水情自動遙測系統(tǒng)在桃山水庫二期工程建設中的應用

王宇航，高廣峰

(桃山水庫管理處，黑龍江七臺河154600)

桃山水庫二期工程壩址位于倭肯河干流中上游七臺河市，是一座以防洪和城市供水為主，兼顧灌溉，養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程。承擔著工程本身安全和下游的防洪調度任務。基本上控制了倭肯河上游山區(qū)的洪水。通過該水庫調度，對七臺河市及下游防洪具有一定的削峰和錯峰作用。可保護在50 a一遇洪水情況下，七臺河市及下游16個村屯、1萬hm2農田、20余萬人口，及牡佳鐵路、鶴大公路的安全。水情自動遙測系統(tǒng)是二期工程建設的組成部分。

水情自動遙測系統(tǒng)是在計算機監(jiān)控下，利用有線、無線及其它通信設備進行聯(lián)機，對水雨情數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理，并由計算機進行水情預報、水庫調度實時作業(yè)等內容的高科技自動化系統(tǒng)工程。系統(tǒng)的建立是做好防汛、調度工作的重要措施，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。該系統(tǒng)的建設顯著地改善了流域的水情報汛、水文預報、防洪調度的手段，在防洪和興利工作中發(fā)揮了顯著的作用。

1 采集方式和組網(wǎng)方案

1.1 采集方式

①雨量采集方式:采用翻斗式雨量觀測設備，精度為1 mm，當雨量達到1 mm時，自動向中繼發(fā)送數(shù)據(jù)。采集降雨強度可達4 mm/min，誤差≤±3%。工作時，降水進入環(huán)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(shù)字代碼形式發(fā)射。采用雙信號輸出方式。②水位采集方式:水位觀測設備采用水位測井和浮子式水位計。當水位升降1 cm時，自動向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，為防止風流影響，采用5 min定時采集。③流量采集方式:根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》和《水工建筑物測流規(guī)范》的要求，對入庫和出庫站進行了流量測驗，采用流速面積法計算流量，人工置數(shù)方式傳輸，除出庫水文站采用駐測外，其余水文站均為巡測。

1.2 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)以桃山水庫管理處作為中心數(shù)據(jù)接收站，龍湖二礦辦公樓為中繼站，利用超短波無線信道將各遙測站采集的水雨情數(shù)據(jù)傳送到中心站。中心站收集到這些數(shù)據(jù)后，由后臺微機進行分析處理，顯示各站水、雨情信息，并負責數(shù)據(jù)資料的長期存儲，各種水情報表的繪制。

根據(jù)水文站網(wǎng)布設原則及庫區(qū)匯水范圍內地形及支流情況，以已有站點為主，建設20處水情自動遙測站點:系統(tǒng)中心站1處(桃山水庫管理處)，中繼站1處，入庫水文站2處(北興、新發(fā))，出庫水文站1處(壩下桃山)，庫水位站1處(壩上庫區(qū))，單雨量站16處(四新、靠山、石龍山、鐵山、金鄉(xiāng)、北興三隊、種畜場十隊、種畜場五隊、金沙經(jīng)營所、新青、勝利、向陽、北興22隊、北興27隊、北興24隊、北興17隊)。

2 系統(tǒng)功能特點

桃山水庫水情自動遙測系統(tǒng)是一個水情數(shù)據(jù)自動采集、傳輸及處理的實時測報系統(tǒng)，可以運行在網(wǎng)絡的不同工作站上。具體以下功能特點:①在暴雨、洪水等惡劣天氣條件下能可靠、穩(wěn)定地工作，設備的可靠性強。②設備符合結構簡單可靠、低功耗的原則，有防雷措施，中繼站、遙測站能在無人值守、無人看護的條件下工作。③遙測站能在環(huán)境溫度－10℃～45℃、相對濕度<95%條件下工作，能連續(xù)可靠地工作6個月以上，其通信暢通率應>95%，誤碼率<10－5。④遙測站能自動采集實時水情數(shù)據(jù)并自動定時將水情數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站，數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范要求.雨量計分辨率為1 mm，測雨強度為0.01～4 mm/s;水位計分辨率為1 cm。⑤遙測計算機對前置機中原始數(shù)據(jù)有隨時、定時采集的功能，對這些數(shù)據(jù)進行糾檢錯、分類存儲、檢索、修改、顯示、打印、超線報警，具有鍵盤輸入功能。可隨時提供設備工作狀態(tài)表。數(shù)據(jù)處理軟件查詢部分包括遙測站網(wǎng)分布圖，實時遙測數(shù)據(jù)的分布顯示，任意時段遙測數(shù)據(jù)圖表顯示等。當電網(wǎng)斷電時，遙測前置機能夠繼續(xù)工作7 d以上，可以存儲、打印原始數(shù)據(jù);計算機數(shù)據(jù)處理設備能連續(xù)工作8 h以上。⑥遙測數(shù)據(jù)處理軟件能夠定時、人工、隨機地主動(或被動)將整理后的時段數(shù)據(jù)送入后臺洪水調度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。整個系統(tǒng)的反應速度在20 min以內。⑦系統(tǒng)測站和中繼站電源采用單晶硅太陽能電池板，采用免維護蓄電池進行浮充充電。能夠滿足30 d陰雨天情況下，保證設備的正常運行。

3 水情遙測系統(tǒng)硬件配置及其功能和技術指標

桃山水庫水情自動撥測系統(tǒng)采用自報制式，其硬件配置由以下各類組成:

3.1 傳感器

系統(tǒng)觀測項目為雨量和水位，分別選用翻斗式雨量傳感器和浮子式水位傳感器。技術指標為:

3.1.1 雨量計

1)信號方式:雙信號轉換輸出。

2)承水口徑:200±0.6 mm，刃口角40°～50°。

3)分辨率:1 mm。

4)測量誤差:≤±1 mm的概率為95%(以自身排水量為準)。

5)雨量強度:0.01～4 mm/min，允許最大雨量8 mm/min。

6)貯存溫度:－10℃～50℃。

3.1.2 水位計

1)測量范圍:0～40 m，0～10 m。2)分辨率:1 cm。

3)測量誤差:±1 cm。

4)允許變率:<40 cm/min。

5)碼制:格雷碼。

6)工作溫度:－10℃～50℃。

3.2 自報式遙測儀

自報式遙測儀是水情自動測報系統(tǒng)中的最基本的單元設備，采用的是單向信息輸傳方式。由控制器、調制器、顯示器、發(fā)射機、天饋線系統(tǒng)、太陽能板與蓄電池組成。遙測儀在水情參數(shù)變化一個計量單位時，自動采集數(shù)據(jù)，編碼發(fā)送給中心。在水文參數(shù)無變化時，每間隔5～6 h左右自動向中心傳送數(shù)據(jù)，以示其工作狀態(tài)良好，遙測儀可同時接入翻斗式雨量傳感器、浮子式水位傳感器和人工置數(shù)盒(顯示器為外接時不能接入人工置數(shù)盒)，其發(fā)射功率分為大功率和中功率兩種，分別配備不同容量的蓄電池和太陽能板。

3.2.1 主要功能

①接入雨量傳感器和水位傳感器，當雨量每增加1 mm或水位上漲/下落1 cm時，向中心發(fā)送一次實時采集到的數(shù)據(jù)。(發(fā)送水位數(shù)據(jù)的時間間隔超過5 min)。②當無水文參數(shù)變化時，遙測儀間隔5～6 h自動地向中心發(fā)送一次數(shù)據(jù)。③按主板上“發(fā)射”鍵可重發(fā)上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)，按“清零”鍵，則清楚遙測儀內部所存貯的雨量、水位數(shù)據(jù)。④備有一串行輸入口，可轉發(fā)人工置數(shù)數(shù)據(jù)。⑤數(shù)據(jù)發(fā)送前載頻建立時間有八擋設置。⑥可任意設定遙測站的站號地址。⑦遙測儀具有強掉電功能，每次開機上電后約1 s鐘強迫掉電。

3.2.2 技術指標

①調制解調器;數(shù)據(jù)傳輸速率:300波特;調制方式:FSK制式副載頻頻率:采用 CCITT標準;傳號:980Hz;空號:1180Hz;②主機值守電流≤50 μA;整機功率≤100 μA×12 V;③收集水文參數(shù)的精度:雨量:1 mm，水位:1 cm;④通信指標:發(fā)射機功率在任何工作條件下不低于額定值80%;通信頻率:224.050 MHz，231.050 MHz;發(fā)射機功率:5W 20W;調制頻偏:3.5 KHz，最大5 KHz;發(fā)射機建立時間:≤30ms;輸入輸出阻抗:50Ω;⑤天線:天線阻抗:50Ω;駐波比:<1.2;⑥信號線:饋線:50Ω同軸電纜;雨量線:3芯帶屏蔽導線;水位線:16芯帶屏蔽導線;浮充電源線:2芯分色護套線;⑦蓄電池容量分別為6.5 Ah和13 Ah(大功率);⑧太陽能電池板功率為5 W和10 W(大功率);⑨設備可靠性:平均無故障時間:MTBF>5 000 h;⑩環(huán)境條件:溫度:－10℃～+50℃;相對濕度:≤90%。

3.3 自報式中繼機

自報式中繼機，設備簡單，功耗低，可靠性高，可以帶幾個或十幾個終端站。中繼站一般那架設在高山地區(qū)，維護不大方便，因此要求中繼機要有很高的可靠性。由于中繼機采用太陽能浮充供電，為避免連陰雨天造成的電源低落而影響系統(tǒng)的可靠性，所以在電路設計時采用低功耗設計。

3.3.1 主要功能

①以存儲再生方式實時轉發(fā)數(shù)據(jù)信號;②具有超時工作時的強迫掉電功能;③可以方便地由開關設定服務范圍、發(fā)射前導時間等;④能夠進行站址識別，對于不在服務范圍的信號不予轉發(fā);⑤具有雙機熱備份功能，能實現(xiàn)主備機自動切換;⑥定時采集電源電壓并發(fā)給中心，以便中心能及時了解中繼站的電源及工作情況;⑦可以接入雙簧雨量計兼做雨量站。

3.3.2 技術指標

調制方式:FSK;傳號:980Hz，空號:1180Hz;傳輸速率:300bit/s;整機值守功率:≤50mA×12V;發(fā)射機功率:5W;電源范圍:DC+12V(－15%～+10%)。

傳輸格式:采用4字節(jié)異步串行通信格式。窄帶濾波器:為避免信道干擾引起的中繼機誤上電，采用窄帶濾波器進行載波測試。中心頻率980Hz，帶寬30Hz。平均無故障工作時間:MTBF>5 000 h;工作環(huán)境:溫度:－10℃～+55℃;相對濕度:≤95%。

3.4 前置接收機

水情自動遙測系統(tǒng)自報遙測前置控制通信機(簡稱前置機)是水情自動測報系統(tǒng)的中心站的值守機，即是一個完整的通信控制機和預處理機。它由通信電臺、接口電路、調制解調器、天饋線、電源等部分共同組成。它具有實時接收、暫存和預處理測站原始數(shù)據(jù)、并把這些數(shù)據(jù)及時傳送給后臺微機的功能。前置機能長期連續(xù)工作，具有高可靠、低功耗、實用、易于維護的性能。

3.4.1 主要功能

①實時接收和暫存各遙測站、中繼站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和告警信號，并注時標。②能對收回的數(shù)據(jù)進行檢錯、糾錯處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、壓縮、規(guī)類、分別存入內存保存。能暫存各遙測站(全系統(tǒng)按50個站計算)兩天以上的原始數(shù)據(jù)。③前置機一般配有兩個接口，分別用于:A:RS－232串口與后臺微機進行雙向通信;B:采用標準并行口與打印機連接。④可利用撥盤進行接收范圍設置。⑤可配接打印機，實時打印原始數(shù)據(jù)及檢測各檢測站工作是否正常。也存貯打印前置機暫存的原始數(shù)據(jù)。⑥可利用按鍵隨時顯示、修改、校正時鐘時間。⑦可利用按鍵對存貯的原始數(shù)據(jù)進行清零。⑧前置機在系統(tǒng)中能起到減輕主機負擔、擴大主機選型范圍、便于系統(tǒng)的軟硬件的開發(fā)配置、增加組網(wǎng)靈活性和通信控制管理機的作用。在交流電源斷電的情況下，用大容量免維護蓄電池繼續(xù)工作。

3.4.2 技術指標

值守功耗:<70mA(不含電臺);傳輸速率:300bit/s;站號范圍:0～255;調制解調方式:FSK;音頻輸入電平:>100mv;誤碼率:pe≤10 －5(20db，S/N);工作電壓:DC12v。

通信設備技術指標:接收機靈敏度:<0.5μA(20db，S/N);天饋線阻抗:50Ω;工作環(huán)境:5℃～40℃;平均無故障工作時間:MTBF>10 000 h

4 水情遙測系統(tǒng)軟件及其功能

水情遙測系統(tǒng)軟件運行在中心站的后臺機Microsoft Windows98或NT上，以Microsoft SQL6.5 Server為后臺數(shù)據(jù)庫，該軟件使用串行端口，可隨時和定時到前置機中讀取各遙測站發(fā)來的水情數(shù)據(jù)，負責對數(shù)據(jù)資料的存儲、查詢、整理、各種人機界面的顯示和各種圖表的繪制及傳輸和打印，并自動向國家防總規(guī)定的網(wǎng)絡服務器SQL Server數(shù)據(jù)庫中存儲水情數(shù)據(jù)。軟件具有系統(tǒng)結構顯示功能，可以顯示系統(tǒng)結構的概況，同時，軟件還提供系統(tǒng)設置功能，使用戶在合法的權限內能對遙測站點的名稱、站號、對應的遙測參數(shù)(雨量、水位等)進行設置和更改。同時對每個遙測站點圖形方式的數(shù)據(jù)顯示位置進行設置，以方便系統(tǒng)的使用和擴充。遙測系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結構統(tǒng)一使用國家防總《水情自動遙測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡環(huán)境及其數(shù)據(jù)表格式》中規(guī)定的結構，可以方便地實現(xiàn)與洪水預報軟件連接。

軟件系統(tǒng)具有下列功能:①實時接收以聯(lián)機方式進入中心站的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過檢糾錯、加注時標后形成暫存文件。②數(shù)據(jù)處理。由中心站的計算機系統(tǒng)(中心計算機)完成。主要是對接收到的原始數(shù)據(jù)進行分解、檢錯、換碼、分類、超限判別等一系列處理后，寫入數(shù)據(jù)庫。③信息查詢。管理人員和水情人員可以使用這一功能模塊以交互方式查看所存水、雨情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行狀況、測站和系統(tǒng)的特征參數(shù)等，進行數(shù)據(jù)查詢、檢索、水情圖表顯示、繪制和打印。④進行時段徑流量測算。各類水文參數(shù)月、年平均值、最大、最小值等特征數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算。⑤編制水文圖表。按照預定的項目和圖表格式顯示和打印各類水文數(shù)據(jù)的日報表，測站分布圖，指定時段的雨量分布圖，各類水文參數(shù)的過程線圖等。⑥數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由水雨情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和測站特征參數(shù)、歷史水雨情特征數(shù)據(jù)3類數(shù)據(jù)文件組成。⑦和上級中心站、外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。向有關部門傳送水情信息。⑧軟件運行環(huán)境為Windows98和Visual Foxpro 5.0。

5 結語

桃山水庫水情遙測系統(tǒng)工程建成后收到明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)實時采集傳輸流域各站水位、雨量信息和通過人工置數(shù)的流量，為桃山水庫入庫洪水預報計算提供準確及時的雨水情數(shù)據(jù)，進一步提高水庫實時調度和優(yōu)化調度水平，提高水庫和城市防洪能力，對水庫、河道提前預泄，減少水庫下泄洪峰流量，減輕庫區(qū)和下游損失將起到重要作用，對于保證工程安全和減輕下游地區(qū)防洪壓力具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]黑龍江省水利水電勘測設計研究院.黑龍江省倭肯河桃山水庫二期工程初步設計報告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2006.

[2]大連理工大學，國家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫防洪預報調度方法及應用[M].北京:中國水利水電出版社，1996.