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(zhì)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(nèi)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?qū)λ畮焖坏臐q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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)設置

遙測站網(wǎng)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(nèi)。

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(wǎng)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(shù)據(jù)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(cè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(diào)制數(shù)據(jù)后進行解調(diào)，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(shù)據(jù)通過GPRS方式發(fā)送至上位機控制單元接收，另一路雨量數(shù)據(jù)通過遙測終端RTU轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。而中心站數(shù)據(jù)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(shù)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(wǎng)方式

根據(jù)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(wǎng)絡結構(星型網(wǎng)絡與帶狀網(wǎng)絡相結合)的組網(wǎng)方式。

3.系統(tǒng)設備選型

系統(tǒng)所選擇的前端水文數(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)存儲時段等。用戶可靈活設置系統(tǒng)內(nèi)的測站數(shù)量，有選擇性地接收中心站所需的遙測信息，設置測站參數(shù)(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(xiàn)。數(shù)據(jù)導入、導出功能可以備份、恢復數(shù)據(jù)。

用戶亦可根據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(wǎng)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(xiàn)場專項考核，對系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)精度、可靠性、數(shù)據(jù)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(xiàn)了個別問題: 中心站某一時段內(nèi)雨量遙測站發(fā)來的雨情數(shù)據(jù)報文解析出現(xiàn)錯誤，服務器端軟件無法及時接收解析后的數(shù)據(jù)并存至數(shù)據(jù)庫，經(jīng)技術人員排查故障并調(diào)整通信鏈路后，系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)。

經(jīng)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(shù)據(jù)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(jù)。

四、系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會效益

(一)經(jīng)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)度方面提供了全面、科學、準確及時的決策依據(jù)。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