荊州區(qū)沙港水庫水文自動測報系統(tǒng)集成設計與應用研究

□張 健 陳國瑞

一、水庫工程概況

沙港水庫位于荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)西北4.2km處，壩址在川店鎮(zhèn)三界村，攔截沙港溪流壩址以上來水面積12.78km2，總庫容1416萬m3。水庫工程建于上世紀七十年代初期，是一座擔負著防洪、城市供水、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務的中型水庫。

水庫樞紐工程由大壩、沖沙泄洪洞和灌溉輸水洞等建筑物組成。大壩為均質粘土壩，長1450m，壩頂高程78m，寬5m。大壩由東壩和西壩組成，上游邊坡1:3.25，為預制塊護坡，下游邊坡為1:2.5—1:2.75；內平臺寬15m，高程為61.59m。沙港水庫壩址以上集雨面積12.78km2，主河流長4.3km，壩址上游河床平均坡降為5.4‰，水庫正常水位69.5m，相應庫容775萬m3，總庫容超過1416萬m3。

水庫所處地區(qū)梅雨季節(jié)與汛期氣候對水庫水位的漲落影響較大。汛期時，該地區(qū)洪水主要由暴雨形成，暴雨持續(xù)時間一般為48h左右，流域內年降雨量約650mm。

一直以來，水庫壩體未設置滲流量觀測設施，水庫現防洪標準已達不到設計要求，存在防洪標準低、配套設施不完善、工程老化、年久失修等問題。水庫一直處于限制蓄水位和帶病運行狀態(tài)，水庫大壩欠高、邊坡滲漏等問題嚴重影響大壩安全。為全面提高水庫防汛現代化與信息化管理水平，科學利用水資源，確保水庫工程安全及減輕荊州市及下游太湖港的防洪壓力，最大限度地發(fā)揮水庫綜合效益，亟待建設一套快速及時、準確可靠、先進實用、高度自動化的水雨工情信息采集、監(jiān)測自動化系統(tǒng)，以實現對水庫安全運行狀態(tài)、水雨情、水庫環(huán)境等信息的實時監(jiān)控，為防洪排澇、水資源優(yōu)化配置提供決策支持，進一步提高水資源的管理水準。

二、水庫水文自動測報系統(tǒng)集成方案設計

(一)站網設置

遙測站網的布設是綜合考慮沙港水庫以上流域的自然地理特性、降雨洪水特點、洪水預報的要求，共布設中心站1處、水位站2處、遙測雨量站2處。

中心站：系統(tǒng)遙測中心機房設在荊州市荊州區(qū)沙港水庫工程管理局辦公樓內。

水位站：設置水位監(jiān)測站2處，分別位于距東壩0.1km、西壩0.2km處。

雨量站：設置遙測雨量站2處，分別位于水庫工程管理局和川店鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府樓頂處，平均每站控制面積6km2。

(二)系統(tǒng)總體架構設計與通信組網方式

1.系統(tǒng)總體架構設計

沙港水庫水文自動測報系統(tǒng)是由雨量、水位、傳輸、中心控制、存儲檢索、預報等模塊所構成的有機整體：系統(tǒng)總體架構分為前端數據采集單元、遙測終端RTU控制、無線傳輸、接收終端、上位機控制單元、中心站測報軟件等幾大部分。系統(tǒng)采用220V市電與太陽能供電相結合的方式最大限度地保障系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定與不間斷運行。

布設于東、西壩兩側的2個超聲波水位傳感器分別和與之對應的超短波電臺發(fā)射端相連，傳感器將實時采集的水位數據轉換為RS485信號后，通過超短波通訊方式發(fā)射出去，與之對應的接收端電臺在收到各自傳來的調制數據后進行解調，再通過雙絞線接入接收終端串口服務器其中2路RJ45串口輸入端中；布設于水庫工程管理局和川店鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府樓頂處的2處雨量監(jiān)測傳感器分別與不同的遙測終端RTU相連：其中一路雨量數據通過GPRS方式發(fā)送至上位機控制單元接收，另一路雨量數據通過遙測終端RTU轉換為RS485信號后接入接收終端串口服務器其中1路RJ45串口輸入端中。

該測報系統(tǒng)設計為自報式與召測式相結合的工作方式,所有測站都具有定時自報和增(減)量加報功能。當被測水文要素(雨量、水位)發(fā)生變化并達到規(guī)定的增(減)量時，測站自動向中心站報送實時水文數據。而中心站數據接收設備始終處于等待接收狀態(tài)，亦可人工干預隨時或自動定時召測各遙測站水文信息，雨量遙測站RTU的工作參數亦可由中心站測報軟件遠程修改。系統(tǒng)總體架構設計如圖1所示。

2.系統(tǒng)通信組網方式

根據本系統(tǒng)的總體設計目標，綜合考慮各種通信方式的優(yōu)劣，本系統(tǒng)采用雙信道通信的復合網絡結構(星型網絡與帶狀網絡相結合)的組網方式。

3.系統(tǒng)設備選型

系統(tǒng)所選擇的前端水文數據采集設備分別是南京水文自動化研究所研制的JDZ05-1型雨量計和YDZ-YL9型超聲波水位計，遙測終端選用唐山藍迪生產的RTU7000系列，超短波電臺選用日精ND250A型便攜式電臺，接收端服務器選用北京集智達科技生產的JZD-7016-8M機架型串口通訊服務器，上位機選用研華IPC-610MB-H工控機。上述設備均為目前國內最可靠、性能價格比最優(yōu)并符合國家相關認證及技術標準的合格產品。

(三)中心站測報軟件的功能

測報軟件采用模塊化設計，易于用戶使用和維護，站點的擴充和參數配置均可由用戶完成。用戶可設置軟件中的公共變量：系統(tǒng)名稱、工作目錄、流域圖、遙測信息接收的水位變幅范圍、數據存儲時段等。用戶可靈活設置系統(tǒng)內的測站數量，有選擇性地接收中心站所需的遙測信息，設置測站參數(站名、站號、站類、零點高程、報警水位等)，可定義測站每一個端口的采集信息類型。測站中的RTU能實時采集雨量信息，每一個端口上采集的信息可由“測站設置”功能來實現。數據導入、導出功能可以備份、恢復數據。

用戶亦可根據自己的要求使用軟件中的圖形繪制功能生成各種圖形，如過程線、棒圖、雨強圖、測站圖、文本、位圖、直線等20余種對象圖元，可自由組合。還可在多種圖形中(如流域圖、雨強圖、棒狀圖、過程線等)直接與實時數據庫相連，以便從圖上直觀監(jiān)視水位、雨量等測點的實時變化情況，軟件系統(tǒng)設置部分如圖2所示。

三、系統(tǒng)試運行及測試情況分析

(一)系統(tǒng)測試標準

系統(tǒng)建成后，對系統(tǒng)運行進行了前期測試，試運行以一個主汛期為限。期間主要檢驗了各測點功能、系統(tǒng)通訊暢通率以及完成運行管理工作條例的指定。測試的主要依據有《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》(SL61-2003)、《沙港水庫水文自動測報系統(tǒng)技術合同書》、《水文站網規(guī)劃技術導則》(SL34-92)、《水文情報預報規(guī)范》(SL250-2000)、《水利水電工程水情自動測報系統(tǒng)設計規(guī)定》(DL/T5051-1996)。

(二)系統(tǒng)測試情況分析

該系統(tǒng)自2010年6月投入試運行以來，按要求進行了日常值守和現場專項考核，對系統(tǒng)功能、數據精度、可靠性、數據暢通率、供電能力等諸多方面進行了嚴格考核。試運行期間，系統(tǒng)軟硬件部分運行基本正常，只是在運行中出現了個別問題: 中心站某一時段內雨量遙測站發(fā)來的雨情數據報文解析出現錯誤，服務器端軟件無法及時接收解析后的數據并存至數據庫，經技術人員排查故障并調整通信鏈路后，系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)。

經過兩年多的運行表明：該系統(tǒng)基本達到了技術合同要求，運行平穩(wěn)、可靠。各測站設備工作正常，水文數據能及時、精準地傳至中心站，水庫管理方能及時掌握水庫水雨情信息，為水資源管理與防洪決策提供科學依據。

四、系統(tǒng)運行所產生的經濟、社會效益

(一)經濟效益評價

沙港水庫工程防洪保護面積約5.08萬畝，對照湖北省已建防洪工程措施所占投資比例取分攤系數10%進行估算，多年平均減災效益可達1500萬元。

(二)社會效益分析

系統(tǒng)的建設增強了水雨情信息收集、傳遞與處理的時效性和準確性，提高了水情測報現代化水平與防洪能力，有效地減輕了發(fā)生洪水時因水情信息不準確、不及時而出現的嚴重威脅。及時、準確、可靠、完整的水情資料，為相關部門在防洪抗旱決策指揮與水資源的科學配置、調度方面提供了全面、科學、準確及時的決策依據。系統(tǒng)的應用還將大大減輕人工勞動強度、提高工作效率。系統(tǒng)建設前后對照情況見下表。

系統(tǒng)建成前后對照表