革什扎河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)

余 俊 良, 梁 貴 占， 楊 軍

(1. 四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626302；2. 南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211100)

1 概 述

革什扎河位于甘孜州丹巴縣境內(nèi)，是大渡河上游右岸的一級(jí)支流，起源于金川縣境內(nèi)的赫樸倫溝，干流全長(zhǎng)94.4 km，全流域集水面積2 533 km2，平均坡降為31‰。

流域內(nèi)群山屹立，河谷深切，分水嶺高程一般在4 500 m左右，為典型的高山峽谷地貌，氣候的主要特點(diǎn)是：雨熱同季，降雨集中，干濕季分明；氣溫日較差大，年變幅小；日照、光輻射充足，干季多大風(fēng)。流域多年平均氣溫 14.3℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為39 ℃、-10.6 ℃；多年平均年降水量為593.8 mm，歷年一日最大降水量43.4 mm。革什扎河流域內(nèi)洪水主要由大雨形成，大雨出現(xiàn)的時(shí)間與洪水出現(xiàn)的時(shí)間前后大致相應(yīng)。革什扎河年最大洪峰流量發(fā)生在5～9月，其中6、7月份最多，占全年的73.3%，年最大洪峰最早出現(xiàn)在5月初，最晚出現(xiàn)在9月底，單、雙峰洪水出現(xiàn)的次數(shù)大致相當(dāng)，單峰型洪水略多。年最大洪水歷時(shí)10 d左右，最長(zhǎng)超過15 d，起漲約1～3 d。

經(jīng)四川省發(fā)改委批準(zhǔn)，革什扎河流域按“一庫(kù)四級(jí)”規(guī)劃水電站，規(guī)劃河段為丹東～河口段，全長(zhǎng)64 km，天然落差1 434 m，平均比降22.4‰。規(guī)劃電站從上至下分別為：兩河口電站(82 MW)、二瓦槽電站(90 MW)、大桑電站(52 MW)、吉牛電站(240 MW)，總裝機(jī)容量46.4萬(wàn)kW；現(xiàn)吉牛水電站已建成投產(chǎn)，上三級(jí)電站處于項(xiàng)目核準(zhǔn)階段。

2 測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的必要性

革什扎河流域內(nèi)除吉牛水電站減水河段的布科水文站(吉牛水電站發(fā)電后該站將喪失觀測(cè)功能)及邊耳雨量站外，基本無水情測(cè)報(bào)網(wǎng)站點(diǎn)；同時(shí)，流域內(nèi)高山深壑，人煙稀少，人工測(cè)報(bào)方式在通信可靠性、實(shí)時(shí)性等方面保障率低。因此，為滿足電站施工期和運(yùn)行期水情雨情信息預(yù)報(bào)要求，必須建立革什扎河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的組成

3.1 功能要求

革什扎河水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的主要功能為實(shí)現(xiàn)雨、水情數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)；完成短、中、長(zhǎng)期洪水預(yù)報(bào)作業(yè)；在惡劣天氣條件下，不中斷預(yù)報(bào)作業(yè)。

3.2 系統(tǒng)規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)全流域水情測(cè)報(bào)覆蓋，根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》并結(jié)合革什扎河梯級(jí)電站規(guī)劃，革什扎河水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)共規(guī)劃了1個(gè)中心站、16個(gè)遙測(cè)站(1個(gè)水文站、5個(gè)水位站、10個(gè)雨量站)。其中雨量站、水位站、水文站為遙測(cè)站，通過北斗衛(wèi)星通信和GSM通信主備信道方式將采集到的雨、水情信息傳輸給中心站；中心站位于吉牛水電站廠房，負(fù)責(zé)信息接收、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布等工作。

3.3 遙測(cè)站

3.3.1 組 成

遙測(cè)站由通訊、傳感、供電、收集等設(shè)備構(gòu)成。其中通信采用GPRS/GSM通信模塊與北斗衛(wèi)星雙信道；數(shù)據(jù)采集器為南瑞生產(chǎn)的ACS300-MM；水位計(jì)的設(shè)置在壩址處為浮子水位計(jì)、廠址處為壓阻式水位計(jì)；雨量收集采用翻斗式雨量計(jì)；供電設(shè)備為太陽(yáng)能板、充電模板及蓄電池。

遙測(cè)站組成情況見圖1。

圖1 遙測(cè)站組成示意圖

3.3.2 功 能

遙測(cè)站建成后經(jīng)過實(shí)踐，不僅發(fā)揮了自動(dòng)、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和傳送信息的作用，同時(shí)還具備了在環(huán)境溫度-30℃～45℃及相對(duì)濕度小于95%的條件下能正常工作、完成全部水情數(shù)據(jù)收集和處理報(bào)送作業(yè)的時(shí)間不超過10 min、太陽(yáng)能電池陰雨天連續(xù)45 d正常供電、超時(shí)發(fā)送時(shí)強(qiáng)制掉電、自檢和低壓報(bào)警與錯(cuò)誤指示等功能。

3.4 中心站

3.4.1 組 成

中心站由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。

(1)硬件系統(tǒng)。

集群服務(wù)器： 2臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(HP DL580 G7)； 1臺(tái)磁盤陣列(HP StorageWorks P2000 G3)。

通訊服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及Web數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器： 各1臺(tái)(HP DL388 G8)。

內(nèi)網(wǎng)工作站及外網(wǎng)工作站：內(nèi)網(wǎng)3臺(tái)、外網(wǎng)1臺(tái)(HP Pro 3330MT)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置：2臺(tái)內(nèi)外網(wǎng)交換機(jī)、正向物理隔離裝置和反向物理隔離裝置各1臺(tái)，路由器、防火墻各2臺(tái)。

系統(tǒng)支撐設(shè)施：不間斷電源(UPS)、KVM及機(jī)柜。

(2)軟件系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)是整個(gè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的核心，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分。

①操作系統(tǒng)軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用Windows 2008企業(yè)版操作系統(tǒng)，其它服務(wù)器采用Windows 2008 標(biāo)準(zhǔn)版操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQLServer2008標(biāo)準(zhǔn)版。

②應(yīng)用軟件主要采用南瑞水情水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)WDS9002，主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)視子系統(tǒng)、顯示打印子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)裝載備份子系統(tǒng)、圖形子系統(tǒng)、報(bào)表子系統(tǒng)、技術(shù)支持子系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)、擴(kuò)展子系統(tǒng)、WEB瀏覽子系統(tǒng)、正/反向隔離傳輸軟件、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、短信平臺(tái)軟件、水務(wù)計(jì)算軟件、短期水文預(yù)報(bào)軟件、中期水文預(yù)報(bào)軟件、長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)軟件等。

中心站組成情況見圖2。

圖2 中心站組成示意圖

3.4.2 功 能

革什扎河自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心站主要通過軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水情預(yù)報(bào)的功能，其中數(shù)據(jù)采集、處理及發(fā)布系統(tǒng)是核心，同時(shí)通過正反向隔離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用RTU采集平臺(tái)收集數(shù)據(jù)。RTU采集平臺(tái)可獨(dú)立運(yùn)行并通過單進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)(多個(gè)線程間可以實(shí)現(xiàn)故障隔離)控制不同的串行端口(通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))，支持多種通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要采用跨平臺(tái)的計(jì)算調(diào)度程序讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)擬定的配置策略進(jìn)行相應(yīng)的定時(shí)計(jì)算，生成相應(yīng)的調(diào)度日志，通過對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)段(含5分鐘、小時(shí)、日、旬、月、年)整編。在數(shù)據(jù)處理方面實(shí)現(xiàn)了能夠處理瞬間模擬量和累計(jì)模擬量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理后能計(jì)算并生成的小時(shí)數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、旬?dāng)?shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)及時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)；能對(duì)延時(shí)到達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)重算；對(duì)于連續(xù)性越限和上下限越限的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行時(shí)段計(jì)算時(shí)自動(dòng)數(shù)據(jù)篩選等多功能。

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)主要具有以下功能：數(shù)據(jù)定時(shí)上傳功能；數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)傳功能；數(shù)據(jù)手動(dòng)補(bǔ)傳功能；數(shù)據(jù)接收功能；支持冗余通信服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)后自動(dòng)重連機(jī)制；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性；運(yùn)行日志及報(bào)警功能。

正反向隔離中正向型單比特版用于安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ到安全區(qū)III的單向數(shù)據(jù)傳遞，反向型單比特板用于安全Ⅲ區(qū)到安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ的單向數(shù)據(jù)傳遞；正反向隔離程序保證了數(shù)據(jù)的完整性、實(shí)時(shí)性、正確性、安全性等相關(guān)功能，做到了數(shù)據(jù)具有隔離的功能，互不影響。

4 水情測(cè)報(bào)方案

革什扎河流域水情測(cè)報(bào)主要通過已建立的水文預(yù)報(bào)作業(yè)平臺(tái)，為短期水文預(yù)報(bào)和中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)提供作業(yè)手段。其基本功能是依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的實(shí)時(shí)水、雨情數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)方案，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)預(yù)報(bào)要素的制作和發(fā)布。

革什扎河流域水情測(cè)報(bào)主要分為短期水文預(yù)報(bào)和中、長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)。

4.1 短期水文預(yù)報(bào)

革什扎河短期水文預(yù)報(bào)主要包括降雨徑流預(yù)報(bào)和河道流量預(yù)報(bào)。主要提供1 h、3 h、6 h、12 h預(yù)見期的洪峰及水位、流量過程，并提供24 h、48 h、72 h的平均流量，3～7 d水情趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

短期水文預(yù)報(bào)根據(jù)流域水系分布、測(cè)站以及電站的布設(shè)情況，將預(yù)報(bào)區(qū)域劃分為幾塊，塊內(nèi)再考慮降雨分布的不均勻性劃分為若干單元預(yù)報(bào)。每個(gè)單元徑流模型做產(chǎn)流計(jì)算，應(yīng)用河道匯流模型做匯流計(jì)算，并根據(jù)歷史水文資料對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行論證修正。塊內(nèi)預(yù)報(bào)流程見圖3，日徑流預(yù)報(bào)流程見圖4。

4.2 中期水文預(yù)報(bào)

革什扎河流域中期水文預(yù)報(bào)項(xiàng)目包括2～3 d的水位流量預(yù)報(bào)，3～7 d水情趨勢(shì)預(yù)測(cè)，制作預(yù)報(bào)方案以及庫(kù)區(qū)壩址以上來水量的預(yù)測(cè)。考慮到日徑流預(yù)報(bào)要求結(jié)合天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行，故未來降雨對(duì)流域來水的大小起到至關(guān)重要的作用，因此，革什扎河日徑流預(yù)報(bào)擬采用能接入氣象降雨信息的概念性水文模型進(jìn)行，選用新安江日徑流預(yù)報(bào)模型與數(shù)字流域相結(jié)合進(jìn)行日徑流預(yù)報(bào)。

圖3 短期塊內(nèi)預(yù)報(bào)流程圖

圖4 日徑流預(yù)報(bào)流程示意圖

4.3 長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)

革什扎河流域長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)主要對(duì)未來的水情以月或旬為時(shí)段對(duì)重要斷面或水庫(kù)入庫(kù)來水過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，為長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃提供入庫(kù)來水依據(jù)。革什扎河長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)的技術(shù)途徑為水文學(xué)與氣象學(xué)、數(shù)學(xué)之間的結(jié)合，即采取系統(tǒng)分析法加氣象預(yù)報(bào)的方法。系統(tǒng)分析法主要以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、門限多元回歸及支持向量機(jī)等單一預(yù)報(bào)模型為基礎(chǔ)，再通過最優(yōu)組合確定模型權(quán)重，完成中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)并保證其精度。

5 結(jié) 語(yǔ)

革什扎河流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)已建成，并基于計(jì)算機(jī)控制具備了水情數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、采集、處理、傳輸?shù)臈l件；達(dá)到了及時(shí)為革什扎河梯級(jí)電站施工以及電廠運(yùn)行防汛、調(diào)度優(yōu)化提供準(zhǔn)確水情信息的功能；同時(shí)，也即將為革什扎河建設(shè)公司在工程施工，綜合、科學(xué)利用水資源，解決發(fā)電與防洪矛盾，實(shí)現(xiàn)全流域聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、增加綜合效益等方面的相關(guān)事項(xiàng)決策過程中提供重要依據(jù)。