大唐華銀懷化巫水流域水情測報系統(tǒng)設(shè)計

易赤宇

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

1 概述

1.1 流域概況

巫水為沅水一級支流，發(fā)源于城步苗族自治縣巫山，由南向北，流經(jīng)城步、綏寧、會同3個縣，在洪江市匯入沅水。河道全長244 km，河流坡降1.81‰，流域面積4 205 km2，約占沅水流域面積的4.7%。高椅水電站處于巫水中下游，上距白云電站153 km，下距洪江匯合口31 km，在高椅鎮(zhèn)上游600 m，地處北緯 26°57′，東經(jīng) 110°01′。電站壩址以上流域面積為3 642 km2。流域呈南北狹長的條帶狀，地勢南高北低，兩岸森林茂密。

1.2 氣象概況

巫水流域處于亞熱帶氣候區(qū)，濕熱多雨，冬冷夏熱，夏季既受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的控制，也受副熱帶系統(tǒng)的影響,有時受兩種系統(tǒng)的共同作用。鋒面活動顯著，氣旋經(jīng)過頻繁，暴雨主要集中于4～6月，雨量占全年雨量的43.2%。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 設(shè)計總目標(biāo)

設(shè)計的總目標(biāo)：以實用、可靠、經(jīng)濟為基礎(chǔ)，建立一個先進(jìn)的無人值守的雨水情在線自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)雨水情實時測報、自動匯集、雨水情信息數(shù)據(jù)回溯、洪水預(yù)報之功能。

2.2 測報系統(tǒng)

2.2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）響應(yīng)速度

完成一次流域水情要素的收集、處理和預(yù)報作業(yè)的時間不宜超過20 min。

（2）測報系統(tǒng)的測報精度

1）水文要素采集精度，應(yīng)達(dá)到表1規(guī)定。

表1 水文要素采集精度

2）水情預(yù)報主要方案的合格率應(yīng)不小于70%，或確定性系數(shù)應(yīng)大于0.70。

（3）系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

遙測站和中心站單站設(shè)備的無故障工作時間（MTBF）應(yīng)大于6 300 h；數(shù)據(jù)處理作業(yè)的完成率應(yīng)大于95%；系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)向上傳送數(shù)據(jù)的暢通率宜達(dá)到99%以上；水情自動測報系統(tǒng)設(shè)備的可用度應(yīng)大于90%。

2.2.2 站網(wǎng)布設(shè)

（1）水文 /水位站

巫水流域高椅上游已規(guī)劃布設(shè)綏寧、河口水文站監(jiān)測干流來水，不另布設(shè)。水文/水位站擬布設(shè)情況見表2（本次規(guī)劃暫不考慮高椅、長寨測站）。

表2 巫水流域水文/水位站布設(shè)表

（2）雨量站

巫水流域初步布設(shè)7個雨量站，各子流域區(qū)間的雨量站情況見表3。

表3 雨量站情況

巫水流域各子流域雨量站網(wǎng)密度適中，同時因距壩址越近，雨量分布對入庫過程的影響越大，因此站網(wǎng)密度越密。本次初步建議布點如表4。

表4 布點設(shè)置

2.3 中心站系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 功能要求

中心站的基本功能為自動處理遙測站傳入的水、雨情數(shù)據(jù)，并能從監(jiān)控系統(tǒng)中采集和自動處理壩前、壩后水位、電站雨量、機組負(fù)荷、閘門開度等資料，完成水務(wù)計算和水庫調(diào)度統(tǒng)計報表等；進(jìn)行實時預(yù)報，并根據(jù)預(yù)報結(jié)果進(jìn)行防洪調(diào)度；能進(jìn)行中、長、短期發(fā)電計劃的制定，實時調(diào)度方案的生成，節(jié)水增發(fā)電量及棄水損失電量、水能利用提高率的計算等。

2.3.2 中心站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中心站計算機網(wǎng)絡(luò)采用基于局域網(wǎng)的分布式多機系統(tǒng)，支持B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)采用100 M/1000 M自適應(yīng)的快速以太網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)互連采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。

2.3.3 數(shù)據(jù)流程（圖1）

圖1 數(shù)據(jù)流程圖

2.3.4 軟件技術(shù)指標(biāo)

（1）操作系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器操作系統(tǒng)采用WINDOWS 2008 Server企業(yè)版（25用戶），服務(wù)器操作采用WINDOWS 2008 Server標(biāo)準(zhǔn)版（5用戶）；工作站W(wǎng)INDOWS 7專業(yè)版。

（2）數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫軟件：從本系統(tǒng)應(yīng)用需求分析，本方案選擇采用Oracle 11G標(biāo)準(zhǔn)版數(shù)據(jù)庫軟件。

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：水情自動測報系統(tǒng)的各種信息可劃分為遙測站管理數(shù)據(jù)庫、遙測實時信息數(shù)據(jù)庫、水雨情信息數(shù)據(jù)庫、水情預(yù)報信息數(shù)據(jù)庫、水庫調(diào)度數(shù)據(jù)庫、參數(shù)及工程基本信息數(shù)據(jù)庫等6類。

（3）系統(tǒng)平臺軟件

系統(tǒng)平臺軟件主要實現(xiàn)水情水調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、接收、處理、存儲、監(jiān)視、報警、管理、維護、統(tǒng)計、分析、Web瀏覽服務(wù)、專業(yè)的水調(diào)圖形、報表等。

（4）高級應(yīng)用軟件

1）水情預(yù)報軟件子系統(tǒng)

洪水預(yù)報：

①入庫洪水預(yù)報，預(yù)報要素包括洪峰、洪量和洪水過程；

②提供手動、自動預(yù)報兩種方式可供選擇；

③手動預(yù)報可自由設(shè)置預(yù)報時間；

④支持預(yù)報結(jié)果的表格數(shù)字修改和圖形拖動修改的人工干預(yù)功能；

⑤提供預(yù)報結(jié)果實時校正功能,支持人工報汛預(yù)報功能；

⑥提供重要斷面和入庫站預(yù)報結(jié)果的圖形、表格顯示和輸出功能。

2）水庫防洪調(diào)度軟件子系統(tǒng)

①可根據(jù)不同時期的要求對調(diào)度模式進(jìn)行選擇；

②選擇相應(yīng)調(diào)度模式和設(shè)置對應(yīng)邊界條件進(jìn)行洪水調(diào)度演算。

3 平臺軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集至少應(yīng)具有以下功能：

（1）遙測數(shù)據(jù)采集；

（2）預(yù)留從EMS端口接收EMS系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)（機組運行數(shù)據(jù)、發(fā)電計劃）；

（3）具有遙測站運行狀態(tài)的監(jiān)視、報警功能；

（4）具有自動重連功能；

（5）具有IP地址限制功能；

（6）具有對遙測站進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、召測、軟件更新等功能。

（7）預(yù)留其他對外通信接口。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)處理功能

1）數(shù)據(jù)格式及工程單位轉(zhuǎn)換功能；

2）實時數(shù)據(jù)的處理及各種數(shù)據(jù)、信息的限值檢查及合理性校驗功能；

3）實時數(shù)據(jù)的計算及處理功能；

4）數(shù)據(jù)的顯示、報警、制表、打印；

5）允許有權(quán)限的人工數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)增刪，或數(shù)據(jù)導(dǎo)出、導(dǎo)入。

（2）數(shù)據(jù)處理要求

1）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及工程單位轉(zhuǎn)換不得降低原數(shù)據(jù)的精度；

2）限值檢查和合理性校驗。

（3）數(shù)據(jù)計算及處理

1）具備如下計算功能：四則運算、代數(shù)運算、三角運算、邏輯運算、邏輯判斷運算、函數(shù)運算、自定義函數(shù)運算、查表運算、任意組合的運算公式；

2）提供方便、友好的方法供用戶在線定義和修改計算；

3）計算的啟動方式：按預(yù)先定義的日期和時間、周期事件驅(qū)動、條件驅(qū)動、其他計算的結(jié)果、人工請求。

3.2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理由歷史數(shù)據(jù)庫管理和實時數(shù)據(jù)庫管理兩部分組成。兩種數(shù)據(jù)庫均采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)字典，支持冗余雙服務(wù)器的熱備用機制，并保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。

3.3 圖形子系統(tǒng)

（1）控制流域圖展示。

（2）流域遙測站數(shù)據(jù)展示（圖形含站點位置、名稱、信息等內(nèi)容）。

（3）水電站工況展示圖。

（4）雨量棒圖展示（含單站、多站）。

（5）水位過程線圖形展示（含單站、多站）。

（6）綜合查詢圖形展示。

（7）預(yù)報過程線圖形展示。

（8）其他專業(yè)圖形和工作圖形的展示。

3.4 報表子系統(tǒng)

（1）具有水位、降雨計算等多種統(tǒng)計函數(shù)，可以通過查表獲得流量數(shù)據(jù)；

（2）利用報表編輯器可自由組合，制成滿足不同需要和固定格式的報表。

（3）各種運行信息、參數(shù)統(tǒng)計報表。

（4）雨水情信息的各種日報、月報、年報。

（5）計算處理信息的各種日報、月報、年報。

（6）預(yù)報結(jié)果的統(tǒng)計報表。

（7）各種越限、報警、異常匯總表。

（8）調(diào)度表、業(yè)務(wù)表，其他相關(guān)部門要求的報表。

3.5 數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)提供多頁查詢框，可按多種條件、多種方式方便查詢水調(diào)數(shù)據(jù)庫中的各種靜態(tài)資料數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、告警記錄信息以及發(fā)電計劃數(shù)據(jù)、洪水預(yù)報結(jié)果等，并可以進(jìn)行各種統(tǒng)計、比較、分析。

3.6 系統(tǒng)維護與管理

針對本系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模，本系統(tǒng)所提供的維護與管理工具必須包括：權(quán)限管理工具、分步式進(jìn)程管理工具、系統(tǒng)備份與裝載工具

4 高級應(yīng)用軟件設(shè)計

4.1 水文預(yù)報軟件設(shè)計

（1）洪水預(yù)報

洪水預(yù)報是指根據(jù)洪水形成原理及運動規(guī)律，利用前期和現(xiàn)時的水文、氣象等信息，對未來的洪水所作的預(yù)報，不考慮未來降雨情況下其預(yù)見期不超過流域匯流時間，通常為數(shù)小時至數(shù)天。

（2）預(yù)報分析

三水源新安江模型作為蓄滿產(chǎn)流的一種，可以在本次短期洪水預(yù)報中作為主選模型，進(jìn)行預(yù)報方案配置。長江流域從1952年開始應(yīng)用P～Pa～R三變數(shù)經(jīng)驗相關(guān)圖進(jìn)行預(yù)報，數(shù)十年洪水預(yù)報的實踐證明，應(yīng)用效果較好，本次預(yù)報中可作為備選模型，供預(yù)報方案配置。

目前河道洪水演算中，最具代表性的水文學(xué)方法為馬斯京根法。因此本次洪水預(yù)報擬采用馬斯京根河道匯流模型進(jìn)行河道匯流計算，將其與降雨徑流模型相結(jié)合進(jìn)行整個流域的預(yù)報計算。

對預(yù)報結(jié)果誤差修正的方法很多，按修正內(nèi)容劃分，可分為模型誤差修正、模型參數(shù)修正、模型輸入修正和綜合修正4類。

此外，本次采用ARCGIS軟件生成數(shù)字流域，進(jìn)行流域分區(qū)、分單元、水系生成等，并提取流域河長、坡度等特征信息；面平均雨量將采用數(shù)字單元與泰森多邊形疊置分析獲得。綜上，預(yù)報洪水徑流預(yù)報擬應(yīng)用的模型、方法見圖2。

圖2 短期徑流預(yù)報擬應(yīng)用模型、方法圖

（3）預(yù)報方案

預(yù)報范圍內(nèi)根據(jù)流域水系分布、測站以及電站的布設(shè)情況，將預(yù)報區(qū)域劃分為幾塊，每塊的出口即為預(yù)報斷面，塊內(nèi)考慮降雨分布的不均勻，再劃分為若干個單元進(jìn)行預(yù)報。本方案子流域內(nèi)預(yù)報流程圖見圖3。

圖3 子流域內(nèi)預(yù)報流程圖

4.2 水庫調(diào)度軟件設(shè)計

（1）防洪調(diào)度

洪水調(diào)度主要是制定洪水調(diào)度方案，在水庫的調(diào)洪計算中，上游出庫過程、入庫洪水過程線、水位庫容曲線、泄洪建筑物的型式尺寸及調(diào)度規(guī)則作為已知的基本資料，防洪調(diào)度方案制定的主要目的是推求下泄流量過程和庫水位過程，以及結(jié)合閘門的啟閉規(guī)則將下泄流量分配到各閘門，形成閘門開度的決策支持方案。

（2）發(fā)電調(diào)度

根據(jù)水庫運用原則結(jié)合水庫綜合利用要求，按當(dāng)前的調(diào)度規(guī)則，在確保大壩安全的前提下，運用水庫的調(diào)蓄能力，尋求科學(xué)合理的運行策略，從而實現(xiàn)有計劃地對天然入庫流量進(jìn)行蓄泄，達(dá)到充分利用水能資源，使水電站安全經(jīng)濟運行的目的。

5 結(jié)論

懷化巫水流域水情測報系統(tǒng)的建設(shè)，結(jié)束了大唐華銀懷化分公司在巫水流域上雨水情在線自動監(jiān)測的空白，為大唐華銀懷化分公司爭取了最大的防洪效益和發(fā)電效益，也確保了小洪電站的施工安全。為實現(xiàn)巫水流域的全覆蓋，建議在小洪電站投產(chǎn)后繼續(xù)完善，建立集控系統(tǒng)，實現(xiàn)巫水流域梯級調(diào)度。

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[1] 孫增義,吳躍.水情自動測報技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社,1999.

[2] 湯成友,官學(xué)文,張世明.現(xiàn)代中長期水文預(yù)報方法及其應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 王光生,寧方貴.實用水文預(yù)報方法[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.