貴州省萬壩水庫水情測報系統(tǒng)設(shè)計淺析

李茂斌

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

科學(xué)、合理的水庫水情測報系統(tǒng)設(shè)計，不僅能夠保證萬壩水庫的安全運行，而且可以有效地減小外界環(huán)境因素對水庫產(chǎn)生的影響，提高水資源的利用率，先進(jìn)的水情測報系統(tǒng)對萬壩水庫的管理及運行至關(guān)重要。鑒于此，本文圍繞萬壩水庫水情測報系統(tǒng)設(shè)計展開分析。

1 工程概況

萬壩水庫位于貴州省德江縣沙溪鄉(xiāng)舒家村黃泥溪，河流黃泥溪河屬于長江流域烏江水系馬蹄河二級支流，一級支流為塘壩河。水庫正常蓄水位為1173 m，死水位為1163 m，興利庫容為77萬m3，總庫容為112.8萬m3，為多年調(diào)節(jié)水庫，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬?。?）型。水庫由主庫和副庫通過連通隧洞連接而成，主庫河流為小溝河，副庫河流為黃泥溪河，黃泥溪河發(fā)源于舒家村黃泥溪，河源高程為1368 m，于黃泥溪匯合小溝河后進(jìn)入伏流。黃泥溪河全流域集水面積為1.49 km2，主河道長2.18 km，河道平均比降為67.6‰。小溝河發(fā)源于舒家村觀音山，河源高程為1400 m，于黃泥溪匯合黃泥溪河后進(jìn)入伏流。小溝河全流域集水面積為1.16 km2，主河道長1.97 km，河道平均比降為85.6‰。

2 水情測報設(shè)計依據(jù)及原則

2.1 設(shè)計依據(jù)及參數(shù)計算

水庫以上流域無水文測站，鄰近流域有沙壩水文站、德江氣象站、煎茶雨量站。根據(jù)各測站，可以有效分析萬壩水庫洪水及徑流情況，對萬壩水庫施工及運行作出一定的洪水預(yù)測及供水分析。

（1）設(shè)計采用以下規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)，《水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程》（SL 619-2013）、《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計規(guī)范》（SL 285-2018）、《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5207-2005）。

（2）壩線區(qū)水文、氣象資料統(tǒng)計表，見表1。

表1 壩線區(qū)水文、氣象資料統(tǒng)計表

（3）副庫下泄洪水計算，根據(jù)工程布置，隧洞泄洪采用淹沒出流方式計算泄流曲線。

式中：Q為隧洞下泄流量；μc為隧洞流量系數(shù)；λ為沿程水頭損失系數(shù)；L為隧洞長度，取300m；d為隧洞直徑，取3m；C為謝才系數(shù)；n為隧洞糙率；取0.016；R為水力半徑；H0為上下游水位差。

萬壩水庫副壩水位～泄流曲線計算結(jié)果見表2。

表2 萬壩水庫副壩水位～泄流曲線計算成果表

2.2 布置原則

水情測報系統(tǒng)的測報范圍是壩址以上流域。站網(wǎng)的布置原則，能夠綜合反映出雨情與水情的變化情況；在滿足水情測報系統(tǒng)要求的前基礎(chǔ)上，減少遙測站數(shù)量；便于通信組網(wǎng)；避開危險等不利因素，利于建設(shè)、運行和管理；考慮對外傳輸。

3 水情測報系統(tǒng)設(shè)計

3.1 站網(wǎng)布設(shè)

萬壩水庫壩址以上流域集水面積1.82 km2，屬于小流域水庫。結(jié)合《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL 34-2013）中的相關(guān)指導(dǎo)原則科學(xué)布置站點。初步在水庫布設(shè)分中心站一個，主壩上水位雨量遙測站一個，壩后水位遙測站一個，副庫壩上水位遙測站，溢流堰視頻采集傳輸系統(tǒng)一套。通訊系統(tǒng)運用GSM，手機(jī)短信和超短波通訊作為備用，水情分中心站應(yīng)和縣水情中心站和省防汛指揮系統(tǒng)保持良好連接[1]。

3.2 遙測站設(shè)計

3.2.1 遙測站功能分析

水文遙測站是一種低功耗、可靠性較高的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集傳送裝置，能夠自動實時、定時地采集水位、雨量等水文參數(shù)和終端電源電壓狀態(tài)，并向中心站準(zhǔn)確發(fā)送出各項數(shù)據(jù)和終端工作狀態(tài)信息。遙測終端(RTU)是水文遙測站的核心，具備完善的工作狀態(tài)指示功能，上電自動初始化、自測試功能，以及一定范圍的軟件與硬件故障自保護(hù)功能[2]。

遙測終端提供人/機(jī)操作界面，支持操作人員在現(xiàn)場有序完成數(shù)據(jù)檢測、參數(shù)設(shè)置、附屬設(shè)備(電源、傳感器等)測試、RTU自診斷、人工觀測數(shù)據(jù)設(shè)置、通訊設(shè)備控發(fā)等工作。結(jié)合貴州省防汛指揮系統(tǒng)的結(jié)合要求，要求遙測終端協(xié)議能兼容或支持《貴州省防辦水情測報短信模式通訊協(xié)議》(GZ-ABfb3-1)。

3.2.2 通訊方式選擇

根據(jù)萬物互連，物連網(wǎng)及智慧城市的發(fā)展，打造智慧水務(wù)平臺為水庫的運行提供實時數(shù)據(jù)，建立水庫合理調(diào)度原則。結(jié)合本水情測報系統(tǒng)的規(guī)模及系統(tǒng)的先進(jìn)行、可靠性和控制經(jīng)濟(jì)成本等方面的因素，系統(tǒng)選用GSM移動通信的組網(wǎng)方式，不設(shè)備用信道。遙測站設(shè)備配置見表3。

表3 遙測站設(shè)備配置表

3.2.3 遙測終端設(shè)計

遙測終端是數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，在自動測報系統(tǒng)中起著重要作用，是連接前端傳感器和后端監(jiān)測分析軟件的數(shù)據(jù)通道，為整個系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（1）結(jié)合設(shè)定的時間表和要求，進(jìn)行參數(shù)的采集、存儲和發(fā)送（雨量發(fā)送累計值和時段值，水位發(fā)送實時值）。

（2）系統(tǒng)支持現(xiàn)場或遠(yuǎn)程設(shè)置功能，動態(tài)修改工作模式，包括其它工作參數(shù)、站址設(shè)定、發(fā)送前導(dǎo)時間設(shè)定、定時報時間、平安報間隔時間、動態(tài)修改數(shù)據(jù)傳輸體制和數(shù)據(jù)報送頻次等等。

（3）具備良好的非易失存儲器，能夠存儲2萬條以上的水位或雨量數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)本地下載。

（4）系統(tǒng)能夠外接增量式雨量傳感器、水位傳感器，運用GPRS、GSM等多種方式完成發(fā)送和接收，支持多中心發(fā)送和主備信道自動切換。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為更好地實現(xiàn)實時管理，實時監(jiān)控取水口、庫區(qū)、溢洪道，有必要建立視頻監(jiān)視系統(tǒng)，增強(qiáng)水庫及壩區(qū)的安全防范水平。科學(xué)的視頻監(jiān)控可對各個重要地點，各個部位的水庫設(shè)施，包括現(xiàn)場人員活動情況進(jìn)行全面、實時監(jiān)控，進(jìn)一步提升水庫的管理水平[3]。

根據(jù)實際要求，萬壩水庫擬建4處實時視頻監(jiān)視點，分別監(jiān)視兩庫庫區(qū)、溢洪道、取水口。圖像監(jiān)視系統(tǒng)的前端設(shè)備為攝像機(jī)，攝像機(jī)選用新型球型機(jī)，可在受控條件下，實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，有效完成定點掃描，同時自帶夜視紅外，即使在近距離內(nèi)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)清晰夜間監(jiān)視，攝像機(jī)具備良好的調(diào)焦功能。加強(qiáng)解碼器設(shè)計，解碼器的主要功能是把由中心發(fā)出的控制命令有效還原，還原成為具體的控制信號，對云臺和鏡頭運動起到良好控制作用。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括：采用電子地圖和文本的方式，大力完善水雨情的監(jiān)視工作；針對相關(guān)流域與水庫，包括站點和雨水情數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)查詢；統(tǒng)計、生成雨水情統(tǒng)計報表和簡報；以柱狀圖、曲線等圖表方式繪制雨水情信息，并可進(jìn)行多站、多曲線的分析，實現(xiàn)綜合對比。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以水系圖作為背景，將測站中的各項數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反映于圖上，在圖上，操作人員能夠更為清晰的觀察各個站點運行情況，收集實時數(shù)據(jù)。一般來講，系統(tǒng)會每隔5 min刷一次數(shù)據(jù)，顯示的雨量表示當(dāng)天8點至現(xiàn)階段的降雨量累計數(shù)值，如果水庫出現(xiàn)溢洪現(xiàn)象，系統(tǒng)界面能夠自動顯示當(dāng)前溢洪流量[4]。

4 結(jié)語

水情測報系統(tǒng)應(yīng)能夠綜合反映出雨情與水情的變化情況，在滿足水情測報系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，減少遙測站數(shù)量，便于通信組網(wǎng)，避開危險等不利因素，利于建設(shè)、運行和管理，并考慮對外傳輸。通過對萬壩水庫水情測報系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計進(jìn)行分析，明確水情測報系統(tǒng)的測報范圍與站網(wǎng)布置原則、遙測站規(guī)劃設(shè)計要點、站網(wǎng)布設(shè)規(guī)劃設(shè)計要點等，可以保證萬壩水庫水情測報系統(tǒng)穩(wěn)定運行，有效提高水庫的安全性。