水庫流域水文自動測報系統建設探討

[摘要] 水利信息化建設，就是充分利用現代科學技術，開發利用水利信息資源，對水利信息進行采集、傳輸、存儲、處理和利用，提高水利信息資源的應用水平，從而全面提高水利信息化工程建設和水事處理的效率和效能。 該文分析了泉州山美水庫水文自動測報系統的配置及運行情況，并提出進一步完善的建議。

[關鍵詞] 水文自動測報 通訊技術 信息化

1 概述

水文自動測報系統是一種采集雨量、水位等水情信息的實時系統。它應用計算機和網絡、無線通信、遙測、通信數字等現代信息技術，完成對江河流域降水量、水位等數據的自動實時采集、報送和處理。它能將某一區域內的水情信息在短時間內傳遞至決策機構，以便進行洪水預報和優化調度，進而減少洪水損失、提高洪水資源的利用率。

水文自動測報系統一般由中心站、中繼站（根據通信件設置）和遙測站組成。遙測站主要完成對水情參數傳感器數據的采集、存儲并通過超短波，或衛星、或有線電話、或無線電話等信道向中心站（或中繼站）傳送數據，一般安裝在野外，由遙測終端機、天線、饋線、避雷器、無線電發射機（電臺或衛星終端）、太陽能電源板、蓄電池、流量傳感器、水位傳感器、外筒等組成。遙測站可選裝人工置數儀和長期固態存儲器。遙測站采用定時和增量自報方式向中心發送數據。水文自動測報系統的中心站用來接收遙測站（或經中繼站轉發）傳送來的數據，并可對數據進行存儲、處理、顯示和分析，通過數據庫和應用軟件實現防汛調度需求，一般設在防汛調度中心。中心站由接收天線、饋線、避雷器、無線接收機（電臺）、解碼器、工業控制計算機（或PC）組成。

泉州市山美水庫是福建省水利廳管轄庫容最大的大（２）型水庫，是一座集防洪、供水、灌溉、發電等綜合利用的大型水利樞紐工程。30多年來，山美水庫為泉州經濟社會的發展做出重要貢獻，被譽為“泉州人民的生命庫”和“泉州的生態調節器”。一方面，水庫調度在枯水期每天向下游供水200～400萬m³，保證400萬人口生活生產和65萬畝農田灌溉的用水需求，為保障泉州經濟社會的可持續發展提供水資源支撐；另一方面，水庫承擔防洪調度重要任務，調洪庫容2.24億m³，汛期蓄水削峰錯峰，保護下游200多萬人的生命財產安全。山美水庫水文自動測報系統的建立，很大程度提高了水庫管理技術水平。管理部門可以及時獲得上游流域降水量數據，實時掌握水位變化信息，為充分利用雨洪資源和水庫防洪調度提供科學依據，減少下游洪澇災害。

2 水情自動測報系統通信網

水情自動測報常采用超短波組網、短波組網、衛星組網、PSTN組網、GSM組網或上述方式混合組網等多種方式。

本系統采用超短波和GSM混合組網的方案。在一級中繼能滿足要求的情況下優先采用超短波無線信道組網。在GSM能覆蓋的山美水庫中心站區域采用GSM作為備份信道。

2.1 水情自動測報系統超短波通信網

超短波通信是水情自動測報系統應用最廣泛、最成功的一種遙測通信方式。它的傳輸質量介于短波和微波通訊之間，既克服了微波通信的地域局限性，質量又比短波通信穩定、可靠。本系統選用了230MHz頻段（國家無線電管理委員會為防汛批復專用）頻率之一。

2.2 山美水庫中心站備用信道GSM短信息網

GSM短信息通信組網方式需要利用電信部門的GSM移動通信網，電信部門的GSM移動通信網覆蓋面已很廣，給水情自動測報系統建設的組網提供了一種新的方案。

水文站點一般都分布在偏遠地區，GSM不能完全覆蓋，存在盲區；GSM短信息通信屬于排隊通訊方式，短信息容易受信息擁擠而延時和丟失。因此，本水情測報系統只在山美水庫中心站采用GSM通道，將編碼的水情信息發送至預設的手機號碼，使相關責任人及領導及時掌握庫區信息。

2.3 水情信息采集方式

2.3.1 雨量采集方式。雨量采集采用翻斗式雨量觀測設備，精度為0.5mm，當雨量達到1mm時，自動向接收方發送數據。采集降雨強度可達4mm/最小，誤差≤±3%。工作時，降水進入環口控制面積，由集水器匯攏后，通過進水漏斗進入翻斗；當計量到一定水量時，翻斗翻轉，翻斗上的磁石吸合或釋放翻斗旁的干簧管，產生一個通斷信號，該信號進入終端機進行累加計算，以數字代碼形式發射。采用雙信號輸出方式。

2.3.2 水位采集方式。水位觀測設備優先采用水位測井和浮子式水位計。無水位測井的可因地適宜地采用壓力式、超聲波、激光等水位計。當水位升降1cm時，自動向接收方發送數據。

2.3.3 蒸發量采集方式。遙測蒸發站采用自動補水裝置和蒸發皿。自動補水裝置定時向蒸發皿加水，并將數據定時發送。

3 水情自動測報系統工作方式

水文測報系統選用自報式、應答式、混合式和自報通話式工作體制，幾種工作方式的工作過程及特點如下：

3.1 自報式。在遙測站設備控制下采用隨機自報和定時自報相結合。隨機自報：每當被測的水文參數發生一個規定的增減量變化時（如雨量增加1mm或水位漲落1cm，且與上次發送數據時間間隔大于規定的值，即自動向分中心發送一次數據）；定時自報：每隔一定時間間隔，不管參數有無變化，即采集和報送一次數據，分中心的數據接收設備始終處于值守狀態。

自報工作方式是在遙測站雨量、水位等參數發生一個計算單位的變化時實時將實測值傳送到中心站，其遙測站通信機可使用發射板。這種工作方式功耗低，便于蓄電池供電，結構簡單，可靠性高，實時性強，能很好地反映降雨和水位等變化的全過程，但中心站、中繼站與遙測站之間不可以通話，不便于現場安裝與維護。

3.2 應答式。由分中心自動定時巡測或隨機召測遙測站，遙測站響應分中心的查詢，實時采集水文數據并發送給中心。定時自動巡測的時間間隔，可根據數據處理和預報作業的需要，選擇固定時間段向中心站發送信息。

應答式遙測站自身能對水文、氣象等參數發生的變化自動采集和存儲，但不主動傳送給中心站。只有當中心站發出查詢命令時，才將當前水文或氣象參數傳送給中心站，因為要接收中心站的查詢命令，所以遙測站必須配置整機電臺，且遙測站接收機處于長期守候狀態，因此功耗大。但中心站的控制性能好，中心站、中繼站、遙測站之間可以相互通話。

3.3 混合式。由自報式和查詢—應答式兩種工作制式的遙測站組成的系統為混合式系統。

自報／應答兼容工作方式具有自報、應答兩種工作方式的特點，既能很好地反映降雨水位等變化的全過程，又能響應中心站的查詢，中心站、中繼站、遙測站之間可以相互通話。

3.4 自報通話式。它的工作過程與自報方式相同，但其遙測站通信機使用整機電臺，在需要時由測站主動與中心站、中繼站、遙測站之間互相通話。

4 遙測系統組成

遙測系統由中心站、中繼站和遙測站組成。

根據山美水庫的實際情況，本系統設置站點23個。其中中心站2個、水位雨量站3個、雨量站13個、水位站4個、蒸發站2個、中繼站2個。雨量站用于監測水庫流域內降雨情況。中繼站轉發信息至中心站。水位雨量站用于監測支流入庫水位和降雨情況。壩上水位主要采集的是庫水位。尾水水位站主要監測水庫向下游供水時尾水的水位變化。水面蒸發站主要監測水庫庫面的蒸發量，以便于更加準確的統計水庫進出水平衡。

通過上述的各個測點布設，全流域降雨情況、水位變化情況及庫區蒸發情況得到有效監測。

4.1 中心站組成

中心站由通信設備、調制解調控制設備、前后臺計算機、水情測報網絡版軟件、水情服務器、遠程通信GSM Modem等組成（見圖1）。主要用于信息的接收、預處理。能隨時接收系統內水情遙測站發送數據，并能檢錯、糾錯、分類、存儲建立數據庫和形成水文統計報表，同時具有檢索、查詢等功能。

4.2 中繼站組成

中繼站由中繼站終端設備（RTU）、天饋線、超短波無線電臺、無線調制解調器等組成（見圖2）。中繼站主要用于自動轉發各遙測站水文數據。接受中心指令，執行工作切換動作的應答，定時發送自檢信息。

4.3 遙測站組成

遙測站由遙測終端、傳感器、電臺、同軸避雷器、天饋線和電源等組成（以水位站結構為例），其結構如圖3所示。遙測站主要用于根據水文參數變化或設定的時間間隔要求，自動實時采集、存貯、累積和發報水文數據。具有定時自檢發送自身工作狀態信息的功能。

5 存在問題與解決措施

5.1 水文遙測站點一般都分布在偏遠地區，需多級中繼轉接，因而容易造成信號衰減出現漏報現象。因此必須加強對各個站點信號傳送的監測，及時采用人工干預，確保水文數據完整。盡量把中繼站設置少于三級，在汛期或特殊季節采用每30分鐘對采集數據檢測一次的方法及時啟動查詢應答來補充數據。

5.2 水情測報系統的無線電通信網中，對于任一分中心所接受的水情信息的載波頻率是相同的，各測報站發送數據的時間是隨機的，因此會產生網內同頻干擾(又稱碰撞) 。特別是在大暴雨的情況下，同頻干擾現象更加嚴重。

同頻干擾的概率與以下三個參量有關：①遙測站每次上報數據所占用信道的時間t，該參數與信息量大小及發報速率有關；②同一遙測站相鄰兩次發報最小時間間隔T，該參數與最大降雨強度有關，即為最大暴雨時，1mm降雨量所需的最短時間；③通過中繼站轉發的遙測站數N。

為了避免或減少碰撞次數，可以采取如下一些措施：①盡可能縮短發送數據的時間。②限制相鄰兩次數據發送的最小間隔時間。③大型的水情自動測報系統可以采取遙測站在不同頻率發送數據，中繼站雙機異頻接收，同頻發射。④合理設置同網內的遙測站點數量（20個以下可對干擾率忽略不計）。

5.3 水情測報系統是專用于汛期的一種信息采集裝置，它更多工作于雷雨交加的季節，各站的通信設備容易受雷電及雷電引起的地電位升高、地線系統干擾、地電位不平衡、同一工作高頻與低頻、強電與弱電之間電磁交錯等因素的影響而不能正常工作。為解決這一問題，可采用單一接地系統。建立以公共接地母線為基準的標準地電位（零電位點）點，全站用一個接地系統（阻抗一般小于1Ω）。

6 結語

水情自動測報系統在防汛調度方面所起的巨大作用日益受到重視，水庫水情自動測報系統建設正在全面開展。但由于受到水庫管理技術力量、遙測站點數量及布設、通信狀況等因素的影響，水庫水情自動測報系統難以充分發揮應有的作用。對此，必須進一步提高認識，加強人才培養，強化內部整合和系統的后續開發利用，加強水庫水情自動測報系統的建設與管理工作。