青海省中小河流雨量站建設探討

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害多發地區之一，特別是中小河流地區，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洪水甚至是泥石流，極易成災，造成人員傷亡和財產損失，制約了青海經濟社會發展，特別是在水文監測系統方面仍存在站網不足、水文基礎設施陳舊落后、水文測報能力與技術水平低、綜合服務能力不高等問題，嚴重影響了水文為中小河流治理和山洪地質災害防治服務的能力與水平。

2011年，中央一號文件明確了新形勢下必須大力加強水利建設，要求“十二五”完成山洪災害易發區預警預報系統建設，旨在提高中小河流水文信息采集、傳輸和洪水預報能力，為中小河流治理、山洪地質災害防治、易災地區生態環境綜合治理提供更加及時、準確的水文信息支撐。

1 概況

青海省是長江、黃河、瀾滄江的發源地，位于青藏高原東北部，總面積72.12萬km2，境內河流眾多，水系比較發育，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，水系較發育，河網密集。西北部為內陸水系，因氣候干旱少雨，河流短小而分散。全省地貌復雜多樣，4/5以上的地區為高原。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以下的地區約占全省總面積的26.3%；3 000～5 000 m的地區占67%；5 000 m以上的地區占5%。境內的山脈，有東西向、南北向兩組，構成了青海的地貌骨架。地形分為祁連山地、柴達木盆地、青南高原三區。

青海省的氣候屬典型高原大陸氣候，干燥、少雨、多風、缺氧、寒冷，地區間差異大，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，太陽輻射強度大，光照時間長，年總輻射量可達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、瀾滄江和內陸河四大水系，內陸河又由柴達木盆地、青海湖、哈拉湖、茶卡-沙珠玉、河西內陸河和羌塘高原6個獨立的水系構成。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。根據調查，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，內陸河水系101條。

2 雨量站網現狀

青海省現有雨量觀測項目的有121站，站網密度僅為2 174 km2/站，站網密度遠達不到《水文站網技術導則》規定的300 km2/站，更小于世界氣象組織推薦的最稀密度的指標，且基本分布于大江大河及其重要支流上。有相當一部分集水面積在200 km2以上且有重要防汛任務的中小河流沒有設立雨量站點和開展雨情監測工作，無法控制實時雨情信息；部分中小河流上雖設有雨量站點，現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，固態存儲雨計，內存較小，需2～3個月讀取一次數據，無遠傳設備。也無法提供實時的水情信息服務，雨量資料的準確性、實效性得不到保證，導致中小河流洪水預報方案不成熟，不能滿足洪水預測的要求。

3 布設原則及依據

根據降雨空間變化特性，一般按流域面積設置雨量監測站，雨量站布設原則為在100 km2以上的河流按平均100 km2流域面積設1個雨量站，100 km2以下50 km2以上河流設1個雨量站，50 km2以下的河流人口較密集的地區應設1個雨量站，暴雨中心區域的雨量站網要加密布設。

青海省年降水量為2 064億m3，平均降水深285.6 mm。省內絕大部分地區降水量在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767 mm。柴達木盆地平均降水量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，降水量年內分配不均，主要集中在夏秋兩季。連續最大4個月降水多出現在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%。青海省東部農業區是暴雨多發區，具有暴雨強度大、歷時短的特點，暴雨中心經常出現在3個比較固定的地區：一是拉脊山東段的北坡，即民和的古鄯～巴州一帶；二是達坂山西段的南坡，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。短歷時暴雨中心點的強度相當可觀，有的可接近或超過南方地區。

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

青海省依據各地降水情況、人口分布狀況及交通狀況，規劃在防洪減災重點區域的黃河、內陸河、長江及西南諸河流域共規劃雨量站405處（其中新增雨量站330處，改建雨量站75處）規劃區域內雨量站密度由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 雨量遙測站設備組成功能及技術要求

1）雨量遙測站設備組成、功能。自動監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、電源系統以及避雷系統，實現雨情信息的自動采集和自動傳輸。雨量自動監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：可定時或實時自動采集雨量參數，采樣間隔可設定；能按定時或事件自報方式發送數據；具有現地或遠地編程能力，可設置參數，改變路徑，讀取數據；可響應召測，接收來自測控中心的召測指令，根據指令要求將當前值，或將過去的記錄值，或將所有存貯的數據通過指定的信道或指定的路徑發送；具有工況報告功能。

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

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

4）防雷要求。傳輸通信系統的防雷設計主要針對自動監測站及數據接收處理平臺的監測設備、通信信號線、傳感器、電源等單元予以進行，交流供電線應安裝泄放電流大、響應速度快的避雷器，避雷器的泄流能力不小于10 kA；自動監測站避雷接地電阻應小于10 Ω。

5 遙測雨量站設備選型

1）自記雨量計選用原則：按照降雨量觀測規范規定，需要控制雨日地區分布變化的雨量站應記至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，如果汛期雨強特別大，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青海省的需要。綜上所述，選用雨量觀測設備為分辨率0.2 mm的翻斗式雨量計。

2）自記雨量計主要技術指標：承雨口，內徑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）；降雨強度測量范圍，0.01～4 mm/min；翻斗計量誤差，不大于±4%；（室內人工模擬降雨條件下，以自身排水量為準進行考核）；輸出信號，開關接點通斷信號；單觸點輸出，單個干簧管，通斷脈沖；雙觸點轉換輸出，兩個干簧管，常態時一通一斷；開關接點容量，DCU≤24 V，I≤120 mA；接點工作次數，1×107；工作環境，溫度 0～＋50 ℃；空氣相對濕度不限。

6 遙測雨量站通信及數據傳輸設備

自動監測站的數據傳輸通信，青海省水文局根據各地的通信資源及地形條件因地制宜地分別選用GPRS通信、北斗衛星通信方式。

6.1 GPRS通信系統

采用GPRS通信組網，監測站需配置GSM/GPRS通信終端，水情中心站則根據接入方式不同，需配置接入Internet的固定IP或專線。

GPRS/GSM模塊主要技術指標：支持雙頻GSM/GPRS符合ETSI GSM Phase 2+標準支持A5/1&A5/5加密算法；透明數據傳輸與協議轉換支持虛擬數據專用網短消息數據備用通道(選項)；支持動態數據中心域名和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或以太網接口支持音頻接口通過Xmodem協議進行軟件升級；自診斷與告警輸出采用先進電源技術，供電電源適應范圍寬，提高設備的穩定性；支持全速率，增強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數據；天線接口，50/MMCX陰頭；SIM卡，3 V串行數據接口；工作環境溫度，-30～+60℃；儲存溫度，-40～+85 ℃；相對濕度，95%(無凝結)。

6.2 北斗衛星通信系統

北斗衛星通信系統由衛星及網管中心、遙測雨量站站、水情中心站組成，在北斗衛星通信網絡中，遙測雨量站站和水情中心站需配置北斗衛星通信終端及天饋線等主要通信設備。

北斗衛星通信終端主要技術指標：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；發射最大功耗不大于120 W；環境條件，濕度 5%～98%（45℃），工作環境溫度-20～+55℃；電源 9～32 VDC；接口標準 RS232；通信速率為 2.4，4.8，9.6 ，19.2 kbps可設置。

7 雨量站建設

青海省采用的遙測雨量站的建設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，內置翻斗式雨量計、電子設備筒、免維護電池，下端底板采用10 mm厚鋼板，用6根M20地腳螺栓固定在基礎上。根據建設地點地質資料情況，雨量計采用混凝土基礎，尺寸1 200 mm×1 200 mm，埋深為各站所處最大凍土層以下，基礎出地面200 mm，混凝土強度等級為C25。采集器和雨量筒之間采用有線傳輸，通訊方式根據各站所在地理位置，采用GSM/GPRS或北斗衛星通信終端方式將數據發送給水情中心。

2）筒式雨量計采用混凝土基礎，尺寸500 mm×500 mm×400 mm，混凝土強度等級為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上。另置同樣基礎固定太陽能光板、天線、避雷針。采集器和雨量筒之間采用有線傳輸，通訊方式根據各站所在地理位置，采用GSM/GPRS或北斗衛星通信終端方式將數據發送給水情中心。

8 結語

青海省中小河流水文監測系統雨量站的建設與實施，將極大地改善青海省內中小河流域雨量監測站網布局，加快中小河流水文監測站網建設，實現中小河流暴雨的自動監測和預報預警，全面提升青海省內監測站點的降水測報、分析評價及水文水資源信息服務能力，逐步提高中小河流的暴雨洪水災害防御能力，適應新時期區域經濟發展對水文工作的要求，為保障人民生命財產安全和國民經濟的可持續發展提供高效的信息服務，其實施將產生巨大的社會效益。

［1］崔泰昌.雨量站網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.《水文站網規劃技術導則實用方法》［S］，1992.

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1002－0624（2012）06－0039－02

2012-03-16