雷达水位计在克东县山洪灾害防治中的应用

 

1 引言

        山洪通常是由强降雨在山丘区引发的突发性洪水，其洪水位一般陡涨陡落，常常诱发山体滑坡和泥石流，危害巨大。山洪产生的影响因素很多，主要包括降雨特性（如强度、降雨历时、降雨量、时空分布）和流域本身的特性（如流域面积、长度、坡度、形状、土壤类型和土地利用及植被覆盖等情况）。由于这些因素的综合作用以及山洪产生机理的复杂性，山洪灾害的防治工作充满了挑战性。近年来，我国大江大河的防洪标准得到明显提高，中小河流的洪灾问题特别是山区小流域的山洪致灾问题逐渐突显。在所有洪涝灾害死亡人数中，因山洪造成的死亡人数比例居高不下并且有递增趋势，山洪灾害防治工作势在必行。

 

        根据《国务院关于切实加强全国中小河流治理和山洪地质灾害防治若干意见》（国发〔2010〕31号）和已经国务院批准的《全国中小河流治理和中小水库除险加固、山洪地质灾害防治、易灾地区生态环境综合治理总体规划》（以下简称《总体规划》），全国山洪灾害防治和中小河流监测预报预警体系建设是完善防灾减灾的关键环节。全国山洪灾害防治涉及30个省（自治区、直辖市）的2 058个县（区、市），防治区面积487万km 2 。其建设内容主要包括灾害调查与评价、监测站点布局、预警系统建设、群测群防体系建设等。

 

        根据国家防总要求，按照克东县防办2013年上报的需要建设的内容，黑龙江省组织编制完成《黑龙江省山洪灾害防治项目实施方案（2013—2015年）》以及各年度实施方案，上述方案已通过水利部松辽水利委员会审查，并上报国家防办备案。其建设任务包括克东县山洪灾害调查分析评价、非工程措施补充完善等。

 

        乌裕尔河为嫩江水系一级支流，位于克东县县境北部，距县城南7.5 km。该河发源于小兴安岭西南麓山前台地的沼泽地中，自北安市流入县境，流经县内的玉岗镇、宝泉镇、金城乡，西至克东县河南乡永兴村流入克山县。县内河流长49 km，流域面积98 km 2 ，通过克东县境内的多年平均过境水量为4.79×10 8 m 3 。乌裕尔河河床不稳定，常变迁改道，弯曲系数在1.1左右，平均比降1∶4 000。受季节影响，夏秋液位大，春季液位少，冬季断流，两岸多为坡耕地。红卫大桥自动雷达水位站位于宝泉镇红星村，地理位置为东经126°12′51″、北纬48°9′39″。

 

2 雷达水位计工作原理和安装要求

        红卫大桥雷达水位站采用的是德国恩德斯豪斯的Micropilot 雷达水位计。Micropilot 雷达水位计依托恩德斯豪斯zui新两线制生产平台，结合全新MEK矢量动态跟踪算法，实现一台仪表全工况水位测量，精度高、稳定性好、重复性优异。此外，该产品还充分考虑到现场应用、实际维护与实时测量的复杂性与多变性，在结构设计、数据传输和仪表维护等方面进行了全面的升级和提高。 该雷达仪表具备较强的抗干扰能力，宽泛的电压使用范围和较大的检测量程；采用平板天线的结构设计，能够有效抵抗冷凝、水汽等物理干扰；依托专利MEK矢量跟踪技术，能够精确定位水面位置，动态跟踪并记录回波曲线，做到不受随机干扰、水位波动的影响准确识别正确回波；可以实现30 m量程的有效测量，选择特殊高频模块能够实现zui大40 m量程的检测；具有极低的功耗设计，宽泛的供电范围满足交/直流电、电池供电、太阳能供电等不同的使用需求；标准的通信协议及接口符合水利行业的技术规范和要求；采用模块化的结构设计，维护更简单、更便捷。雷达水位计主要技术指标，见表1。

2.1 工作原理

        用于水位检测的非接触式高频雷达水位计，基于时域反射技术（英文简称TDR）。其工作原理是雷达水位传感器发射雷达脉冲，随后接收从水面反射回来的脉冲，并记录时间T，依据雷达波的传播速度C（常数）计算探头到水面的距离，再根据传感器安装高程与探头到水面的距离确定水位。其计算公式为：

        D=CT/2 （1）

        式中：D为雷达水位计到水面的距离（m）；C为光速（m/s）；T为雷达波运行时间（s）。

 

        以雷达水位计为传感器组成的自动水位站，通过无人值守、有人看管的管理模式建设。水位站还配置了遥测终端（英文简称RTU）、通信终端、电源系统（太阳能电池板和蓄电池）、避雷系统（接地电阻应小于4 Ω），实现水情信息的自动采集和远程传输。电源系统中的太阳能板为峰值功率20 W的单晶电池片，蓄电池为38 Ah的12 V直流免维护胶体铅酸蓄电池。太阳能电池板固定在太阳板支架上，注意太阳能板的方向，应为南偏西约5°。水位的采集通过安装在横臂上的雷达水位计实现，当需要测量时系统控制器给雷达水位计供电，通过RS485接口采集水位数据。自动水位站设备组成结构，如图1所示。

2.2 安装要求

        所有设备均依照《水资源监测设备现场安装调试》（SZY204－2012）要求进行安装调试、测试及联合调试。

        

        雷达水位计固定在悬臂水位自记平台的横向承管上。该承管长度为2.1 m，采用内径120 mm无缝钢管，在立柱顶部以下2 m处穿过立柱，并与水流方向垂直。安置于横向承管内的伸臂，采用外径100 mm厚无缝钢管。雷达水位计固定在伸臂上，外面用遮雨罩遮挡，保证在汛期及冬季均能正常运行。水位传感器的供电线和信号线从伸臂管中间穿过，引入立杆处的RTU控制系统中。雷达水位计在伸臂上的安装示意，如图2所示。

        施工时，应做好以下几点：①雷达水位计宜设置在河床稳定、不易坍塌、崩岸且水位代表性好、主流不易改道的位置，应避开回水和水工建筑物形成的影响；②基础应稳定牢固，承载能力和抗倾覆能力满足要求，确保洪水期不被洪水冲毁并保持正常收集水位资料；③支架伸臂高度至少高于zui高洪水位1.0 m，且距岸边地面高度不低于2.5 m；④确保探头始终置于水流上方，信号反射区域内无遮挡物，能记录水位至历史zui高水位以上0.5 m。

 

3 雷达水位计汛期现场数据采集

        水位每 5 min采集1次，水位有变化时报送1次，无变化时不报送，为本地固态存储，每日 8 时必须报送水位；非汛期每日 2 、6 、8 、14 、20 时各报送1次，报送内容包括电池电压、信号强度等。如，2016年8月10日，红卫大桥雷达水位计采集水深0.44 m、基准值223.88 m、堤顶高程229.14 m、预警高程228.94 m，将采集的水情信息通过 GPRS 实时发送至克东县监测预警系统平台，由克东县平台转发至黑龙江省防办，给各级政府领导和防汛部门实施决策和防洪调度及抢险救灾提供了准确依据。

 

4 结语

        雷达水位计作为自动水位站监测系统的现代化仪器，不需要建测井，节省了大量的土建经费。该自动水位采集传感器精度高、稳定性好，能够抵抗冷凝、水汽等物理干扰，便于维护和检修，大大减轻了人工劳动成本。

 

        应用雷达水位计的山洪灾害防治县级非工程措施后，克东县山洪灾害防御能力得到全面提升。克东县山洪灾害防治项目是克东县洪涝灾害防治工作的一项十分重要的内容，项目实施后山洪灾害防治的各项措施更加系统化、集成化和实用化，并产生较明显的社会效益和经济效益。