中小型水库信息化(论文)

中小型水库除险加固工程信息化

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中小型水库除险加固工程信息化

摘要

武汉市拥有272座小型水库，众多小型水库在防洪、灌溉、发电、 城乡供水、航运和水产养殖等方面发挥着重要作用，是武汉新烽光电股份有限公司市防汛工程

体系和水利基础设施的重要组成部分。

为了对小型水库进行动态监控，保证通信畅通，防汛命令能迅速 下达，重要汛情及时查询或上报各级三防部门，及时发布洪水警报， 及时收集反馈信息，最大限度避免或较少发生小型水库失事；同时， 在出现旱情时，及时掌握水库库容信息，为抗旱提供决策参考。为实 现上述目标，本文就要实现小型水库的水雨情采集规范化、自动化，为决策和灾害评估等提供分析判断，从方案介绍、系统功能、系统设计、集成方案介绍了中小型水库信息化的设计思路和方案，给出几种典型的设备安装方式。

关键词：信息化、设计思路、集成方案、几种典型设备安装方式

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 2 关键词：信息化、设计思路、集成方案、几种典型设备安装方式 ........................................... 3 一、方案简介 .................................................................................................................................. 4 二、系统功能 .................................................................................................................................. 4 三、系统设计 .................................................................................................................................. 4

3.1 设计思路............................................................................................................................ 4 3.2 系统框架结构 .................................................................................................................... 5 3.3系统划分............................................................................................................................. 6 四、集成方案 .................................................................................................................................. 7

4.1网络结构............................................................................................................................. 7 4.2逻辑结构............................................................................................................................. 8 4.3综合管控平台 ..................................................................................................................... 9 4.4系统软件........................................................................................................................... 10 五、几种典型的设备安装方式..................................................................................................... 10

5.1激光式遥测站安装 ........................................................................................................... 10 5.2浮子式遥测站安装 ........................................................................................................... 15 5.3气泡遥测站安装 ............................................................................................................... 18 六、创新型技术推介-激光水位计在水库信息化中的应用 ....................................................... 22

6.1概述 .................................................................................................................................. 22 6.2激光水位计特点及应用优势 ........................................................................................... 22 6.3激光水位计典型参数 ....................................................................................................... 24 六、结语 ........................................................................................................................................ 25

一、方案简介

根据水库水雨情自动测报系统的监测数据，对采集数据分析和水情预报，及时发现水库安全隐患，保障水资源合理利用，提高水库运行管理水平。 二、系统功能

①信息采集功能能实时采集现场水雨情遥测站的水位、雨量、现 场设备参数数据及图像信息。

②建立数据共享、管理、存储、传输及网络平台，实现数据管理及共享。

③浏览和设置：区用户可根据实际需求通过网络访问自动测报管理软件平台，实现在线浏览及权限设置对预警值的修改。

④信息查询：对基本信息（包括水库概况、社会经济状况、工程状况等）查询功能。

⑤预警：通过管理软件平台对特定的业务部门及决策领导发布小型水库防汛预警信息。 三、系统设计

3.1 设计思路

小型水库水雨情自动测报系统设计总体思路是根据《湖北省小型 水库水雨情自动测报系统建设工作方案》和《水文自动测报系统技术 规范》(SL61-2003)的要求，从水库实际需要出发，确定必要的监测项 目。坚持以“经济、稳定、可靠实用和技术先进”为原则，充分利

用 现代传感技术、测控技术、公网通信技术和计算机网络技术，建成以 信息采集为基础、信息网络平台为支撑的水雨情自动测报系统，实现 水库水雨情信息自动采集和预警预报功能，为提高水库信息化管理水 平创造条件，并为水库安全运行和水资源合理利用提供数据支持。

本实施方案结合南漳县6座小型水库试点工程水雨情自动测报系 统运行状况，并充分考虑小型水库各自的实际情况，建设水雨情自动 测报系统，实现小型水库水雨情信息自动采集。

3.2 系统框架结构

水库水雨情自动测报系统涉及到信息采集、传输、存储、信息管理系统等建设，其关键在于实现各种采集数据的整合、各类分析方法 的融合以及为水库防汛预警提供支持信息等。其总体框架结构组成包 括信息采集传输、通信网络、数据资源、应用支撑、业务应用、应用 交互等六个层面。系统由信息采集与传输系统获取监测数据，以网络、 安全、存储、操作系统等系统软硬件为基础，以建设和开发各类数据 库为核心，以统一应用支撑平台为框架，以开发各类业务应用系统为 关键，以信息安全体系、标准规范体系为保障，为各级管理部门、社 会公众提供服务，实现水库管理工作的互联互通、信息共享、业务协 同。这六个层面、两大保障体系共同构成水库水雨情自动测报系统的 总体框架。

图3－1系统总体框架图

3.3系统划分

系统划分为水雨情自动遥测站、通信及计算机网络系统、数据库 系统、水雨情自动测报系统管理平台等四部分。小型水库水雨情遥测 站将水雨情自动测报数据通过GPRS/CDMA传输至省中心站，经数据接 收服务器接收后存储在小型水库水雨情自动测报系统数据库中，并通 过数据处理存储至中心站数据库，同时对数据进行备份；遥测信息传 输至市分中心小型水库水雨情自动测报系统数据库后，通过网络将水 雨情信息同步至省中心站数据库；各区相关水利部门可根据需求获取数据信息。

四、集成方案

4.1网络结构

水雨情自动监测系统由数据接收处理中心、遥测站、传输网络三 部分构成。

数据接收处理中心设在省中心站及市分中心，包括相应的硬件设 备和软件。

传输网络采用公网GPRS/CDMA/GSM。 水雨情自动监测系统的结构如下图所示。

图4-1水雨情自动监测系统结构图

根据系统总体设计方案，系统可以分为硬件和软件两大部分。建 成后的系统可以完成水雨情的自动测报、预警发布。系统硬件分为设

备层、采集层、中心站计算机监控层。设备层由水位计、雨量计等传 感器及摄像头等设备组成，主要分布各水库在大坝、溢洪道或水位井 等处；采集层由采集单元（RTU）及供电系统组成，RTU采用太阳能浮 充蓄电池的直流；中心站计算机监控层由计算机网络组成；水雨情遥 测RTU与计算机监控层之间采用GPRS/CDMA通讯方式。

4-2水雨情监测系统业务拓扑图

4.2逻辑结构

水位雨量数据由RTU采集通过GPRS/CDMA/GSM传送至市分中心。 水雨情监测系统由现场设备和市分中心设备组成，现场设备包括遥测终端机RTU、水位雨量传感器、图像监控设备、供电单元和GPRS/CDMA通信单元，省中心站或市分中心设备包括数据接收服务器、数据库服务器、WEB服务器和通信监控软件。监测系统逻辑结构如下图。

图4-3水位雨量监测系统逻辑结构图

4.3综合管控平台

水雨情自动测报系统及预警发布系统，共享统一的信息平台。监测系统通过数据处理工控机对水雨情进行数据采集和处理，并将处 理后的数据送入数据库进行管理；通过信息化软件平台实现相关业务 的应用。

4-4水雨情监测系统综合管控平台

4.4系统软件

系统软件采用浏览器/服务器的B/S体系结构，数据库运行在后台服务器上，浏览器/服务器的B/S结构用于信息查询和发布，在客户端， 除了浏览器之类外，不需安装其他特殊软件。

4-5水雨情监测系统手机端

五、几种典型的设备安装方式

5.1激光式遥测站安装

1）安装选址原则 ①水位计安装选址

根据武汉新烽光电股份有限公司省防汛抗旱及水资源管理的需求，为了准确掌握水库水资源情况，水库水位监测要求能够到达死水位。对于有供水需求的水库，若其供水水位达到死水位以下的，则根据现

场具体需求实施。因此水位计的安装选址：

a.靠近大坝，因为需要兼顾摄像头必须拍摄到大坝； b.最低水位低于死水位或依据供水水位要求的最低水位； c.岸坡尽量平整，减少施工难度。

同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。 ②雨量计安装选址

选址主要考虑以下三个因素：

a.空旷无遮挡，避免雨水受到其他因素干扰而导致雨量测量与实际雨量有偏差。

b.高度够高，减少树叶、小昆虫之类杂物飞进雨量筒，另一方面也可以减少人为破坏。

c.靠近大坝，以此点的降雨量数据作为水库的降雨量数据。 同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。 ③摄像头安装选址

摄像头选址主要考虑以下因素： a.能够拍摄到大坝全景；

b.能够拍摄到大坝迎水面，可以直观看出水库水位情况； c.兼顾溢洪道和大坝；如果不能兼，则选择兼顾水位尺和大坝。同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。

2）设备安装要求

水位计采用了两种安装方式：立杆式垂直安装与立杆式倾斜安装，

两种安装方式费用相当。现场安装方式可以依据实际情况而定。

图5-1立杆式垂直安装

图5-2倾斜式安装

图5-3立杆

设备安装方法如下： ① 建设安装杆

屋顶式安装需制作混凝土底座，杆式安装则需先挖坑后再用混凝土浇筑，具体施工过程如下：

a.立杆。需要开挖一个深约1m的坑，插入安装杆（必须保证安装杆的竖直状态。为了保证安装杆的稳定性，必须深入地下至少1m 深）。

b.制作底座。将已经放入基坑内且已竖直的安装杆底部浇筑混凝 土砂浆，至地面高程，在地面高程以上浇筑一个混凝土底座，用于进 一步固定安装杆，底座尺寸为400mm×400mm×400mm。在屋顶上立杆的则采用混凝土浇筑底座，底座尺寸为（400mm×400mm×100mm），

以保证安装杆的稳定性。 ② 装激光水位计

a. 在垂直壁或者倾斜壁上沿直线安装固定激光保护管的抱箍。 b. 固定激光保护管，并在底部安装好过滤网，在保护管上开孔（3mm）,防止保护管堵塞。由于目前库水位普遍高于死水位，保护管需要分 2次安装。第一次安装的保护管处于现有库水位以下2m，待库水位降至低水位时，再将保护导管敷设至死水位以下。

c. 安装并调试激光探头。 ③ 安装雨量计

在启闭机室屋顶制作翻斗式雨量计基座，并将雨量计安置在混凝土基座上；调节好雨量计的平衡度；接好数据线，数据线采用屏蔽电缆，且将数据线穿钢管引至启闭机室内的遥测终端机。 3）安装摄像头 ①安装好摄像头支架；

②固定好摄像头，调节好摄像头的拍摄角度，序号经过多次测试 才能完成。为了保持摄像头的角度经得起大风大雨而不会改变或者晃 动，必须将摄像头固定牢固；数据线采用屏蔽电缆，且将数据线穿钢 管引至遥测终端机机箱。

④ 好数据线，数据线采用屏蔽电缆。 4）太阳能板安装

太阳能板应面向东南，将太阳能板固定于安装支架上，太阳能板

安装角度约为30。

5）安装遥测终端机

遥测站的遥测终端机与其他监控设备均置于安装杆上，由于智能主控机重量相对较重，支架必须有足够的牢固性和重量承载能力；完成水位计、雨量计、摄像头与智能主控机的接线。 6）收尾工作 包括以下主要工作：

① 作安装杆的底座。采用混凝土浇筑，保证安装杆的牢固性。 ② ②将导波管用砖护砌，再采用2cm砂浆抹面，一方面保护导管不受腐蚀和损坏，另一方面防止声波导管移动，而影响水位数据测量准确性。 ③ 垃圾清运，场地平整。

5.2浮子式遥测站安装

1）安装选址原则

采用浮子式水位监测方式的遥测站，原则上设置在有启闭机室的 水库。这类水库有输水管竖井或排架，在启闭机室非进水口侧敷设浮 子式水位测井，浮子式水位测井由硬质 PVC管及安装支架构成。将硬质PVC管采用定制的支架沿启闭机室外墙面、输水管竖井井壁或闸室镇墩敷设至死水位，根据水库水位，此项施工可分1-2次完成，先将硬质PVC管安装至现有水位，待水位处于低水位时，再将硬质PVC管安装至死水位；同时，在靠近死水位处需要做引水沟，使浮子式水

位计可以检测到死水位。翻斗式雨量计置于启闭机室屋顶。遥测终端机箱置于室内，摄像头置于启闭机室外墙处，调整位置和角度至可监视大坝和库水位。 2）设备安装

浮子式需建水位测井，水位测井由硬质PVC管构成，需依启闭机侧墙和闸槽镇墩固定安装。浮子式水位测井安装见下图。

图5-4 浮子式水位测井安装示意图（1）

图5-5 浮子式水位测井安装示意图（2）

①浮子式水位计安装

a.引水沟工程。目的是将水引导至水位测井底部，使水位测井可以达到死水位以下，浮子式水位计可以采集到水库死水位。根据施工期现场情况，部分水库施工涉及围堰等临时工程。引水沟需有相关防 淤堵措施。

b.水位测井工程。将硬质PVC管用定制的支架固定在启闭机室外 墙及闸槽镇墩上，必须安装牢固。PVC管靠近底部区域，在管壁非进水口侧开凿进水孔,同时需要有防止淤堵措施。 ②雨量计安装

在启闭机室屋顶制作雨量计基座，并将雨量计安置在混凝土基座 上；调节好雨量计的平衡度；接好数据线，数据线采用屏蔽电缆，且 将数据线穿钢管引至启闭机室内的遥测终端机。 ③安装摄像头 a.安装好摄像头支架；

b.固定好摄像头，调节好摄像头的拍摄角度，其拍摄角度需经过 多次测试才能完成。为了保持摄像头的角度经得起大风大雨而不会改 变或者晃动，必须将摄像头固定牢固；数据线采用屏蔽电缆，且将数 据线穿钢管引至遥测终端机机箱。 c.接好数据线，数据线采用屏蔽电缆。 ④太阳能板安装

太阳能板应面向东南，将太阳能板固定于安装支架上，太阳能板 安装角度约为30°0

5.3气泡遥测站安装

1）安装选址原则 ①水位计安装选址

根据武汉新烽光电股份有限公司省防汛抗旱及水资源管理的需求，为了准确掌握水库水资源情况，水库水位监测要求能够到达死水位。对于有供水需求的水库，若其供水水位达到死水位以下的，则根据现场具体需求实施。因此水位计的安装选址：

a.靠近大坝，因为需要兼顾摄像头必须拍摄到大坝； b.最低水位低于死水位或依据供水水位要求的最低水位； c.岸坡尽量平整，减少施工难度。

同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。 ②雨量计安装选址

选址主要考虑以下三个因素：

a.空旷无遮挡，避免雨水受到其他因素干扰而导致雨量测量与实际雨量有偏差。

b.高度够高，减少树叶、小昆虫之类杂物飞进雨量筒，另一方面也可以减少人为破坏。

c.靠近大坝，以此点的降雨量数据作为水库的降雨量数据。同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。 ③摄像头安装选址

摄像头选址主要考虑以下因素： a.能够拍摄到大坝全景；

b.能够拍摄到大坝迎水面，可以直观看出水库水位情况； c.兼顾溢洪道和大坝；如果不能兼顾，则选择兼顾水位尺和大坝。同时，应考虑到维护、升级的便利程度，以及防盗等管理因素。 2）设备安装要求

气泡式遥测站立杆式安装见下图。

图5-6 气泡式式遥测站立面图

图5-7 气泡式水位计保护管敷设

设备安装方法如下： ① 建设安装杆

② 杆式安装需先挖坑后再用混凝土浇筑，具体施工过程如下： a.立杆。需要开挖一个深约1m的坑，插入安装杆（必须保证安装杆的竖直状态。为了保证安装杆的稳定性，必须深入地下至少1m 深）。 b.制作底座。将已经放入基坑内且已竖直的安装杆底部浇筑混凝土砂浆，至地面高程，在地面高程以上浇筑一个混凝土底座，用于进一步固定安装杆，底座尺寸为400mm×400mm×400mm。 ②安装水位计

a. 铺设气泡水位计保护管。将保护管管沿着建筑物外墙或者岸坡尽可能平直地铺设到既定安装点。 b. 气管敷设时，全程套管保护。 ③安装雨量计

在启闭机室屋顶制作翻斗式雨量计基座，并将雨量计安置在混凝土基座上；调节好雨量计的平衡度；接好数据线，数据线采用屏蔽电

缆，且将数据线穿钢管引至启闭机室内的遥测终端机。 4）安装摄像头 ①安装好摄像头支架；

②固定好摄像头，调节好摄像头的拍摄角度，序号经过多次测试才能完成。为了保持摄像头的角度经得起大风大雨而不会改变或者晃动，必须将摄像头固定牢固；数据线采用屏蔽电缆，且将数据线穿钢管引至遥测终端机机箱。

③接好数据线，数据线采用屏蔽电缆。

5）太阳能板安装

太阳能板应面向东南，将太阳能板固定于安装支架上，太阳能板 安装角度约为30。 6）安装遥测终端机

声波式遥测站的遥测终端机与其他监控设备均置于安装杆上，由于智能主控机重量相对较重，支架必须有足够的牢固性和重量承载能力；完成水位计、雨量计、摄像头与智能主控机的接线。 7）收尾工作 包括以下主要工作：

① 作安装杆的底座。采用混凝土浇筑，保证安装杆的牢固性。 ② 将导波管用砖护砌，再采用2cm砂浆抹面，一方面保护导管 不受腐蚀和损坏，另一方面防止声波导管移动，而影响水位数据测量 准确性。

③ 垃圾清运，场地平整。

六、创新型技术推介-激光水位计在水库信息化中的应用

6.1概述

近年来，由强降雨引起的水库溃坝的现象偶有发生，在武汉新烽光电股份有限公司国多雨的农村，严重时竟引发行人的死亡和失踪事件。

此现象已经引起市政、水利、水文等部门的关注：一方面要积极修建并管理好排水设施，另一方面建设城市防汛监测管理系统，作为城市防汛系统中的核心硬件——水位计承担了测量水库蓄水深度的核心作用，水位计的良好选型决定了水库防汛建设质量。武汉新烽光电股份有限公司结合水库防汛系统的实际需要自主研发了一款新型水位计产品——激光水位计。外形见下图：

6.2激光水位计特点及应用优势

激光水位计是利用激光测距原理而研发，其特点如下：

1、激光水位计采用先进的激光测距原理进行水位测量，相较于

其他类型水位测量产品，激光水位计具有更高的可靠性及抗干扰能力，不受温度、湿度、雾气的影响，可应用于江河、湖泊、 水库、河道、灌区渠道输水等水利水文工程中的水位监测，也可用于自来水、城市河道、城市内涝（道路积水）等市政工程中的水位监测。

2、激光水位计在5米测量范围内，测量精度为±1mm

3、激光水位计既可以单支使用，也可以多段级联使用，可以根据现场实际安装位置及量程需求将激光水位计纵向级联以扩展测量量程，或横向阶梯级联形成多点测量网络。

4、激光水位计系统集成度高，现场只需要购买塑料或金属保护管即可完成安装。

5、激光水位计采用了先进的生产工艺技术，产品具有防腐、防冻、耐热、耐老化的特点，可适应于各类恶劣的测量环境。 激光水位计在城市防汛中的应用优势：

1、激光水位计测量精度高相较于其他类型的水位测量产品，激光水位计的测量精度更高，精度可达±1MM，在城市道路积水中，厘米级的误差与毫米级的误差事关重大。

2、探头非接触式测量、安装更加快捷方便采用非接触式测量方式、激光发射无发散角，实际安装现场可采用75mm直径的塑料管或金属管作为保护管进行安装，可有效避免车辆、行人对测量效果的干扰。

3、系统集成度高、整套系统集成了激光水位传感器、RTU、GPRS通讯模块、太阳能充电控制器、防雷模块、天线，无需复杂的调试与接线即可完成系统的安装。

4、设备体积小，设备体积小，可适应在隧道内狭小空间的安装 5、提供专用无线RTU在城市水文系统中，需要集成LED显示屏控制、视频图像采集、雨量采集等功能，武汉新烽光电股份有限公司提专用的RTU设备，LED可通过RTU设备直接进行控制，进一步减少的工程施工难度。

6.3激光水位计典型参数

测量范围 0-70M 精度 ±3mm （5米量程内，精度可达1mm） 分辨率 测量方式 主要技术参数 数据采集时间 报警方式 防护等级 1mm 连续测量 1秒 蜂鸣器报警/电脑显示/短信报警 IP55,可有效防淋雨 4-20mA模拟量输出、RS485、网口、RS232、、输出 USB、无线 工作电源电压 工作电源 交流电源频率 功耗 环境温度 系统工作环境 储存温度 相对湿度 AC（187~240）V，DC：12V~24V 50HZ±2HZ ＜1W -10℃~55℃ -10℃~60℃（终端） ≤95%RH（40±2℃）（无结露）

六、结语

通过对小型水库水雨情自动测报系统的建设，提高小型水库水位、 雨量及现场图像的采集、传输、处理的自动化能力及预警预报水平， 有效防御小型水库洪水灾害，减少人员伤亡和财产损失，保障人民生 命财产安全和水资源安全，促进区域经济社会的可持续发展。