紅谷田水庫水情測報系統的設計研究

(1.保山學院信息學院，云南 保山 678000； 2.云南省施甸縣水務局，云南 保山 678200； 3.云南省施甸縣應急管理局，云南 保山 678200)

1 引 言

紅谷田水庫位于怒江右岸支流施甸河中游，坐標為東經99°12′38″，北緯24°49′2″。壩址以上控制面積50.5km2，流域平均海拔2063m。該水庫是一座具有農業灌溉和農村人畜飲水功能的綜合性水利樞紐工程，總庫容1190.3萬m3，壩高85.7m，水庫工程等別為Ⅲ等，水庫規模為中型。核心建筑物有大壩、溢洪道、輸水隧洞。其中，大壩壩型為黏土心墻堆石壩，壩高85.7m，大壩為2級建筑物，溢洪道、輸水隧洞等主要建筑物為3級。

該流域屬于中亞熱帶季風性氣候區，每年6—10月氣溫較高、雨量充沛、降水日數多，降水量約占全年降水量的72%。其中，6—8月約占全年的49.9%。洪水由暴雨形成，發生時間和暴雨對應，常常發生在7—9月，屬典型的山區性小河流，洪水歷時一般在24h以內。據史料記載：1973年、1976年、1983年該流域上游的小(1)型水庫曾發生過垮壩、下游官市河曾發生決口等險情。通過建立紅谷田水庫水情測報系統，不僅可以加強水資源利用決策的科學性和主動性，還可以提高水庫運行管理的應變能力和水資源配置水平。其不僅是水庫運行管理的重要措施，也是水文預報、防汛抗旱、最嚴格水資源管理的主要依據。

2 紅谷田水庫水情測報系統

2.1 系統任務

紅谷田水庫水情測報系統的主要任務是通過運用遙測、通信和計算機等先進技術，實現水文信息的自動傳輸、處理和預報，從而為該水庫的經濟、安全運行管理提供決策依據。通過水情測報系統的建設，相關人員能準確地掌握水庫流域的雨情，并根據預報信息提前知曉水庫的入庫水量，從而提前預泄水量，以保障水庫在運行過程中的安全性。同時，通過不斷積累水情資料，適時復核水庫水文成果，可為科學制定調度方案提供更可靠的水文資料。

2.2 系統功能

紅谷田水庫水情測報系統的設計基于現有已建水庫運行成果，并結合了紅谷田水庫的工程實際。系統的主要功能有實時采集、數據存儲、人工置數、數據傳輸與接收。同時，還可形成各類文件、報表等。此外，系統還具備報警功能。該功能可分為要素越限、電源欠壓以及設備事故的報警三種類型。系統的網絡設計綜合考慮了與國家、省防汛水調網的連接，網絡設計需具有可擴展性及先進性。水情測報系統軟件包含數據采集、通信接收、數據存儲、水情界面等功能模塊。該系統軟件運行在分中心站的水情采集工作站上，以 Microsoft SQL Server為后臺數據庫，能夠通過隨時或定時的方式來讀取遙測站傳輸過來的信息。該系統可對相關的數據進行存儲和整理，同時繪制出相關的圖表并具備打印和傳輸的功能。其基本特點如下：

a.遙測站無人值守，具備良好的防雷能力。即使在暴雨、洪水等較為嚴酷的條件下仍可持續穩定工作。

b.遙測站采用太陽能板及蓄電池進行供電，遙測設備具備超短波、GPRS等多種通信方式。

c.包含自檢的能力，能夠監測電源電壓。同時，遙測站能夠進行GPRS通信。

d.自動測報站可在溫度范圍為-15～ 50℃、相對濕度小于95%的條件下正常運行。同時，可以連續工作至少6個月。

2.3 水情測報系統站點布設及組成

根據《水文自動測報系統技術規范》(SL 61—2015)的要求與洪水預報、調度的需要來布設整個系統的遙測站點。水情遙測站包括水位站、雨量站及雨量水位站，系統架構見圖1。在流域現有的水文和報汛站網的基礎上，以滿足控制測區水、雨情變化和預報、調度的需要為目標來布設遙測站網。遙測站點的布置原則如下：

a.原有水文、水位、水庫站不變更其位置。

b. 雨量站的設置首先要符合通信的要求，其次所設置的位置在將來應能夠獲取到具有代表性的歷史降水資料。

c. 若所設置的兼具控制降水量長期變化規律功能的代表性雨量站所處位置的通信條件較為惡劣，可以就近重新建立一個站點。

d.對于無人值守的遙測站，應設置在交通便捷便于后期維護的位置。

e.根據《水位觀測標準》(GB/T 50138—2010)中的細則來確定測井與水庫上游、下游水位遙測站所處的位置。

圖1 水情測報系統架構

紅谷田水庫的上游區控制徑流面積為50.5km2，按徑流面積及空間分布、高程分布情況布設雨量站的原則，以及庫區降雨空間的分布情況來布設雨量遙測站。在流域范圍內設置2個遙測雨量站，收集流域的雨情。水庫樞紐區建遙測水位雨量站1個，自動測報庫水位及庫區雨情。在輸水隧洞出口明渠段建立出庫水位監測站，采用全量浮子水位計測量渠道過水水位。水位數據通過遙測采集終端采集后，經GPRS傳輸至分中心的數據采集管理系統。然后，經軟件處理，計算輸水隧洞的出流量。在供水管安裝電磁流量計，測報供水流量數據。本系統中，遙測雨量站、庫水位雨量站、輸水洞出流站及供水流量站均為遙測站，遙測站實時采集相關水情數據，實時發送所測量的數據。

2.4 系統的工作體制與通信系統結構

系統的工作方式一般可分為三種類型，分別是自報式、應答式和自報/應答兼容式。其中，自報式是測站自動采集并發送數據給中心，這種方式結構簡單，可靠性高、整體功耗低，但可能發生信號碰撞；應答式是中心召測、測站應答的工作方式，控制性較好，沒有信號碰撞的問題。但測站一直處于值守狀態，功耗較高；自報/應答兼容式具有兩種工作方式的功能，但功耗高的問題仍無法避免。

為提高系統可靠性和滿足防汛調度的需要，系統的數據傳輸和通信采用了自報式的工作體制。

在本系統中，遙測站的數據被集中傳送至水庫分中心站處理。

系統采用 GPRS作為主要水情遙測站的通信組網方案，在方便系統建設與統一傳輸水情數據的情況下，各水情遙測站通過移動公網與分中心站之間實現數據通信。GPRS移動通信的優點較多，其不但建設成本低，而且后期的運營維護較為便捷，通信距離可不受限制。

2.5 水庫分中心站

紅谷田水庫水情自動測報系統分中心站是本水情測報系統的核心，是連接、接收、處理和遠程控制水情測報系統內測量站點的系統中心。分中心站能實時接收各遙測站的數據(包括人工置數信息)，然后做出合理性檢查、打印并存貯原始數據；同時，還可將收集的數據進行歸類并生成數據文件，可對數據文件進行查詢、插補和修正。在數據處理的過程中，可以進行圖表化處理，并顯示、打印、繪制各種表格與圖形。分中心站的水情硬件設備主要包括接收、處理系統數據的測控中心前置機、工作站、服務器等設備，以及交流隔離穩壓電源、UPS 等供電保障設施。

分中心站計算機采用了B/S和C/S架構。水情采集工作站通過互聯網接收遙測站發來的數據, 然后傳送給水情服務器。該水情服務器只連接內部局域網，不準許對外與互聯網連接, 即內、外網物理隔離。網絡結構采用以太網，網絡互聯使用TCP/IP 協議。分中心站的計算機監測處理系統是一個開放式實時應用系統，其利用計算機虛擬前、后臺，從而完成所有數據的處理。

2.6 系統防雷措施

水情測報系統的數據處理終端設備、GPRS 通信終端、計算機監視設備、中心站機房、建筑物的設計均采取了防雷措施，且分中心站和遙測站的防雷措施均符合規范要求。總體上，水庫分中心站電源系統的防雷及過電壓保護采用三級防雷保護，各級的設置位置根據機房的配電情況進行了合理設置。同時，對遙測站的超短波通信設備等進行了信號防雷設置。

3 主要設備

3.1 雨量傳感器

本系統主要采用翻斗式雨量計作為遙測雨量站、遙測雨量水位站測量降雨的傳感器。翻斗式雨量計分辨率為0.5mm。

3.2 水位傳感器

本系統中選用全量式浮子式水位計測量水位數據。

3.3 超聲流量計

本系統采用TDS-100F超聲波流量計。

3.4 遙測站數據處理終端機

本系統遙測站使用 YDH-1 數傳遙測采集終端采集、處理和傳輸數據。

3.5 GPRS 移動通信終端

GPRS無線通信模塊能夠提供專用的網絡，以實現點對點、外圍設備間、外圍設備與中心節點之間的通信。

3.6 遙測站供電設備及交流電源避雷器

分中心站采用了不間斷電源(UPS)，容量為 3kW，供電時間為8h。遙測站采用太陽能蓄電池供電。交流電源避雷器采用國內穩定可靠的產品。

4 結 語

紅谷田水庫水情測報系統的建設，對方便相關人員實時掌握水庫流域的雨情起到了積極作用。通過預報可提前知曉水庫的入庫水量，從而提前預泄水量，以保證水庫的安全運行。此外，通過積累的水情資料，復核水庫水文成果，可為水庫制定科學調度方案提供更可靠的水文資料。系統的主要任務是：當預報發生超標準洪水時，實時向下游發出洪水預警，并監測上游水情。結合水情、暴雨預報情況，做好入庫洪水的監測。在洪水達到警戒水位，洪峰到達之前，該系統具備與省防汛部門的連接功能。省、市、縣防洪部門依據上報的應急預案和應急機制，可迅速向下游可能受影響的各鄉村發布信息，及時組織人員撤離，從而保障人民的生命財產安全。