水情測報系統在大興水利樞紐工程中的運用

劉振界 寇立屹 陶孝謀 杜鵬程

1 流域概況

大興水利樞紐壩址位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣境內的大梁河上，在已廢棄的老河界營水電站壩址附近，地理坐標東經109°13′3″、北緯27°55′20″。自上游至下游共比選了“上壩址上壩線”、“上壩址下壩線”和“下壩址”3個方案。3處壩址（線）相距在800 m之內，上壩址上壩線距上壩址下壩線約400 m，上壩址下壩線距下壩址約400 m；3處壩址集水面積相差約1 km2。推薦的“上壩址下壩線”方案流域面積345 km2，主河道47.1 km，河道平均比降7.8‰，壩址處天然河道比降為5‰～6‰。

2 水雨情測報系統工作原理

水雨情自動監測系統的數據采集器和通訊器采用一體化設計，使得在運行中可以更穩定；采用模塊化的操作系統，更容易應用。可在標準溫度之上進行工作，支持遠程、鍵盤、串口3種配置方式，前置通訊機可實現自動參數配置、歷史信息查詢，遠程控制等功能。

3 水情測報系統在大興水利樞紐工程中的運用

3.1 水情自動測報系統建設

根據大興水利樞紐工程上游流域面積，共設置6個遙測站，1個中心站網絡（設置在項目管理營地監控室）。

3.1.1 遙測站建設

系統共建設6個遙測站。其中包括：4個遙測雨量站，分別為新寨、團寨、盤信、長坪；1個遙測水位站為大興樞紐壩下；1個遙測水文站大興樞紐壩上。建設內容包括遙測站設備采購、集成、安裝、調試。

遙測站由遙測傳感器（雨量計）、通信設備（GSM模塊）、水文遙測儀（數據采集控制器）、太陽能光板、蓄電池組等組成，結構圖如圖1所示。

圖1 遙測站結構示意圖

雨量采集為實時采集。當發生降雨，雨量傳感器產生觸發事件時，數據采集器實時記錄雨量累計值。

水位數據采集器控制水位傳感器按著一定的采樣周期采集水位變化，并進行處理和存貯。

實時采集，數據控制器控制水位傳感器間隔5 min采集水位變化，并進行處理和存貯，連續存儲時間大于1年。

各種數據測量精度見表1。

表1 遙測站精度表 mm

3.1.2 雨量站

閥值實時報數：當雨量增量大于設置的閥值ΔR時，數據采集控制器啟動報數。

增量記憶報數（雨量數據）：當雨量增量值大于零并且小于設置的閥值ΔR時，數據采集控制器暫時將數據記憶，當與上次雨量報數時間間隔4 min后，啟動報數。

定時報數：雨量遙測站每天以設定時間自動啟動報數。

3.1.3 水位站

閥值實時報數：當水位增量大于設置的閥值ΔH時，數據采集控制器啟動報數。

定時定點報數：水位定時報通過水位站序號和水位站的報數時間間隔進行排序后，以每天8：00為基準時間，達到自動報數定時時間間隔后自動啟動報數。這樣可以使水位遙測站發送數據的時間相互錯開，有效地解決了信道擁擠、數據碰撞現象的產生，同時也保證了水位數據的實時性。

3.2 中心站網絡建設

中心站網絡是一個高速以太網支持的局域網絡，采用TCP/IP協議，遵循IEEE802.3標準，傳輸介質為雙絞線，建設內容包括：計算機網絡設備購買安裝調試、網絡布線、網絡搭建、網絡配置管理，并負責與其它系統相連安裝調試。

中心站計算機網絡結構參見圖2。

圖2 中心站網絡拓撲結構示意圖

中心站計算機網絡設備配置清單詳見表2。

表2 中心站計算機網路設備清單

3.3 中心站軟件系統

中心站軟件系統設計選擇客戶機/服務器（C/S）體系結構。總體邏輯結構框架可分以為3個層次：人機交互層、系統應用層和系統支撐層。人機交互層是系統與值班人員和系統管理員進行交互會話；系統應用層完成所有功能模塊分析處理；系統支撐層主要是對各種水雨工情數據、模型、方法、知識、圖形、空間信息等進行數據管理。中心站軟件為工作人員提供統一的應用平臺，功能齊全，具有美觀、靈活人機交互界面。

3.3.1 數據采集處理

數據采集處理是所有子系統運行的基礎，主要功能包括：實時接收遙測站的雨情、水情、電源報警、設備故障等各種數據信息；自動檢查數據幀格式，對數據進行檢查、糾錯以及合理性判斷；經處理后將各種信息數據存入數據庫，供其它模塊功能調用。

3.3.2 系統報警

實時監視整個系統安全運行狀態，出現問題并可通過報警方式通知值班人員進行維護，監視功能由監視進程或監視界面完成，報警功能由報警服務端、報警客戶端、數值報警定義表、網絡報警定義表、報警事件記錄表、報警輸出定義表，報警類型定義表組成。監視進程或界面監視實時數據，如果實時數據超過報警定義表或配置文件中所設定的報警站點閥值，則報警服務端產生報警事件，并通知報警客戶端根據報警輸出定義表和報警類型定義表以屏幕顯示，或以語音、信息提示等方式輸出報警事件。它包括以下功能：遙測站運行狀態監視；計算機網絡設備狀態；分布式節點中關鍵進程及功能模塊工作狀態；流域雨水情信息監視；遙測站狀態報警；數值越限和恢復正常報警；網絡通道中斷和恢復正常報警；關鍵進程啟動和停止報警。

3.3.3 數據查詢與檢索

數據查詢與檢索為運行人員提供各類數據的查詢統計，表現為圖形、表格等方式，圖形具有放大縮小功能，并可輸出打印。具體功能包括：

（1）綜合水情分布圖，可查詢所有遙測站點水雨情信息、站點基本信息（站址、設備、通信方式、功能、看護人員資料等）、站點分布情況、運行狀態等。

（2）水位流量過程線，任意時段單站實測水位表、單站逐日平均水位表、任意起止時間內各時段水位過程線的顯示等。

（3）雨量柱狀圖，任意時段單站實測降水量表、單站逐日降雨量表、單站任意起止時間內各時段雨量的統計、多站任意起止時間內各時段雨量極值與平均值的統計、單站雨量直方圖顯示等。

（4）雨洪對應圖，任意時段單個測站或多個測站降雨量、流量、水位過程顯示，并可進行分析統計。

3.3.4 洪水預報與洪水調度

洪水預報功能主要包括：數據預處理、實時洪水預報、模型庫及參數管理、預報方案管理、場次洪水管理、參數率定等。并按照合同要求采用兩種預報模型，分別為：新安江模型、水箱模型。

根據預先設置的計劃，調度初始為6種調算方式，分別是：調度圖調度、出力調度、庫水位調度、出庫流量調度、時段電量調度、日均電量調度。用戶可選中的不同的調算方式，進行洪水調度。

3.3.5 數據庫管理

數據庫系統設計包括表結構設計、數據字典等，采用SL 323—2005《實時水情數據庫表結構及標識符標準》。

數據庫管理功能包括：

（1）數據錄入：對所有表進行數據修改、查詢、維護。

（2）數據導出導入：可將數據庫中數據導出到外部文件中或將外部文件中數據導入到水情數據庫中。

（3）數據庫操作日志：查詢、管理、統計所有對數據庫操作的記錄日志。

（4）實時歷史分隔時間設置：設置實時、歷史數據庫分隔時間點。

（5）數據庫備份恢復：自動或手動備份數據庫，方式分為全部備份或階段備份，可定義自動備份時間頻率。

3.3.6 信息發布

信息發布功能包括web發布和短信發布。

在客戶端無須任何專用軟件安裝的條件下，實現對本系統圖形、報表及文件信息的用戶瀏覽和數據庫管理維護。支持客戶端通過網絡以Web方式實現系統信息、水情信息的查詢和圖形、報表的瀏覽。提供多用戶的同時快速瀏覽。

使用短信發布功能，用戶可以按照需求以任意方式進行數據組合，以短信方式發送到PMC值班工作人員或帶班領導手機上，從而可以更好地做出科學的決策。

4 雨情測報系統在大興水利樞紐工程取得成效

2017年6月24日至6月26日連續暴雨，上游洪水，水位暴漲大壩兩次過水。2017年9月18日至9月19日暴雨，大壩過水。其他多次發生暴雨，但大壩未過水。

兩次暴雨造成大壩上游水位超出已澆筑混凝土高程，多次從大壩頂部過水，因雨情測報系統在大壩上游流域范圍內雨量站及水位站的信息提供，中心站的數據歸納、分析，提前預警，提前3～4 h預報了洪峰過流時間，給現場施工提供撤離的寶貴時間，避免了人員、財產損失，達到了洪水預報和防洪調度的目的，為大興水利樞紐的安全運行以及提高經濟效益發揮作用。