青海省中小河流雨量站建設(shè)探討

馬向東

（青海省水文水資源勘測局，青海 西寧 810001）

青海省中小河流雨量站建設(shè)探討

馬向東

（青海省水文水資源勘測局，青海 西寧 810001）

青海省是我國水旱災(zāi)害多發(fā)地區(qū)之一，特別是中小河流地區(qū)，由于受地形條件和河流特性影響，如遇局地暴雨即刻會引發(fā)洪水甚至是泥石流，極易成災(zāi)，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，制約了青海經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，特別是在水文監(jiān)測系統(tǒng)方面仍存在站網(wǎng)不足、水文基礎(chǔ)設(shè)施陳舊落后、水文測報能力與技術(shù)水平低、綜合服務(wù)能力不高等問題，嚴(yán)重影響了水文為中小河流治理和山洪地質(zhì)災(zāi)害防治服務(wù)的能力與水平。

2011年，中央一號文件明確了新形勢下必須大力加強(qiáng)水利建設(shè)，要求“十二五”完成山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)建設(shè)，旨在提高中小河流水文信息采集、傳輸和洪水預(yù)報能力，為中小河流治理、山洪地質(zhì)災(zāi)害防治、易災(zāi)地區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合治理提供更加及時、準(zhǔn)確的水文信息支撐。

1 概況

青海省是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，位于青藏高原東北部，總面積72.12萬km2，境內(nèi)河流眾多，水系比較發(fā)育，集水面積在500 km2以上的河流有278條。南部和東部為外流水系，是長江、黃河、瀾滄江三大江河的源頭和上游段，由于降水相對較多，水系較發(fā)育，河網(wǎng)密集。西北部為內(nèi)陸水系，因氣候干旱少雨，河流短小而分散。全省地貌復(fù)雜多樣，4/5以上的地區(qū)為高原。東部多山，海拔較低，西部為高原和盆地。全省平均海拔3 000 m以上，其中海拔3 000 m以下的地區(qū)約占全省總面積的26.3%；3 000～5 000 m的地區(qū)占67%；5 000 m以上的地區(qū)占5%。境內(nèi)的山脈，有東西向、南北向兩組，構(gòu)成了青海的地貌骨架。地形分為祁連山地、柴達(dá)木盆地、青南高原三區(qū)。

青海省的氣候?qū)俚湫透咴箨憵夂?，干燥、少雨、多風(fēng)、缺氧、寒冷，地區(qū)間差異大，垂直變化明顯。年平均氣溫-5.6～8.6℃，降水量15～750 mm。青海地處中緯度地帶，太陽輻射強(qiáng)度大，光照時間長，年總輻射量可達(dá)690.8～753.6 kJ/cm2，直接輻射量占輻射量的60%以上，年絕對值超過 418.68 kJ。

青海省河流歸屬于黃河、長江、瀾滄江和內(nèi)陸河四大水系，內(nèi)陸河又由柴達(dá)木盆地、青海湖、哈拉湖、茶卡-沙珠玉、河西內(nèi)陸河和羌塘高原6個獨(dú)立的水系構(gòu)成。其中集水面積小于3 000 km2的中小河流約有3 500條，總的集水面積約50多萬km2。根據(jù)調(diào)查，青海省集水面積在200 km2以上的河流共370條，其中黃河水系163條，長江水系85條，瀾滄江水系21條，內(nèi)陸河水系101條。

2 雨量站網(wǎng)現(xiàn)狀

青海省現(xiàn)有雨量觀測項目的有121站，站網(wǎng)密度僅為2 174 km2/站，站網(wǎng)密度遠(yuǎn)達(dá)不到《水文站網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的300 km2/站，更小于世界氣象組織推薦的最稀密度的指標(biāo)，且基本分布于大江大河及其重要支流上。有相當(dāng)一部分集水面積在200 km2以上且有重要防汛任務(wù)的中小河流沒有設(shè)立雨量站點(diǎn)和開展雨情監(jiān)測工作，無法控制實時雨情信息；部分中小河流上雖設(shè)有雨量站點(diǎn)，現(xiàn)有雨量站絕大部分沒有專用觀測場、儀器房，觀測以人工為主，固態(tài)存儲雨計，內(nèi)存較小，需2～3個月讀取一次數(shù)據(jù)，無遠(yuǎn)傳設(shè)備。也無法提供實時的水情信息服務(wù)，雨量資料的準(zhǔn)確性、實效性得不到保證，導(dǎo)致中小河流洪水預(yù)報方案不成熟，不能滿足洪水預(yù)測的要求。

3 布設(shè)原則及依據(jù)

根據(jù)降雨空間變化特性，一般按流域面積設(shè)置雨量監(jiān)測站，雨量站布設(shè)原則為在100 km2以上的河流按平均100 km2流域面積設(shè)1個雨量站，100 km2以下50 km2以上河流設(shè)1個雨量站，50 km2以下的河流人口較密集的地區(qū)應(yīng)設(shè)1個雨量站，暴雨中心區(qū)域的雨量站網(wǎng)要加密布設(shè)。

青海省年降水量為2 064億m3，平均降水深285.6 mm。省內(nèi)絕大部分地區(qū)降水量在500 mm以下。東南部及北部的祁連山、拉脊山降水較多，年降水量在500～700 mm之間。降水量最多的久治一帶達(dá)767 mm。柴達(dá)木盆地平均降水量107.6 mm，年降水量變化范圍為17.6～247.1 mm。降水量由東南向西北逐漸減少，降水量年內(nèi)分配不均，主要集中在夏秋兩季。連續(xù)最大4個月降水多出現(xiàn)在6—9月，占全年降水量的80%左右；11月至次年3月降水僅占年降水量的5%～10%。青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)是暴雨多發(fā)區(qū)，具有暴雨強(qiáng)度大、歷時短的特點(diǎn)，暴雨中心經(jīng)常出現(xiàn)在3個比較固定的地區(qū)：一是拉脊山東段的北坡，即民和的古鄯～巴州一帶；二是達(dá)坂山西段的南坡，即衙門莊～大通、上五莊一帶；三是拉脊山南坡的尖扎～化隆、昂思多一帶。75%以上的24 h降雨量在6h以內(nèi)降完，最大1 h降雨量占24 h降雨量的30%～50%。50 mm次雨量等值線的面積，絕大部分在200～2 000 km2以內(nèi)。短歷時暴雨中心點(diǎn)的強(qiáng)度相當(dāng)可觀，有的可接近或超過南方地區(qū)。

內(nèi)陸地區(qū)在特殊氣象條件下，也會發(fā)生大暴雨乃至特大暴雨。1989年7月19日，柴達(dá)木盆地南部、東部和青海湖流域的西南部普降暴雨，持續(xù)8 h左右，暴雨區(qū)籠罩面積大，80 mm以上籠罩面積達(dá)5 437.5 km2。50～80 mm籠罩面積為50 562.5 km2，此次大暴雨產(chǎn)生的洪水，部分為200～300年一遇，基本系各水文站的首大和次大值。

青海省依據(jù)各地降水情況、人口分布狀況及交通狀況，規(guī)劃在防洪減災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域的黃河、內(nèi)陸河、長江及西南諸河流域共規(guī)劃雨量站405處（其中新增雨量站330處，改建雨量站75處）規(guī)劃區(qū)域內(nèi)雨量站密度由2 174 km2/站提高到400 km2/站。新建水情信息中心7處（省中心1處、分中心6處）。

4 雨量遙測站設(shè)備組成功能及技術(shù)要求

1）雨量遙測站設(shè)備組成、功能。自動監(jiān)測雨量站以遙測終端為核心，配置翻斗式雨量傳感器、通信終端、電源系統(tǒng)以及避雷系統(tǒng)，實現(xiàn)雨情信息的自動采集和自動傳輸。雨量自動監(jiān)測站采用太陽能浮充蓄電池方式供電。

遙測雨量站具有以下功能：可定時或?qū)崟r自動采集雨量參數(shù)，采樣間隔可設(shè)定；能按定時或事件自報方式發(fā)送數(shù)據(jù)；具有現(xiàn)地或遠(yuǎn)地編程能力，可設(shè)置參數(shù)，改變路徑，讀取數(shù)據(jù)；可響應(yīng)召測，接收來自測控中心的召測指令，根據(jù)指令要求將當(dāng)前值，或?qū)⑦^去的記錄值，或?qū)⑺写尜A的數(shù)據(jù)通過指定的信道或指定的路徑發(fā)送；具有工況報告功能。

2）遙測終端應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：具有自動采集水位、雨量的功能；具有定時自報和響應(yīng)召測兼容的工作體制；具有人工置數(shù)接口，實現(xiàn)人工鍵入信息的發(fā)送；具有與衛(wèi)星、GSM/GPRS兩種信道相連的接口；環(huán)境條件為工作溫度－10～45℃，工作濕度不大于95%(40℃)；可靠性指標(biāo)，在正常維護(hù)條件下，設(shè)備的MTBF≥25 000 h。

3）供電要求。為保證自動監(jiān)測站設(shè)備能在雷電、暴雨、停電的惡劣條件下可靠、穩(wěn)定、正常的工作，自動監(jiān)測站終端及通信設(shè)備采用太陽能板浮充蓄電池直流供電方式。

4）防雷要求。傳輸通信系統(tǒng)的防雷設(shè)計主要針對自動監(jiān)測站及數(shù)據(jù)接收處理平臺的監(jiān)測設(shè)備、通信信號線、傳感器、電源等單元予以進(jìn)行，交流供電線應(yīng)安裝泄放電流大、響應(yīng)速度快的避雷器，避雷器的泄流能力不小于10 kA；自動監(jiān)測站避雷接地電阻應(yīng)小于10 Ω。

5 遙測雨量站設(shè)備選型

1）自記雨量計選用原則：按照降雨量觀測規(guī)范規(guī)定，需要控制雨日地區(qū)分布變化的雨量站應(yīng)記至0.1 mm；不需要日雨量資料的雨量站，可記至0.2 mm；多年平均降水量大于400 mm、小于800 mm地區(qū)，如果汛期雨強(qiáng)特別大，且降水量占全年60%以上，亦可記至0.5 mm；多年平均降水量大于800 mm的地區(qū)可記至1 mm。由于青海省降水量最多的久治一帶年降水量為767 mm，因此對雨量測量精度要求較低，可以選擇分辨率0.2 mm雨量計。0.2 mm分辨率雨量計更能適應(yīng)青海省的需要。綜上所述，選用雨量觀測設(shè)備為分辨率0.2 mm的翻斗式雨量計。

2）自記雨量計主要技術(shù)指標(biāo)：承雨口，內(nèi)徑φ200+0.600 mm、外刃口角度 40°～45°；雨量分辨力，0.2 mm（JDZ01 全銹鋼系列）；降雨強(qiáng)度測量范圍，0.01～4 mm/min；翻斗計量誤差，不大于±4%；（室內(nèi)人工模擬降雨條件下，以自身排水量為準(zhǔn)進(jìn)行考核）；輸出信號，開關(guān)接點(diǎn)通斷信號；單觸點(diǎn)輸出，單個干簧管，通斷脈沖；雙觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換輸出，兩個干簧管，常態(tài)時一通一斷；開關(guān)接點(diǎn)容量，DCU≤24 V，I≤120 mA；接點(diǎn)工作次數(shù)，1×107；工作環(huán)境，溫度 0～＋50 ℃；空氣相對濕度不限。

6 遙測雨量站通信及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)傳輸通信，青海省水文局根據(jù)各地的通信資源及地形條件因地制宜地分別選用GPRS通信、北斗衛(wèi)星通信方式。

6.1 GPRS通信系統(tǒng)

采用GPRS通信組網(wǎng)，監(jiān)測站需配置GSM/GPRS通信終端，水情中心站則根據(jù)接入方式不同，需配置接入Internet的固定IP或?qū)＞€。

GPRS/GSM模塊主要技術(shù)指標(biāo)：支持雙頻GSM/GPRS符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)支持A5/1&A5/5加密算法；透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)短消息數(shù)據(jù)備用通道(選項)；支持動態(tài)數(shù)據(jù)中心域名和IP地址(V2.5以后軟件版本)STK卡特殊功能配置；支持RS-232/422/485或以太網(wǎng)接口支持音頻接口通過Xmodem協(xié)議進(jìn)行軟件升級；自診斷與告警輸出采用先進(jìn)電源技術(shù)，供電電源適應(yīng)范圍寬，提高設(shè)備的穩(wěn)定性；支持全速率，增強(qiáng)全速率和半速率支持回聲抑制和噪聲消除功能(選項)；支持雙音多頻(DTMF)GPRS數(shù)據(jù)；天線接口，50/MMCX陰頭；SIM卡，3 V串行數(shù)據(jù)接口；工作環(huán)境溫度，-30～+60℃；儲存溫度，-40～+85 ℃；相對濕度，95%(無凝結(jié))。

6.2 北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星及網(wǎng)管中心、遙測雨量站站、水情中心站組成，在北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，遙測雨量站站和水情中心站需配置北斗衛(wèi)星通信終端及天饋線等主要通信設(shè)備。

北斗衛(wèi)星通信終端主要技術(shù)指標(biāo)：天線波束寬度，俯仰方向 25°～90°，水平方向 0°～360°；頻率，接收 S 波段，發(fā)射L波段；接收靈敏度，C≤-157.6 dBW；接收信號誤碼率不大于1×10-7；發(fā)射EIRP值不小于13 dBW；MTBF（平均故障間隔時間），25 000 h；平均功耗不大于6 W；發(fā)射最大功耗不大于120 W；環(huán)境條件，濕度 5%～98%（45℃），工作環(huán)境溫度-20～+55℃；電源 9～32 VDC；接口標(biāo)準(zhǔn) RS232；通信速率為 2.4，4.8，9.6 ，19.2 kbps可設(shè)置。

7 雨量站建設(shè)

青海省采用的遙測雨量站的建設(shè)形式主要有桿式和筒式兩種：

1）桿式雨量計鋼管支架為直徑325 mm、壁厚8 mm的無縫鋼管，高度3 m，太陽能電池板直接連接在鋼管支架上部，天線、避雷針連接在鋼管頂部，內(nèi)置翻斗式雨量計、電子設(shè)備筒、免維護(hù)電池，下端底板采用10 mm厚鋼板，用6根M20地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)地質(zhì)資料情況，雨量計采用混凝土基礎(chǔ)，尺寸1 200 mm×1 200 mm，埋深為各站所處最大凍土層以下，基礎(chǔ)出地面200 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C25。采集器和雨量筒之間采用有線傳輸，通訊方式根據(jù)各站所在地理位置，采用GSM/GPRS或北斗衛(wèi)星通信終端方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給水情中心。

2）筒式雨量計采用混凝土基礎(chǔ)，尺寸500 mm×500 mm×400 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C25。翻斗式雨量計底板采用10 mm厚鋼板，下部用M20地腳螺栓固定在基礎(chǔ)上。另置同樣基礎(chǔ)固定太陽能光板、天線、避雷針。采集器和雨量筒之間采用有線傳輸，通訊方式根據(jù)各站所在地理位置，采用GSM/GPRS或北斗衛(wèi)星通信終端方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給水情中心。

8 結(jié)語

青海省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)雨量站的建設(shè)與實施，將極大地改善青海省內(nèi)中小河流域雨量監(jiān)測站網(wǎng)布局，加快中小河流水文監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)中小河流暴雨的自動監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警，全面提升青海省內(nèi)監(jiān)測站點(diǎn)的降水測報、分析評價及水文水資源信息服務(wù)能力，逐步提高中小河流的暴雨洪水災(zāi)害防御能力，適應(yīng)新時期區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展對水文工作的要求，為保障人民生命財產(chǎn)安全和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供高效的信息服務(wù)，其實施將產(chǎn)生巨大的社會效益。

［1］崔泰昌.雨量站網(wǎng)密度分析幾種方法之比較［J］.山西水利，2002(s).

［2］水利部水文司.《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則實用方法》［S］，1992.

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2012-03-16