水情測報系統在高海拔山區河流流域的應用

李榮　張浩

摘 要：田灣河流域梯級水電站原水情自動測報系統于2007年建成并投入使用，2017年對系統進行了升級改造。本文從設備性能、設備先進性和適應環境能力等方面分析闡述，選取了適應本流域高海拔山區氣象水文特性的系統設備。

關鍵詞：田灣河流域；水情測報系統；設備選型分析

中圖分類號：P332 文獻標志碼：A

1 流域概況

1.1 流域概況

田灣河流域位于四川盆地西緣山地，為大渡河右岸的一級支流，發源于貢嘎山西側，主源磨西溝與最大支流環河均位于康定縣境內，干流全長84.5km，全流域面積1400k㎡。河道磨西溝由北向南流，至子梅轉向東南流，在魏石達先后有貢嘎溝和騰增溝分別自左、右岸匯入后始稱為田灣河。下行至界碑石進入石棉縣境內并有環河自右岸匯入，繼續向東南流至金窩下游1km處的龔家溝口轉向東北流，經草科、田灣在兩河口注入大渡河。田灣河流域圖如圖1所示。

田灣河地理位置介于東經101041′～102011′、北緯29012′～29047′之間。流域左側中上游以貢嘎山與磨西溝分水，下游與兩叉河和什月河相連；右側草科以下與瓦羅溝接壤，其余則與松林河為鄰。本流域支流眾多，山高坡陡，河流深切，四周分水嶺高程一般都在4500m以上，有冰川以及雪山分布。最高的貢嘎山主峰海拔達7556m。嶺谷相對高差1000m～3000m，呈典型的高山峽谷地貌。

1.2 流域氣象特征

本流域位于四川盆地西緣山地，西接青藏高原東緣，為盆地到高原的過渡地帶，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區。氣候干濕季明顯，氣溫由河谷向高山遞減，降水山地多于河谷。本流域易產生地形雨，且夜間降水較多。

根據設在仁宗海水庫電站附近的金窩氣象站1999年-2000年資料統計，年平均氣溫為10.8℃，極端最高、最低溫度分別為33.0℃和-4.8℃；平均相對濕度為85%，最小相對濕度為17%；平均年降水量1252.3mm；平均年蒸發量為589.1mm；平均風速為0.5m/s，歷年最大風速為10m/s，相應風向為S。

草科以下的河谷地帶，每年4月降水量明顯增多，4月～10月降水量占年降水量的90%以上。

2 水情測報系統簡述

2.1 水情測報系統簡介及系統構成

水情自動測報系統是一個集通信、計算機、水文和遙測等先進科學技術于一體的多學科系統工程。田灣河流域水情測報系統由數據測量、采集、供電和通信等設備和計算機裝置組合而成。系統能夠自動實現流域雨、水情數據自動采集、傳輸、處理、存儲功能，是汛期防洪調度、水庫安全度汛和水庫優化調度、水資源合理利用的基礎和關鍵，在流域梯級電站防洪度汛、梯級電站經濟運行以及流域水資源合理利用等方面都發揮著重大作用。

田灣河流域水情測報系統由1個中心站、兩個水文站、3個水位站、1個流量站、9個遙測雨量站及兩個簡易自動氣象站等共18個站點組成。中心站設置在田灣河公司成都遠控中心，用于采集、接收遙測站點發送的水雨情數據；各遙測站點分布于流域河道、各大支溝及流域梯級電站上游水位觀測處。

2.2 水情測報系統升級改造設備性能及適用性分析

原水情測報系統于2007年建成并投入使用，截至2017年系統升級改造，大多數站點已運行近11年時間，加之高海拔地區氣壓、氣溫和極端天氣等加快了遙測站點設備老化速度，2016年、2017年多個遙測雨量站點陸續出現數據中斷、失真等現象。部分水位站點使用的氣泡式水位計也常因水下泥沙淤堵、侵蝕，錯誤數據頻繁出現，多次維修無果，更換為雷達水位計。水文站使用的浮子式水位計測井被泥石流損毀導致無法正常使用。綜上所述，原水情測報系統已無法滿足系統暢通率和數據準確率要求，不滿足正常生產需要。2017年5月對田灣河流域水情測報系統整體進行了升級改造。

2.2.1 供電設備選型分析

本流域17個遙測站中，10個站點均處于高海拔山區，站點設置處未通市電，且雨季山區陰雨天氣多。為滿足遙測站點設備連續工作時間要求，經過對設備耗電量計算和流域氣候資料分析，我們最終選用太陽能電池板40W、南瑞公司ACS-SR充電控制器和易事特38AH蓄電池配套使用，該供電系統設備自身功耗小、充電控制效率高，有防反充、過充功能，能滿足最大充電電流需要。

2.2.2 數據采集器選型分析

數據采集器是遙測站最關鍵設備之一，遙測站的全部功能幾乎都體現在數據采集器的功能上，數據采集器完成水文數據采集，存儲傳輸控制，它與水文傳感器、通信終端連接，是數據采集及數據傳輸的控制系統。數據采集器需具備的功能有：（1）需要提供多類型連接串口和具備串口可拓展性以滿足雨量計、水位計、流量計、衛星接口、GSM通信接口、供電電源接口等多類型測量設備、通信設備、供電設備接入和遠期不同類型設備接入能力；（2）需要具備強大的存儲功能以便對測站基本參數和測量歷史數據進行存儲；（3）需要具備遠程通信能力，能夠滿足本地通信和遠程中心站或手機修改、設置測站參數。綜合數據采集器需要具備的功能條件以及田灣河流域高海拔濕潤、低溫特性，最終選用南瑞ACS500數據采集器。該設備工作環境溫度-40℃～+70℃，具有1路單/雙簧雨量接口，1路SDI-12及RS485總線接口，滿足雨量計、水位計、各種智能傳感器或者通過系列智能總線適配器接入各種傳統的傳感器，4個RS-232通信串口，1個受控12V供電口，1個浮充電源輸入口。針對后期應用需求，設計了1路箱門狀態報警接口和2路繼電器開出控制接口。具有4MB FLASH存儲歷史數據，并配有1個SD卡接口，以任意擴展存儲容量。同時該設備具有微功耗、電源極性保護、防誤操作和自檢等功能，保證設備的高可靠性、方便維護。

2.2.3 通信設備組網和選型分析

田灣河流域水情測報系統17個遙測站點中11個未通移動信號。因此本流域通信設備組網以衛星通信為主，其余覆蓋移動信號的站點選用衛星和GSM雙通道。衛星通信設備選用通用北斗YDD-03-1通信衛星，GSM通信選用南瑞低功耗DT4100通信裝置。

2.2.4 水位計選型分析

原水情測報系統兩個水文站水位采集設備采用的浮子式水位計，該類型水位計利用浮子跟蹤水位升降，以機械方式直接傳動記錄，測量精度高、穩定性好。但因田灣河流域處于高山峽谷，流域河道比降大，且河道松散物質較多，易產生泥石流。流域遇較大強度降雨時，河道來水水質條件差，來水含砂石淤泥較多，頻繁淤堵水位計測井，且測井后期不易清理，因而極易導致水位計計數誤差大和因測井頻繁淤堵無法正常施測。原水情測報系統3個水位站水位采集設備采用的氣泡壓力式水位計，該類型水位計測量精度高，但實際投入運行后，常因水下通氣管被細顆粒泥沙淤堵造成氣管腐蝕損壞，測量數據失真。

此次系統升級改造從經濟性、適用性及維修難度等多方面對比，選用德國EH FMR51雷達水位計，該類型水位計為非接觸式水位計，具有適用性廣、不易損壞和維修方便的優點，不受水質條件差，泥沙嚴重的限制，適用山區和水質條件較差的河流。

2.2.5 雨量計選型分析

田灣河流域位于四川盆地向青藏高原的過渡地帶，屬亞熱帶季風氣候區。流域內由于地勢高差懸殊，立體氣候顯著。流域多年平均年降水量1252.3mm。本次系統升級改造使用行業市場廣泛使用、性能穩定的南水科技0.5mm分辨率的翻斗雨量計。

2.2.6 溫濕度計、風速風向計選型分析

原水情測報系統采用的溫濕度變速器測溫范圍為0℃～50℃，而因高山高海拔地區常年氣溫較低，冬季低溫遠低于零度，本次改造將原溫濕度變速器型號更換為羅卓尼克Hydro Clip02型號，該型號溫濕度變速器測量范圍為-10℃～85℃。風速風向計也更換為對高原氣候溫濕度更有耐受性，利用超聲波原理測風速、風向的Lufft WS200型號風速風向計。

3 系統升級改造效果分析

現水情測報系統于2017年6月底完成升級改造工作，經過一年的檢驗，整套系統供電能力充足、設備運行穩定、測量數據準確可靠，升級改造效果明顯，是一次成功的系統優化升級改造工作。以下從系統設備適應性、系統先進性、系統融合性和系統經濟性4個方面進行效果分析：

3.1 系統設備適應性

此次系統改造是在流域電站發電10年的基礎上進行的，10年運行期間對流域高海拔山區的氣象水文特性有了更清晰、深入的認識和掌握。本次系統升級改造針對流域氣壓、氣溫、汛期強降雨天氣水質條件差、極端氣候多和供電條件有限等情況，進行了設備選型。此次設備選型選取了對高海拔山區氣候、河流特性具有良好適應性和耐受性的系統設備。

3.2 系統設備先進性

此次選用的數據采集器具有微功耗優勢，在滿足傳統功能需求的前提下，在測量設備傳感器接口、通信接口數量、類型、存儲容量及接口和容量的可拓展性方面都有較大的突破。系統采用的雷達水位計、溫濕度計和風速風向計都是應用先進科技，且經行業內實際應用檢驗，是性能穩定、測量精度高且維修方便的測量儀器設備。

3.3 系統融合性

本流域水調自動化系統于2015年建成并投入使用，此次水情測報系統升級改造項目承建單位和水調自動化系統建設單位為同一單位，系統使用的數據庫軟件和編碼軟件應用規則相同，故系統改造后兩套系統融合性更好、數據處理、計算更為快捷。

3.4 系統經濟性

原水情測報系統使用后期年平均設備更換和維護費用約20萬，且因系統投入運行時間久，系統設備整體老化，雖每年都會進行部分設備更換和維護，但系統整體運行情況仍不樂觀，不能滿足正常生產需要。此次系統整體升級改造一次性投入，相較不斷更換和維修，除系統運行更穩定外，設備采購成本也更低、更經濟。

結語

本次系統升級改造汲取原系統經驗、調研行業系統發展狀況、深入學習熟悉系統設備性能條件，針對高海拔山區特殊氣候水文條件，嚴格系統設備選型，確保本次系統設備改造具有高海拔山區適應性、技術先進性和設備后期可拓展性。本次系統升級改造完善和增強了原水情測報系統功能，提高了系統的暢通率和數據準確率，使系統能更好地服務于流域防洪度汛、水庫調度，為防洪度汛決策和水庫優化調度提供了可靠依據。

參考文獻

[1]成都勘測設計研究院.田灣河流域設計運行說明書[Z].2004.

[2]南京南瑞集團公司水利水電技術分公司.ACS500數據采集器使用說明書[Z].2012.

[3]梁洪英.清溪水電站水情自動測報系統硬件升級改造經驗淺析[J].廣東水利水電，2016（7）：59-62.