雷達水位計在克東縣山洪災害防治中的應用

 

1 引言

        山洪通常是由強降雨在山丘區引發的突發性洪水，其洪水位一般陡漲陡落，常常誘發山體滑坡和泥石流，危害巨大。山洪產生的影響因素很多，主要包括降雨特性（如強度、降雨歷時、降雨量、時空分布）和流域本身的特性（如流域面積、長度、坡度、形狀、土壤類型和土地利用及植被覆蓋等情況）。由于這些因素的綜合作用以及山洪產生機理的復雜性，山洪災害的防治工作充滿了挑戰性。近年來，我國大江大河的防洪標準得到明顯提高，中小河流的洪災問題特別是山區小流域的山洪致災問題逐漸突顯。在所有洪澇災害死亡人數中，因山洪造成的死亡人數比例居高不下并且有遞增趨勢，山洪災害防治工作勢在必行。

 

        根據《國務院關于切實加強全國中小河流治理和山洪地質災害防治若干意見》（國發〔2010〕31號）和已經國務院批準的《全國中小河流治理和中小水庫除險加固、山洪地質災害防治、易災地區生態環境綜合治理總體規劃》（以下簡稱《總體規劃》），全國山洪災害防治和中小河流監測預報預警體系建設是完善防災減災的關鍵環節。全國山洪災害防治涉及30個?。ㄗ灾螀^、直轄市）的2 058個縣（區、市），防治區面積487萬km 2 。其建設內容主要包括災害調查與評價、監測站點布局、預警系統建設、群測群防體系建設等。

 

        根據國家防總要求，按照克東縣防辦2013年上報的需要建設的內容，黑龍江省組織編制完成《黑龍江省山洪災害防治項目實施方案（2013—2015年）》以及各年度實施方案，上述方案已通過水利部松遼水利委員會審查，并上報國家防辦備案。其建設任務包括克東縣山洪災害調查分析評價、非工程措施補充完善等。

 

        烏裕爾河為嫩江水系一級支流，位于克東縣縣境北部，距縣城南7.5 km。該河發源于小興安嶺西南麓山前臺地的沼澤地中，自北安市流入縣境，流經縣內的玉崗鎮、寶泉鎮、金城鄉，西至克東縣河南鄉永興村流入克山縣?？h內河流長49 km，流域面積98 km 2 ，通過克東縣境內的多年平均過境水量為4.79×10 8 m 3 。烏裕爾河河床不穩定，常變遷改道，彎曲系數在1.1左右，平均比降1∶4 000。受季節影響，夏秋液位大，春季液位少，冬季斷流，兩岸多為坡耕地。紅衛大橋自動雷達水位站位于寶泉鎮紅星村，地理位置為東經126°12′51″、北緯48°9′39″。

 

2 雷達水位計工作原理和安裝要求

        紅衛大橋雷達水位站采用的是德國恩德斯豪斯的Micropilot 雷達水位計。Micropilot 雷達水位計依托恩德斯豪斯zui新兩線制生產平臺，結合全新MEK矢量動態跟蹤算法，實現一臺儀表全工況水位測量，精度高、穩定性好、重復性優異。此外，該產品還充分考慮到現場應用、實際維護與實時測量的復雜性與多變性，在結構設計、數據傳輸和儀表維護等方面進行了全面的升級和提高。 該雷達儀表具備較強的抗干擾能力，寬泛的電壓使用范圍和較大的檢測量程；采用平板天線的結構設計，能夠有效抵抗冷凝、水汽等物理干擾；依托專利MEK矢量跟蹤技術，能夠精確定位水面位置，動態跟蹤并記錄回波曲線，做到不受隨機干擾、水位波動的影響準確識別正確回波；可以實現30 m量程的有效測量，選擇特殊高頻模塊能夠實現zui大40 m量程的檢測；具有極低的功耗設計，寬泛的供電范圍滿足交/直流電、電池供電、太陽能供電等不同的使用需求；標準的通信協議及接口符合水利行業的技術規范和要求；采用模塊化的結構設計，維護更簡單、更便捷。雷達水位計主要技術指標，見表1。

2.1 工作原理

        用于水位檢測的非接觸式高頻雷達水位計，基于時域反射技術（英文簡稱TDR）。其工作原理是雷達水位傳感器發射雷達脈沖，隨后接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時間T，依據雷達波的傳播速度C（常數）計算探頭到水面的距離，再根據傳感器安裝高程與探頭到水面的距離確定水位。其計算公式為：

        D=CT/2 （1）

        式中：D為雷達水位計到水面的距離（m）；C為光速（m/s）；T為雷達波運行時間（s）。

 

        以雷達水位計為傳感器組成的自動水位站，通過無人值守、有人看管的管理模式建設。水位站還配置了遙測終端（英文簡稱RTU）、通信終端、電源系統（太陽能電池板和蓄電池）、避雷系統（接地電阻應小于4 Ω），實現水情信息的自動采集和遠程傳輸。電源系統中的太陽能板為峰值功率20 W的單晶電池片，蓄電池為38 Ah的12 V直流免維護膠體鉛酸蓄電池。太陽能電池板固定在太陽板支架上，注意太陽能板的方向，應為南偏西約5°。水位的采集通過安裝在橫臂上的雷達水位計實現，當需要測量時系統控制器給雷達水位計供電，通過RS485接口采集水位數據。自動水位站設備組成結構，如圖1所示。

2.2 安裝要求

        所有設備均依照《水資源監測設備現場安裝調試》（SZY204－2012）要求進行安裝調試、測試及聯合調試。

        

        雷達水位計固定在懸臂水位自記平臺的橫向承管上。該承管長度為2.1 m，采用內徑120 mm無縫鋼管，在立柱頂部以下2 m處穿過立柱，并與水流方向垂直。安置于橫向承管內的伸臂，采用外徑100 mm厚無縫鋼管。雷達水位計固定在伸臂上，外面用遮雨罩遮擋，保證在汛期及冬季均能正常運行。水位傳感器的供電線和信號線從伸臂管中間穿過，引入立桿處的RTU控制系統中。雷達水位計在伸臂上的安裝示意，如圖2所示。

        施工時，應做好以下幾點：①雷達水位計宜設置在河床穩定、不易坍塌、崩岸且水位代表性好、主流不易改道的位置，應避開回水和水工建筑物形成的影響；②基礎應穩定牢固，承載能力和抗傾覆能力滿足要求，確保洪水期不被洪水沖毀并保持正常收集水位資料；③支架伸臂高度至少高于zui高洪水位1.0 m，且距岸邊地面高度不低于2.5 m；④確保探頭始終置于水流上方，信號反射區域內無遮擋物，能記錄水位至歷史zui高水位以上0.5 m。

 

3 雷達水位計汛期現場數據采集

        水位每 5 min采集1次，水位有變化時報送1次，無變化時不報送，為本地固態存儲，每日 8 時必須報送水位；非汛期每日 2 、6 、8 、14 、20 時各報送1次，報送內容包括電池電壓、信號強度等。如，2016年8月10日，紅衛大橋雷達水位計采集水深0.44 m、基準值223.88 m、堤頂高程229.14 m、預警高程228.94 m，將采集的水情信息通過 GPRS 實時發送至克東縣監測預警系統平臺，由克東縣平臺轉發至黑龍江省防辦，給各級政府領導和防汛部門實施決策和防洪調度及搶險救災提供了準確依據。

 

4 結語

        雷達水位計作為自動水位站監測系統的現代化儀器，不需要建測井，節省了大量的土建經費。該自動水位采集傳感器精度高、穩定性好，能夠抵抗冷凝、水汽等物理干擾，便于維護和檢修，大大減輕了人工勞動成本。

 

        應用雷達水位計的山洪災害防治縣級非工程措施后，克東縣山洪災害防御能力得到全面提升?？藮|縣山洪災害防治項目是克東縣洪澇災害防治工作的一項十分重要的內容，項目實施后山洪災害防治的各項措施更加系統化、集成化和實用化，并產生較明顯的社會效益和經濟效益。