智慧水利背景下小型水庫雨水情感知技術應用現狀研究

吳 浩，王子文，董友龍，張 峰

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.沂沭河水利管理局大官莊水利樞紐管理局，山東 臨沂 276700）

0 引言

小型水庫因點多面廣、量大、資金少、信息化不足而導致運行管護薄弱，是新階段水利高質量發展的短板。同時，小型水庫運行信息感知能力不足，難以為智慧水利“預報、預警、預演、預案”提供技術支撐，無法保障水庫安全運行。為此，十四五期間，各省根據地域特點、氣候條件、分布情況、經濟狀況等多種因素進行了小型水庫信息化方案設計，主要涵蓋監測信息感知、傳輸、匯集、應用和共享等功能，而其中前端感知設備是整個系統的關鍵部分。分析對多個省份小型水庫信息化建設方案發現，方案中的雨水情測報儀器設備選型一般沿用當地設計院設計習慣，或是參考已建省內水文水資源類、山洪災害類信息化系統，小型水庫針對性不足。

雨水情測報是水利各類信息化應用的基礎，小型水庫信息化建設通常將視頻監控與雨量、水位測報一體化設置，因此，本文綜合論述小型水庫信息化建設中雨水情測報要素——降水量、庫水位及視頻監控等3 個參數感知設備的應用現狀，掌握每種儀器設備的優缺點，可為小型水庫雨水情感知設施建設提供參考。

1 降水量

降水量監測有人工、自動測量兩種方式，主要有翻斗式、虹吸式、超聲波式、光電式和壓電式等，其中技術成熟應用廣泛的為虹吸式和翻斗式雨量計。

1.1 虹吸式雨量計

虹吸式雨量計組成如圖1 所示，雨水自承雨器進入浮子室，水位升至虹吸管口完成一次虹吸，同時自記筆隨浮子上升記錄降雨過程。每次虹吸量為10mm，能夠精確到0.1mm[1]。

圖1 虹吸式雨量計結構圖

虹吸雨量計適用于大多數場景，但對于渾濁雨質，容易造成虹吸管堵塞，導致虹吸異常[2]。該設備為非全自動設施，難免會在測量排水量、事先注水等方面存在誤差。

1.2 翻斗式雨量計

翻斗式雨量計組成如圖2 所示，翻斗部分是關鍵部件，雨水依次通過雨水口及引水漏斗，流至翻斗，積累到定量值后致使翻斗失衡而翻倒，從而觸發一次信號并記錄。單次翻斗雨量有0.5mm、1mm 不等。

圖2 翻斗式雨量計結構圖

翻斗式雨量計雖理論雨強范圍為0.01～4mm/min，但實踐中發現存在小雨無法測量、大暴雨誤差大的問題，資料顯示其各項觀測誤差多達9 種[3]，可歸納為最大起始誤差、翻斗計量誤差和器口尺寸誤差等三類[4]。為克服上述誤差，雨量計也在不斷改進，如在雨量計的進水管道、集水表面噴涂特氟龍處理，最大消除初始誤差；對翻斗進行改造減少翻轉計量誤差[5]，如虹吸式翻斗、微型閥門翻斗、雙層/多層翻斗等，這些措施均利于提升測量精度和適用性。

1.3 超聲波雨量計

超聲波雨量計是利用超聲測距原理測量雨量桶內液面變化，從而換算降水量。測量頻率為1 次/min，最大精度可達0.1mm。

按傳播介質可分為氣、固、液三種，其中液介式應用廣范，原理如圖3 所示[6]，標準量具和液面分別將換能器發射的超聲波反射回來，通過計算超聲波在液體內傳播的往返時間計算液面距離得到降雨量。

圖3 超聲波雨量計原理圖

超聲波雨量計取消了機械傳動部件，提升了對雨強的適應性（最高可達10mm/min），滿足大量程、高精度、惡劣環境的使用工況，但在雨夾雪測量時誤差較大。

此外，光學式雨量計、壓電式雨量計等新技術雨量計不斷研發并投入應用。光學式雨量計是利用光學原理借助攝像頭將降雨分解成連續的粒子，從而對降雨信息分析測量的技術。按實現原理不同分為散射技術測量和圖像識別技術。壓電式雨量計是通過測量逐個測定雨滴的沖擊動量，假定雨滴接近落地時速度為定值，反算雨滴體積，累加得降雨量。

以上兩種設備機械結構少、集成度高、可克服惡劣環境適用性，但均對后處理技術依賴程度高，且無明確的技術規范參照，在工程實踐中鮮有應用。

2 庫水位

庫水位監測儀器按與水的相對位置關系可分為接觸式和非接觸式，接觸式有浮子式水位計、壓力式水位計、氣泡式水位計、一體化水尺，非接觸式主要有雷達式、超聲波水位計等。與降水量監測統一選用翻斗式雨量計不同，各地方案中選用了不同類型水位計，如山東省大量采用浮子式水位計，少量的采用氣泡式或雷達式水位計，有些水庫則采用了一種新型電子/人工一體化水尺；湖北省對于有棧橋的水庫選用浮子式水位計，其他采用氣泡式水位計；廣西省則選用氣泡式或雷達式水位計；江西省對于有啟閉機房的采用雷達式水位計，其他采用壓力式水位計。

2.1 浮子式水位計

浮子式水位計是利用水的浮力使浮子實時跟隨液面變化，進而帶動編碼器的變化，輸出水位測量值[7]，量程一般為10～40m。

該類水位計量程大、穩定性好、使用壽命長，但水位井土建投資大，安裝復雜，并且需定期對水位井進行清淤處理。

2.2 壓力式水位計

壓力式水位計是利用靜水壓力與水深成正比的原理，通過頭部的水壓傳感器，測定傳感器所處位置的水壓，進而間接反算出水位。壓力式水位計關鍵部件為水壓傳感器，為了數據的準確性，一般會同時考慮溫度和氣壓的影響。

壓力式水位計精度高、安裝簡便，但測量精度容易受水溫和水體雜質影響，另外儀器前端的透水部件容易堵塞造成零漂現象，長期使用需定期維護校正。

2.3 氣泡式水位計

氣泡式水位計與壓力式水位計類似，都是通過測點靜水壓力反算當前水位。它是采用通氣管將水壓傳感器與水下管口進行連接，其內充滿氣體，管口感受的壓力變化可通過通氣管動態平衡傳遞至傳感器，實現靜水壓力的測量。

氣泡式水位計安裝簡單、操作靈活，同樣的測量準確性易受水溫、水質的影響，長期運行穩定性不高，甚至誤差較大。

2.4 電子/人工一體化水尺

電子/人工一體化水尺是在傳統立柱式人工水尺內部加裝傳感裝置，滿足人工直讀的同時自動水位測量并記錄[8]。內置傳感器有觸電式、電容感應式、容柵式、靜磁柵式和磁致伸縮式等，電子水尺精度遠高于其他類型水尺，精度可達毫米級，產品造價與精度正相關。

對于小型水庫而言，多數水庫無任何水位觀測設施，人工水尺的建設是必選項，且小型水庫水位變化范圍不大，汛期的關注重點就是水位變動區域，因此，為優化工程造價，可在水位變動區域選擇精度高的測體、長期處于水位以下和處于空氣的區域選擇精度低的測體，如此多支梯級聯動的組合方式使得一體化水尺是水位測量的一種優選方案。從測量穩定性角度看，測體是利用水導電的性質，測量不受被測水體水質、水溫、泥沙等情況的影響。

2.5 非接觸式水位計

雷達水位計、超聲波水位計均是利用垂直設于水面以上的設備“發生-反射-接收”波的原理（如圖4 所示），在獲取波速、傳播時間后計算空高的距離，進而精確反算水位值。兩者區別是超聲波與雷達的電磁波不同，在空氣中的傳播速度易受空氣理化性質的影響，氣壓、溫度、濕度和粉塵等雜質會影響速度。

圖4 雷達水位計原理圖

兩者均克服了接觸式水位計的缺點，測量精度高、抗干擾能力強，但水面的不穩定性和雜物均對其準確性產生影響。同時，兩者采用支架懸掛于水面正上方，波的性質要求測量范圍不得有障礙物且存在一定“盲區”，因此適合安裝在水庫垂直岸邊。從工程實踐來看，有些設計選定的垂直岸邊由于淤積等導致局部高程較高，近而低水位時無法實現測量，因此，非接觸式水位計安裝位置要結合現場情況綜合分析選定。

3 視頻監控

各地方案中，視頻監控均與雨量、水位感知設施聯合設置，布設在可覆蓋全壩范圍的壩頂上游側。在溢洪道、閘門等部位可增設視頻監控。

壩頂視頻監控的立桿、供電、防雷、保護箱與雨水情設施統一考慮，針對小型水庫位置偏僻、庫區范圍廣、傳輸距離遠、環境潮濕和24 小時安防等需求[9]，小型水庫視頻監控選型基本原則如下：

（1）具有夜視功能的變焦可旋轉球機攝像頭；

（2）滿足視頻實時查看和圖片拍攝報送功能；

（3）可遠程通過云臺和變焦監視水庫全景；

（4）實現自動連續循環存儲，視頻存儲時間不少于3 天；

（5）支持多種協議接入各類平臺，實現用戶端視頻播放和回放，滿足多用戶并發請求。

此外，可以采用具備圖像智能識別技術的視頻攝像頭，實現水庫區域內人員入侵、追蹤、異常情況告警等智能安防功能。

4 結論

在考察多地小型水庫信息化建設方案基礎上，簡要論述了小型水庫信息化建設中降水量、庫水位等雨水情感知設備的結構原理、應用優缺點等，并考慮到視頻監控與雨水情測站有一體化建設的需要，對視頻監控進行簡要介紹，經對比分析，有以下幾點認識：

（1）降水量感知設備眾多，原理各異，但小型水庫信息化建設實踐中，幾乎全部采用翻斗式雨量計，其他類型應用較少。

（2）庫水位感知設備按與水的相對位置關系劃分為接觸式和非接觸式，各類設備均廣泛應用，工程實踐中需充分考慮工程特性、設備適用情形及當地現有設備的協調性。

（3）視頻監控與雨水情感知設備已基本實現一體化建站。

（4）小型水庫數量眾多，各地可結合水庫壩型、規模、壩高、壩長、下游影響、通信供電條件等多個指標進行分類，給出典型設計方案，便于建設實施及運行維護。

（5）感知原理不同導致測量精度、穩定性存在差異，實踐中需選擇集成度高、組網方便、全自動的設備，滿足戶外防風、防水、防雷的需求，易維護甚至免維護。

（6）可試點探索應用光學雨量計、電子/人工一體化水尺這類在大型水庫應用不多但在小型水庫適用性強的儀器設備