大唐華銀懷化巫水流域水情測報系統設計

易赤宇

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

1 概述

1.1 流域概況

巫水為沅水一級支流，發(fā)源于城步苗族自治縣巫山，由南向北，流經城步、綏寧、會同3個縣，在洪江市匯入沅水。河道全長244 km，河流坡降1.81‰，流域面積4 205 km2，約占沅水流域面積的4.7%。高椅水電站處于巫水中下游，上距白云電站153 km，下距洪江匯合口31 km，在高椅鎮(zhèn)上游600 m，地處北緯 26°57′，東經 110°01′。電站壩址以上流域面積為3 642 km2。流域呈南北狹長的條帶狀，地勢南高北低，兩岸森林茂密。

1.2 氣象概況

巫水流域處于亞熱帶氣候區(qū)，濕熱多雨，冬冷夏熱，夏季既受西風帶天氣系統的控制，也受副熱帶系統的影響,有時受兩種系統的共同作用。鋒面活動顯著，氣旋經過頻繁，暴雨主要集中于4～6月，雨量占全年雨量的43.2%。

2 系統整體設計

2.1 設計總目標

設計的總目標：以實用、可靠、經濟為基礎，建立一個先進的無人值守的雨水情在線自動監(jiān)測系統，實現對區(qū)域內雨水情實時測報、自動匯集、雨水情信息數據回溯、洪水預報之功能。

2.2 測報系統

2.2.1 主要技術指標

（1）響應速度

完成一次流域水情要素的收集、處理和預報作業(yè)的時間不宜超過20 min。

（2）測報系統的測報精度

1）水文要素采集精度，應達到表1規(guī)定。

表1 水文要素采集精度

2）水情預報主要方案的合格率應不小于70%，或確定性系數應大于0.70。

（3）系統的可靠性指標

遙測站和中心站單站設備的無故障工作時間（MTBF）應大于6 300 h；數據處理作業(yè)的完成率應大于95%；系統通過網絡向上傳送數據的暢通率宜達到99%以上；水情自動測報系統設備的可用度應大于90%。

2.2.2 站網布設

（1）水文 /水位站

巫水流域高椅上游已規(guī)劃布設綏寧、河口水文站監(jiān)測干流來水，不另布設。水文/水位站擬布設情況見表2（本次規(guī)劃暫不考慮高椅、長寨測站）。

表2 巫水流域水文/水位站布設表

（2）雨量站

巫水流域初步布設7個雨量站，各子流域區(qū)間的雨量站情況見表3。

表3 雨量站情況

巫水流域各子流域雨量站網密度適中，同時因距壩址越近，雨量分布對入庫過程的影響越大，因此站網密度越密。本次初步建議布點如表4。

表4 布點設置

2.3 中心站系統設計

2.3.1 功能要求

中心站的基本功能為自動處理遙測站傳入的水、雨情數據，并能從監(jiān)控系統中采集和自動處理壩前、壩后水位、電站雨量、機組負荷、閘門開度等資料，完成水務計算和水庫調度統計報表等；進行實時預報，并根據預報結果進行防洪調度；能進行中、長、短期發(fā)電計劃的制定，實時調度方案的生成，節(jié)水增發(fā)電量及棄水損失電量、水能利用提高率的計算等。

2.3.2 中心站網絡結構

中心站計算機網絡采用基于局域網的分布式多機系統，支持B/S結構和C/S結構。網絡采用100 M/1000 M自適應的快速以太網技術，網絡互連采用工業(yè)標準TCP/IP協議。

2.3.3 數據流程（圖1）

圖1 數據流程圖

2.3.4 軟件技術指標

（1）操作系統

數據庫服務器操作系統采用WINDOWS 2008 Server企業(yè)版（25用戶），服務器操作采用WINDOWS 2008 Server標準版（5用戶）；工作站WINDOWS 7專業(yè)版。

（2）數據庫

數據庫軟件：從本系統應用需求分析，本方案選擇采用Oracle 11G標準版數據庫軟件。

數據庫子系統結構分類：水情自動測報系統的各種信息可劃分為遙測站管理數據庫、遙測實時信息數據庫、水雨情信息數據庫、水情預報信息數據庫、水庫調度數據庫、參數及工程基本信息數據庫等6類。

（3）系統平臺軟件

系統平臺軟件主要實現水情水調相關數據的采集、接收、處理、存儲、監(jiān)視、報警、管理、維護、統計、分析、Web瀏覽服務、專業(yè)的水調圖形、報表等。

（4）高級應用軟件

1）水情預報軟件子系統

洪水預報：

①入庫洪水預報，預報要素包括洪峰、洪量和洪水過程；

②提供手動、自動預報兩種方式可供選擇；

③手動預報可自由設置預報時間；

④支持預報結果的表格數字修改和圖形拖動修改的人工干預功能；

⑤提供預報結果實時校正功能,支持人工報汛預報功能；

⑥提供重要斷面和入庫站預報結果的圖形、表格顯示和輸出功能。

2）水庫防洪調度軟件子系統

①可根據不同時期的要求對調度模式進行選擇；

②選擇相應調度模式和設置對應邊界條件進行洪水調度演算。

3 平臺軟件設計

3.1 數據采集與處理

3.1.1 數據采集

數據采集至少應具有以下功能：

（1）遙測數據采集；

（2）預留從EMS端口接收EMS系統發(fā)送的數據（機組運行數據、發(fā)電計劃）；

（3）具有遙測站運行狀態(tài)的監(jiān)視、報警功能；

（4）具有自動重連功能；

（5）具有IP地址限制功能；

（6）具有對遙測站進行遠程參數設置、召測、軟件更新等功能。

（7）預留其他對外通信接口。

3.1.2 數據處理

（1）數據處理功能

1）數據格式及工程單位轉換功能；

2）實時數據的處理及各種數據、信息的限值檢查及合理性校驗功能；

3）實時數據的計算及處理功能；

4）數據的顯示、報警、制表、打印；

5）允許有權限的人工數據、虛擬數據輸入，數據增刪，或數據導出、導入。

（2）數據處理要求

1）數據格式轉換及工程單位轉換不得降低原數據的精度；

2）限值檢查和合理性校驗。

（3）數據計算及處理

1）具備如下計算功能：四則運算、代數運算、三角運算、邏輯運算、邏輯判斷運算、函數運算、自定義函數運算、查表運算、任意組合的運算公式；

2）提供方便、友好的方法供用戶在線定義和修改計算；

3）計算的啟動方式：按預先定義的日期和時間、周期事件驅動、條件驅動、其他計算的結果、人工請求。

3.2 數據庫管理系統

數據庫管理由歷史數據庫管理和實時數據庫管理兩部分組成。兩種數據庫均采用統一的數據庫管理系統，建立統一的數據字典，支持冗余雙服務器的熱備用機制，并保證數據的一致性和完整性。

3.3 圖形子系統

（1）控制流域圖展示。

（2）流域遙測站數據展示（圖形含站點位置、名稱、信息等內容）。

（3）水電站工況展示圖。

（4）雨量棒圖展示（含單站、多站）。

（5）水位過程線圖形展示（含單站、多站）。

（6）綜合查詢圖形展示。

（7）預報過程線圖形展示。

（8）其他專業(yè)圖形和工作圖形的展示。

3.4 報表子系統

（1）具有水位、降雨計算等多種統計函數，可以通過查表獲得流量數據；

（2）利用報表編輯器可自由組合，制成滿足不同需要和固定格式的報表。

（3）各種運行信息、參數統計報表。

（4）雨水情信息的各種日報、月報、年報。

（5）計算處理信息的各種日報、月報、年報。

（6）預報結果的統計報表。

（7）各種越限、報警、異常匯總表。

（8）調度表、業(yè)務表，其他相關部門要求的報表。

3.5 數據查詢子系統

數據查詢子系統提供多頁查詢框，可按多種條件、多種方式方便查詢水調數據庫中的各種靜態(tài)資料數據、實時數據、歷史數據、告警記錄信息以及發(fā)電計劃數據、洪水預報結果等，并可以進行各種統計、比較、分析。

3.6 系統維護與管理

針對本系統的建設規(guī)模，本系統所提供的維護與管理工具必須包括：權限管理工具、分步式進程管理工具、系統備份與裝載工具

4 高級應用軟件設計

4.1 水文預報軟件設計

（1）洪水預報

洪水預報是指根據洪水形成原理及運動規(guī)律，利用前期和現時的水文、氣象等信息，對未來的洪水所作的預報，不考慮未來降雨情況下其預見期不超過流域匯流時間，通常為數小時至數天。

（2）預報分析

三水源新安江模型作為蓄滿產流的一種，可以在本次短期洪水預報中作為主選模型，進行預報方案配置。長江流域從1952年開始應用P～Pa～R三變數經驗相關圖進行預報，數十年洪水預報的實踐證明，應用效果較好，本次預報中可作為備選模型，供預報方案配置。

目前河道洪水演算中，最具代表性的水文學方法為馬斯京根法。因此本次洪水預報擬采用馬斯京根河道匯流模型進行河道匯流計算，將其與降雨徑流模型相結合進行整個流域的預報計算。

對預報結果誤差修正的方法很多，按修正內容劃分，可分為模型誤差修正、模型參數修正、模型輸入修正和綜合修正4類。

此外，本次采用ARCGIS軟件生成數字流域，進行流域分區(qū)、分單元、水系生成等，并提取流域河長、坡度等特征信息；面平均雨量將采用數字單元與泰森多邊形疊置分析獲得。綜上，預報洪水徑流預報擬應用的模型、方法見圖2。

圖2 短期徑流預報擬應用模型、方法圖

（3）預報方案

預報范圍內根據流域水系分布、測站以及電站的布設情況，將預報區(qū)域劃分為幾塊，每塊的出口即為預報斷面，塊內考慮降雨分布的不均勻，再劃分為若干個單元進行預報。本方案子流域內預報流程圖見圖3。

圖3 子流域內預報流程圖

4.2 水庫調度軟件設計

（1）防洪調度

洪水調度主要是制定洪水調度方案，在水庫的調洪計算中，上游出庫過程、入庫洪水過程線、水位庫容曲線、泄洪建筑物的型式尺寸及調度規(guī)則作為已知的基本資料，防洪調度方案制定的主要目的是推求下泄流量過程和庫水位過程，以及結合閘門的啟閉規(guī)則將下泄流量分配到各閘門，形成閘門開度的決策支持方案。

（2）發(fā)電調度

根據水庫運用原則結合水庫綜合利用要求，按當前的調度規(guī)則，在確保大壩安全的前提下，運用水庫的調蓄能力，尋求科學合理的運行策略，從而實現有計劃地對天然入庫流量進行蓄泄，達到充分利用水能資源，使水電站安全經濟運行的目的。

5 結論

懷化巫水流域水情測報系統的建設，結束了大唐華銀懷化分公司在巫水流域上雨水情在線自動監(jiān)測的空白，為大唐華銀懷化分公司爭取了最大的防洪效益和發(fā)電效益，也確保了小洪電站的施工安全。為實現巫水流域的全覆蓋，建議在小洪電站投產后繼續(xù)完善，建立集控系統，實現巫水流域梯級調度。

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[1] 孫增義,吳躍.水情自動測報技術基礎及其應用[M]. 北京：中國水利水電出版社,1999.

[2] 湯成友,官學文,張世明.現代中長期水文預報方法及其應用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 王光生,寧方貴.實用水文預報方法[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.