上、泄洪閘下水位自動測報站建站運行較早，已編寫了兩個站的比測報告，誤差≤±2cm的保證率為100%，系統(tǒng)誤差為-0.053cm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.44,95%置信水平、綜合不確定度為2.88。

在導(dǎo)流明渠截流期間，對所有水位自動測報站均進(jìn)行了多次比測。茅坪（一）、三斗坪、泄洪閘上、船閘箱涵出口等水位自動測報站依據(jù)本站水尺，人工觀測水位進(jìn)行比測，S10、SW07、泄洪閘下用Trimble全站儀,采用無人立尺方式接測水位進(jìn)行同步比測。比測資料見表4。

比測統(tǒng)計結(jié)果，所有測站的儀器測量數(shù)據(jù)誤差全部在規(guī)范規(guī)定范圍以內(nèi)。

表4      三峽工程明渠截流水位自動測報站水位比測統(tǒng)計表

站  名

時  間

水   位(m)

差 值

備  注

(M-D-H)

人工觀測

儀器測量

(cm)

SW07

10-07-11

66.38

66.38

0

Trimble全站儀比測

10-21-15

66.20

66.22

-2

S10

10-07-11

66.39

66.39

0

10-15-10

66.54

66.54

0

10-20-18

66.31

66.31

0

10-29-10

66.51

66.51

0

泄洪閘下

10-07-15

66.39

66.39

0

10-26-16

66.50

66.50

0

泄洪閘上

10-17-12

66.54

66.56

-2

水尺

三斗坪

10-16-08

66.38

66.37

1　

10-18-08

66.47

66.48

-1

10-22-08

66.33

66.35

-2

10-28-08

66.39

66.38

1

11-02-08

66.29

66.29

0

11-06-08

66.40

66.40

0

茅坪（一）

10-15-08

66.81　

66.81

0

10-28-08

67.15

67.16

-1

11-06-08

67.56

68.56

0

7、 結(jié)論

本系統(tǒng)在功能、測量精度、界面的美觀性、設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等各個方面，較三峽工程大江截流時更為完善。系統(tǒng)在方案設(shè)計、測站布設(shè)、設(shè)備選型、測控及數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計、設(shè)備的安裝形式及基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計與實施、資料成果精度以及系統(tǒng)的運行管理等都已達(dá)到了《規(guī)范》要求，滿足了導(dǎo)流明渠截流及三峽工程施工防汛等需要。

通過對三峽水情自動測報系統(tǒng)的建設(shè)，以及在三峽工程明渠截流中的運用情況及比測結(jié)果，充分證明該系統(tǒng)不僅適合三峽工程這樣的特大型水利工程，這種水位自動測報系統(tǒng)建設(shè)的方法、思路以及設(shè)備模式、運行管理經(jīng)驗，在其它工程，乃至其它工程建設(shè)項目中同樣適用，可以推廣運用。 

作者簡介

孟萬林（1956.10——），男，江蘇如東人，工程師，長江委長江三峽水文局科研室副主任。