三峡工程明渠截流中的水位自动测报系统

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1、 前言

三峡工程明渠截流的技术难度、截流力度空前巨大。作为明渠截流河段的动态河势监测、水力学要素等重要参数监测的水文监测工作，水位监测又是水文监测最基本、最重要的监测项目之一0。

　　水位自动测报已在水文测报中普遍运用，但作为三峡工程明渠截流中有着特定条件、特殊要求的阶段性水位监测服务的水位自动测报系统，既要求功能完善、精确可靠，又要求操作简便、有统一美观的计算机操作界面，同时还要考虑其经济性。因此，系统结构形式的设计、设备的选型、软件的编制、设备传感器的安装位置与安装方式等都成为组建系统的关键因素。

图1  水位自动测报站布设示意图

2、 三峡水位自动测报系统的结构形式设计

2.1　系统结构

　　三峡水位自动测报系统是由三峡水情中心和多个水位自动测报站组成。根据截流的需要，共布设了6个水位自动测报站、1个水情中心、2个水位信息接收站。系统结构及水情信息流程见图2。

2.2   明渠截流河段水位自动测报站的布设

根据系统功能及设计要求,各水位自动测报站布设见图1。

2.3   截流河段各水位自动测报站间的关系及主要功能

为监测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间建设了6个自动测报水位站，各站的相互关系及其功能见表1。

表1              截流河段水位站相互关系及其功能表

相关水位自动测报站

主要功能

茅坪(一)站

三斗坪站

截流河段总落差监测

茅坪(一)站

S10站

上龙口落差监测

S10站

三斗坪站

下龙口落差监测

S10站

SW07站

基坑横比降监测

泄洪闸上站

泄洪闸下站

分流河段落差监测

2.4   系统采用的技术标准

国家标准      《水位观测标准》   GBJ138-90

行业标准      《水文自动测报系统规范》  SL61-94 

长江委水文局  《水文测、整、报质量评定标准》

3、 设备的选型

　　该系统从原形观测数据采样、数据处理、数据传输通信模式、测站及中心的设备等都是通过精心设计和选择，系统及所有设备都具有兼容性、可扩充性。

3.1  水位自记仪

　　根椐三峡坝区的地形及环境条件、水流条件，以及根据水位自记仪的适应性能及便于仪器安装、维护和迁移的特点，所有水位仪器设备全部选用压阻式水位自记仪。 

　　水位计测量原理是：被测水位在固定（高程、位置）的压力传感器感压膜片上形成相应的水压强，由压力传感器的感压膜片感生出相应电压，经传感器内部的V/A变送器，压力传感器中同时测出水温并自动补偿，输出不受水温、大气压强等因素影响的4—20mA的水位模拟信号，由双芯屏蔽电缆连接到水位仪输入端，经A/D转换，单片机进行去伪、除波等处理得出所测的水位。再进行显示、存储、传输等。工作原理框图如图3。

图2   三峡水位自动测报系统设备构成及水情信息流程框图

水位仪主要功能：能定时自动测量（5～60分钟可设）、自动定时发报、固态存储、显示、键盘操作、时间、水位、测量间隔、数字电台电源控制及发报段次等参数的修改、控制中心遥控、水位查询和传输等。

表2                     压阻式水位仪主要技术指标

水位分辨力

1cm

精度等级

0.2级

电源电压

DC (12+12)V，低功耗传感器12V

量程

0～20m，0～40m

固态存储容量

32K

适应最大水位变率

≥60cm/min

计时误差

≤2min/month

工作环境温度

-5℃～50℃

　　压力传感器选用中美麦克传感器有限公司和先行测控系统有限公司的产品。

3.2  数据传输无线电台

　　数据传输无线电台是测控中心与野外测站数据通讯的唯一手段，也是决定系统功能的重要因素。本系统的固迪通信（GRANDCOMM）数字电台，是经过国内外多种型号的反复比较，综合各种因素考核后确定的。这种电台功能较全，工作稳定性能较好，可长时间连续发射（30分钟以上），价格合理。一般情况下已经能够满足本系统的要求。

3.3  系统及测站电源

各水位自动测报站均在施工区，外接交流电源无保障，并且要求测站设备在野外不间断运行。使用交流电源还易引入雷击。所以本系统野外测站均采用80W太阳能电源，浮充100AH 12V 免维护蓄电池；中心控制站使用100AH 12V 免维护蓄电池，交流稳压充电。

表3                      电台主要参数表

型号

GD230V

电源电压

DC 13.8V

发射功率

25W

工作频率

230MHz频段

数据空间传输速率

1200/2400bps（选用1200bps）  异步通信

误码率

优于1×10

频率稳定度

1.5ppm

接收灵敏度

-111dbs(BER10)

调制方式

CPFSK

数据收/发方式

透明方式/非透明方式（采用透明方式）

功耗

Rx:100mA；Tx:5.5A

3.4  水情中心设备

　　中心控制站设备有数字电台、计算机及电源等。中心控制站是由三峡水位自动测报系统中心控制软件来实现水位自动接收、数据文件自动生成及存储、水位自动测报站远程参数修改、水位数据遥测及遥传等功能。

3.5  避雷设施

　　三峡坝区是一多雷区，防雷问题直接关系到测报站设备安全。测报站防雷分为测报站室外防雷、天线防雷、设备屏蔽接地、接地网等。设计防雷接地网接地电阻≤10Ω，设备接地网接地电阻≤4Ω。

　　测报站室外防雷，采用的避雷针引雷接地，本系统中避雷针塔、天线塔、太阳能电源架做成三合一体的塔架结构形式，塔架与防雷接地网相焊接，形成良好的等电位体，以达到防雷效果。

　　数字电台天线防雷，通过串接在天线馈线上的日本产低损耗同轴避雷器过电压对地放电而实现的防雷。 

　　设备接地是将测报站所有设备外壳均相互连接，使设备的外屏蔽形成一等电位体，最后通过一点接入设备接地网。

4、 水情中心测控及数据处理软件

　　在软件的设计与编制上较大地突破了传统的模式，更适合网络化的信息发布，计算机化数字化的资料成果的整理、整编及馆藏。

　　中心软件工作平台：Win98/Me、Win2000/XP；

　　桌面显示的主菜单内容：最新水位显示、数据查询、打印、显示地图、操作水位计、参数设置、退出等。子菜单内容根据测控和数据处理要求设置。

　　本系统测控软件中（计算机上）的一个重要标志是采用了美国卫星拍摄的卫星照片，本系统在卫星照片中割取了三峡坝区的图片，长江及其三峡工程的空中形象在桌面上非常直观，一目了然，图片真实、美观。各水位站、三峡水情中心标志及名称均在图中标注。

　　中心控制站可单独对某一个水位自动测报站进行操作，也可同时对所有水位自动测报站同时进行操作。中心站同时操作全部测站时，只需用鼠标点击水情中心站标志，再操作弹出的对话框；中心站仅操作某一测站时，只需用鼠标点击该测站标志，再操作弹出的对话框。操作非常方便。

　　当接收到新数据时，系统的显示屏上会自动弹出“最新水位数据” 对话框，会自动显示站名、时间、水位。

5、水位自动测报站设备的安装

　　泄洪闸上、泄洪闸下水位自动测报站是三峡工程二期上下游基坑充水过程监测、明渠截流大坝建筑物正式过水过程监测、大坝建筑物上游蓄水（至▽135m）过程监测的多用途监测水位站。两站分别选址在大坝泄洪闸上右导墙▽140m平台上游端，泄洪闸下左导墙下游端。由于两测站位置的特殊性，在大坝建筑物上不可能有较大的安装平台，因此仪器室选用了上海宝山钢铁公司轻型房制造公司的组装式隔热保温轻型钢房，面积为2.0*2.0(㎡),水位仪传感器护套管使用φ80加厚镀锌钢管垂直安装在导流墙上，传感器采用柔软弹性连接在钢护套管上。

　　船闸箱涵出口水位自动测报站主要功能是监测船闸充水下泄对大江水位的影响程度。明渠截流中作为补充站使用，用于监测和校核坝下水位。

　　茅坪（一）水位自动测报站，组装式临时仪器室，压阻式传感器用φ50mm的镀锌钢管及钢架固定在水下，传输电缆水下部分用钢管作护套，水上部分用PVC管作护套管。天线、太阳能电源板等架设在仪器室房顶。

　　S10水位自动测报站为设置在坝下纵向围堰上，不便建仪器室。设计为天线杆、太阳能架一体式简易临时仪器箱。

　　三斗坪水位自动测报站为砖混结构永久性仪器室，压阻式传感器及传输电缆线通过固定在护坡上的Φ100mm的镀锌钢管保护并安装。

6、 自动测报系统水位资料的比测

　　三峡水位自动测报系统各水位自动测报站在明渠截流期间根据截流的进展要求，设置自动测报的段次，11月4日22:00之前为每间隔1小时自动测报一次， 　　11月4日22:00～5日08:00，每间隔30分钟自动测报一次，11月6日07：00～10:00为龙口合拢期，间隔10分钟自动测报一次。

　　三峡水位自动测报系统中的泄洪闸上、泄洪闸下水位自动测报站建站运行较早，已编写了两个站的比测报告，误差≤±2cm的保证率为100%，系统误差为-0.053cm,标准偏差为1.44,95%置信水平、综合不确定度为2.88。

在导流明渠截流期间，对所有水位自动测报站均进行了多次比测。茅坪（一）、三斗坪、泄洪闸上、船闸箱涵出口等水位自动测报站依据本站水尺，人工观测水位进行比测，S10、SW07、泄洪闸下用Trimble全站仪,采用无人立尺方式接测水位进行同步比测。比测资料见表4。

比测统计结果，所有测站的仪器测量数据误差全部在规范规定范围以内。

表4      三峡工程明渠截流水位自动测报站水位比测统计表

站  名

时  间

水   位(m)

差 值

备  注

(M-D-H)

人工观测

仪器测量

(cm)

SW07

10-07-11

66.38

66.38

0

Trimble全站仪比测

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

泄洪闸下

10-07-15

66.39

66.39

0

10-26-16

66.50

66.50

0

泄洪闸上

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、 结论

本系统在功能、测量精度、界面的美观性、设备的可靠性、经济性等各个方面，较三峡工程大江截流时更为完善。系统在方案设计、测站布设、设备选型、测控及数据处理软件设计、设备的安装形式及基础设施的设计与实施、资料成果精度以及系统的运行管理等都已达到了《规范》要求，满足了导流明渠截流及三峡工程施工防汛等需要。

通过对三峡水情自动测报系统的建设，以及在三峡工程明渠截流中的运用情况及比测结果，充分证明该系统不仅适合三峡工程这样的特大型水利工程，这种水位自动测报系统建设的方法、思路以及设备模式、运行管理经验，在其它工程，乃至其它工程建设项目中同样适用，可以推广运用。 

作者简介

孟万林（1956.10——），男，江苏如东人，工程师，长江委长江三峡水文局科研室副主任。