水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)在沙畈水庫(kù)的應(yīng)用

吳軍華，李 櫻

（金華市沙畈水庫(kù)管理處，浙江 金華 321062）

1 系統(tǒng)綜述

1.1 流域概況

金華市沙畈水庫(kù)位于錢塘江水系的金華江白沙溪上，距離金華城區(qū)50 km，是以灌溉、供水為主，結(jié)合發(fā)電、防洪等綜合利用的水利工程。水庫(kù)壩址以上控制流域面積131 km2，流域多年平均降水量為1 781 mm，最大單站24 h站降水量376 mm，多年平均徑流量1.51億m3，平均入庫(kù)流量4.76 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位270.06 m，相應(yīng)庫(kù)容7 696萬(wàn)m3，總庫(kù)容8 555萬(wàn)m3。發(fā)電引水系統(tǒng)全長(zhǎng)954.55 m，裝機(jī)2×5 000 kW，年均發(fā)電2 200多萬(wàn)kWh。

1.2 建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的必要性

沙畈水庫(kù)建成以后，對(duì)金華市的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等綜合效益十分明顯，同時(shí)，與下游水庫(kù)聯(lián)合調(diào)洪，基本能控制白沙溪流域的洪災(zāi)損失。但流域內(nèi)現(xiàn)有水文觀測(cè)設(shè)備仍較落后，觀測(cè)誤差大，信息傳遞不及時(shí)，已不能滿足洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)現(xiàn)代化管理的需要。為保證水庫(kù)安全防汛，合理利用水資源，提高灌溉、發(fā)電的效益和工程的運(yùn)行管理水平，有必要采用現(xiàn)代化水文測(cè)報(bào)、洪水預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度技術(shù)，建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，為水庫(kù)運(yùn)行管理和防洪、指揮提供實(shí)時(shí)的水文信息。

1.3 建設(shè)可行性

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下，利用有線或無(wú)線設(shè)備，配備傳感器和數(shù)據(jù)采集終端，自動(dòng)采集、傳輸和處理水文參數(shù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)及水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的自動(dòng)化系統(tǒng)。

根據(jù)水庫(kù)防汛工作的需要，結(jié)合流域內(nèi)地形地貌和流域隆雨分布的特點(diǎn)，考慮組建通信網(wǎng)的實(shí)際，建設(shè)該系統(tǒng)既要滿足防汛安全調(diào)度的需要，又要求無(wú)線網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理、遙測(cè)站分布均勻，便于管理，節(jié)省投資，并且應(yīng)可靠、實(shí)用、具有先進(jìn)性。

2 遙測(cè)通信網(wǎng)

2.1 遙測(cè)站的選址與布置

系統(tǒng)采用1∶1∶6的組網(wǎng)方式，即1個(gè)中心站、1個(gè)中繼站、6個(gè)遙測(cè)站 （壩上站、壩下站、進(jìn)庫(kù)站、銀坑站、門陣站、小源口站），其中中繼站是在銀坑站、門陣站、小源口站、進(jìn)庫(kù)站信道無(wú)法與中心站直接連通的情況下設(shè)置的，位于離進(jìn)庫(kù)站約300 m的白楊尖上。6個(gè)遙測(cè)站中，壩下站為水位站，壩上站、進(jìn)庫(kù)站為水位雨量站，銀坑站、門陣站、小源口站為雨量站，銀坑站、門陣站、小源口站、壩上站4個(gè)雨量站建庫(kù)之前就已存在，進(jìn)庫(kù)流量站為水庫(kù)建成后設(shè)立。系統(tǒng)站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)站點(diǎn)分布圖

2.2 通信網(wǎng)的技術(shù)要求

（1）超短波通信信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率應(yīng)小于10-4。

（2）信道通暢率大于99%。

（3）電路設(shè)計(jì)除要留出足夠的衰減余量和外噪聲惡化量之外，還必須留有余量，以保證通信的可靠性。一般情況下，中繼線路的信道余量取M≥10 dB，遙測(cè)站的信道余量取M≥5 dB。

（4）在系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)試選點(diǎn)時(shí)，既要考慮遙測(cè)站的代表性，又要盡量把站點(diǎn)設(shè)在交通方便、有人看管的地方。經(jīng)信道測(cè)試選定的站點(diǎn)位置，施工時(shí)不能隨意改動(dòng)，以免影響通信質(zhì)量。

2.3 無(wú)線電通信頻率的選擇

（1）系統(tǒng)采用超短波通信，使用國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)批準(zhǔn)的用于防汛水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)專用通信頻率230 MHz。

（2）系統(tǒng)具有通話功能。通信電臺(tái)除用于數(shù)據(jù)傳輸外，還保留無(wú)線話路功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸是單向的，即從測(cè)站到中繼站再到中心站，而話路必須為雙向、異頻單工方式。遙測(cè)站、中心站配置異頻單工車載電臺(tái)，中繼站配置雙工電臺(tái)。

（3）系統(tǒng)采用一對(duì)頻率點(diǎn)，具體頻率點(diǎn)需無(wú)線電管理委員會(huì)審批，同意后方可正式使用。

3 設(shè)備的配置、主要功能

3.1 中心站

中心站是全系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著整個(gè)系統(tǒng)水文數(shù)據(jù)收集、處理、存貯、顯示和打印各類水情報(bào)告等任務(wù)，因此中心站設(shè)備的可靠性十分重要。計(jì)算機(jī)可以配置成單機(jī)運(yùn)行或雙機(jī)運(yùn)行等網(wǎng)方式運(yùn)行，也可以在網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī)/服務(wù)器方式下運(yùn)行。中心站一般采用前臺(tái)機(jī)與后臺(tái)機(jī)等網(wǎng)方式運(yùn)行，兩者互為備份，以提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)采用雙機(jī)運(yùn)行。設(shè)備配置為：T2010通信電臺(tái)，YSK-1型中心控制儀，SD1731W2直流電源，C1KVA在線式UPS，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、穩(wěn)壓器，天線、饋線、同軸避雷器，如圖2所示。

圖2 中心站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

中心站的主要功能是：

（1）能夠接收有線和無(wú)線方式傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)及合理判斷，確保數(shù)據(jù)的正確性和完整性。

（2）數(shù)據(jù)顯示功能可以將當(dāng)前和歷史的水情、雨情及系統(tǒng)的站點(diǎn)信息、狀態(tài)信息等以表格、圖形（各種曲線）、地圖分布等方式顯示在屏幕上，并可進(jìn)行切換。

（3）數(shù)據(jù)打印預(yù)覽及打印功能。

（4）數(shù)據(jù)管理功能，可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行查詢、修改、增刪，并負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)共享時(shí)的安全。

（5）站點(diǎn)設(shè)置及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以動(dòng)態(tài)設(shè)置站點(diǎn)的信息，如站名、站號(hào)、位置、類型、雨量參數(shù)、水位參數(shù)等，也可以動(dòng)態(tài)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，如遙測(cè)端口地址、端口是否開(kāi)啟、是否上網(wǎng)運(yùn)行等。

（6）洪水預(yù)報(bào)模型，可以根據(jù)不同的預(yù)報(bào)模型，輸出定時(shí)預(yù)報(bào)的圖形、表格及預(yù)報(bào)調(diào)度的圖形與表格。

（7）具有故障告警、越限告警功能。

3.2 遙測(cè)站

遙測(cè)站是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的基本單元，能按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，及時(shí)準(zhǔn)確地自動(dòng)采集、編碼和處理水文參數(shù)，并發(fā)送到數(shù)據(jù)收集中心，再發(fā)送至中繼站。設(shè)備配置選型為：DY1090A遙測(cè)雨量傳感器，WFH-2型細(xì)井式水位計(jì)，YS3360型遙測(cè)終端機(jī)，T2010電臺(tái)，天線、饋線、同軸避雷器，太陽(yáng)能電源、蓄電池，如圖3所示。

圖3 遙測(cè)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 中繼站

根據(jù)系統(tǒng)組網(wǎng)的要求，需設(shè)定白楊尖中繼站，庫(kù)區(qū)的4個(gè)遙測(cè)站都需要經(jīng)過(guò)中繼轉(zhuǎn)接才能與中心站溝通。

中繼站可分為模擬中繼和再生中繼，模擬中繼設(shè)備配置簡(jiǎn)單，可以轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)信號(hào)和話音信號(hào)，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生噪聲積累，抗干擾能力差。

系統(tǒng)中繼站采用再生數(shù)據(jù)中繼方式，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)糾檢錯(cuò)處理后再生重發(fā)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)在需要通話時(shí)，還可以使中繼站從再生中繼方式轉(zhuǎn)換到模擬中繼方式。

設(shè)備的配置選型為：LM230D全雙工電臺(tái)，ZSZJ-1型中繼儀，饋線、天線、同軸避雷器，太陽(yáng)能電池板、蓄電池。

4 影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的主要因素

4.1 供電問(wèn)題

中心站要備有不間斷的直流穩(wěn)壓電源，在交流電失電的情況下，保證中心站系統(tǒng)設(shè)備能夠繼續(xù)正常運(yùn)行。

各個(gè)遙測(cè)站建在偏遠(yuǎn)山區(qū)，一般都無(wú)法保證交流電的供電時(shí)間和電壓質(zhì)量，較可行的是采用太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充的供電方式。自報(bào)式遙測(cè)雨量站只發(fā)送雨量信號(hào)，功耗很低，可采用12 W的太陽(yáng)能電池板和1只12V38AH的免維護(hù)蓄電池組成浮充供電裝置。因?yàn)橥ㄐ沤邮諜C(jī)一直處于開(kāi)機(jī)值守狀態(tài)，3個(gè)遙測(cè)雨量站和1個(gè)進(jìn)庫(kù)水位雨量站的信號(hào)都需要經(jīng)過(guò)其中轉(zhuǎn)，使中繼站功耗較大，可采用90 W的太陽(yáng)能電池板和2只12V100AH的免維護(hù)蓄電池供電。

山區(qū)日照時(shí)間一般比平原地區(qū)少，所以平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)巡查，及時(shí)清理太陽(yáng)能板上的灰塵和污物，保持太陽(yáng)能板的清潔，對(duì)于遮擋采光的樹(shù)木要及時(shí)清理，以便收集光源，保證有足夠的充電電壓和時(shí)間。免維護(hù)蓄電池的使用年限一般是3～4年，在到達(dá)使用年限時(shí)要及時(shí)更換，以保證各測(cè)站設(shè)備的正常運(yùn)行。

4.2 防雷問(wèn)題

雷擊的主要途徑是天線系統(tǒng)、電力線路和信號(hào)傳輸線，可采用以下措施減少雷擊的損害：

（1）在天線、饋線系統(tǒng)安裝同軸避雷器，要可靠接地，雷擊時(shí)向大地泄放通信采樣線路頻率帶寬以外的其它信號(hào)電流，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

（2）在中心站的UPS前，安裝電源避雷器和電源隔離變壓器，旁路從交流電網(wǎng)感應(yīng)來(lái)的雷擊信號(hào)和干擾信號(hào)。

（3）在雨量信號(hào)線和水位信號(hào)線的輸入端分別加入瞬時(shí)電壓吸收器件和光電隔離，吸收外來(lái)干擾。

（4）新建站房時(shí)應(yīng)鋪設(shè)環(huán)形均衡接地網(wǎng)，接地電阻要求小于10 Ω，對(duì)不能鋪設(shè)環(huán)形均衡接地網(wǎng)的，接地電阻要求小于5 Ω，每?jī)赡陸?yīng)檢測(cè)1次接地電阻。

（5）在鋪設(shè)接地網(wǎng)時(shí)，盡可能選在土質(zhì)松軟的地方，接地體周圍的土壤應(yīng)夯實(shí)，使之密切結(jié)合，溝內(nèi)不可填入砂石磚頭等雜物。為了增加其導(dǎo)電性，也可在接地樁和偏鐵周圍鋪入木炭和食鹽。

（6）各站均應(yīng)安裝避雷針，天線、雨量計(jì)、太陽(yáng)能電池板、站房應(yīng)在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。避雷針要可靠接地，地網(wǎng)垂直導(dǎo)體之間的距離要大于垂直導(dǎo)體的長(zhǎng)度（深度），否則接地網(wǎng)無(wú)效。

系統(tǒng)從2001年投入運(yùn)行至今，經(jīng)歷多次強(qiáng)雷電、臺(tái)風(fēng)的襲擊，除中心站電腦曾受到雷擊損壞外，其余設(shè)備都運(yùn)行穩(wěn)定，遙測(cè)站不使用交流電至今沒(méi)有受到雷擊，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。引起電腦損壞的主要原因是交流線路受到雷擊，有強(qiáng)電流瞬時(shí)流入。因此，為了防止設(shè)備受到雷擊而損壞，可以在雷電來(lái)臨時(shí)關(guān)閉交流電源，啟用備用直流電源，以保證設(shè)備安全正常的運(yùn)行。

4.3 信道問(wèn)題

（1）經(jīng)信道測(cè)試選定的站點(diǎn)位置，施工時(shí)不能隨意改動(dòng)，以免影響通信質(zhì)量。

（2）安裝調(diào)試完畢后，在天線架和天線的同一位置做上記號(hào)，在天線偏離信道而需維護(hù)時(shí)方便尋找原有信道。

（3）天線進(jìn)水會(huì)造成短路，引起信號(hào)不好，檢查時(shí)應(yīng)拆開(kāi)各個(gè)連接處。而整根天線進(jìn)水時(shí)，可在天線最低處將外皮剪一小口排空水分。天線在安裝時(shí)各個(gè)連接處一定要牢固，不得有松動(dòng)，并要做好防水措施。

5 結(jié)語(yǔ)

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)自2001年安裝、調(diào)試、驗(yàn)收合格，至今已經(jīng)歷了多次臺(tái)風(fēng)暴雨的考驗(yàn)，系統(tǒng)一直穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，為水庫(kù)防洪調(diào)度、合 理利用水資源提供了安全有效的保障，并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。