陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蒲博文，秦鴻哲

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司,西安 710000)

1 工程概況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣月河鎮(zhèn)東陽村，距鎮(zhèn)安縣城公路里程74 km，距西安市公路里程134 km。電站裝機(jī)容量1 400 MW(4×350 MW)，設(shè)計(jì)年發(fā)電量23.41億kWh，年抽水耗電量31.21億kWh。電站建成后主要服務(wù)于陜西電網(wǎng)，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務(wù)。

下水庫壩區(qū)位于月河干流上，下水庫大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程949.00 m，最大壩高95 m。校核洪水位(P=0.05%，Q=2 130 m3/s)為947.50 m，設(shè)計(jì)洪水位(P=0.5%，Q=1 300 m3/s)為945.00 m，正常蓄水位945.00 m，死水位910.00 m，正常蓄水位以下庫容1 220萬m3，調(diào)節(jié)庫容956萬m3，下水庫壩址以上流域面積181 km2。

2 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站所在月河流域?qū)偕絽^(qū)河流，平均比降30.3‰，處于陜南暴雨中心地帶，產(chǎn)生洪水的主要原因是暴雨或連陰雨。當(dāng)所在地區(qū)發(fā)生暴雨時(shí)，暴雨量大，加之坡陡，暴雨大部分形成徑流，迅速集中到河槽形成洪水，洪水暴漲暴落，峰型為多峰鋸齒狀，呈陡漲陡落態(tài)勢(shì)，一般漲、落時(shí)間是幾小時(shí)或十幾小時(shí)。由于預(yù)見期短，降雨所產(chǎn)生的洪水嚴(yán)重危及電站施工期的臨河、跨河施工作業(yè)。如果在一定有效時(shí)間內(nèi)預(yù)見上游來水情況，就可以為工程安全度汛提供較為可靠的決策依據(jù)。因此，建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是很有必要的[1]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)一期工程由1個(gè)中心站、4個(gè)遙測(cè)雨量站、4個(gè)遙測(cè)水位站、1個(gè)專用水文站、2個(gè)專用氣象站及配套的服務(wù)器機(jī)組、通信、數(shù)據(jù)庫、水務(wù)計(jì)算、水文預(yù)報(bào)等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集工程區(qū)及月河上游的雨量、水位、流量及氣象要素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)洪水監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)報(bào)、洪水預(yù)警等功能。系統(tǒng)站網(wǎng)布置及站點(diǎn)信息見圖1、表1。

圖1 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)站網(wǎng)布置圖

表1 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站信息匯總表

3.2 遙測(cè)站布設(shè)原則

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求、流域概況以及暴雨洪水特性，遙測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則[2]：

(1) 滿足預(yù)報(bào)方案的要求，有利于編制不同預(yù)見期預(yù)報(bào)方案；

(2) 能反映測(cè)報(bào)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)雨情和水情的變化；

(3) 雨量站的布設(shè)需要考慮降雨的時(shí)空分布；

(4) 考慮通信信道設(shè)計(jì)、交通情況和建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)看管的要求；

(5) 考慮與將來工程建設(shè)的相互影響，避免頻繁搬遷，爭取永臨結(jié)合；

(6) 應(yīng)符合GB 50179-2015 《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》、SL 61-2015《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、NB/T 35003—2013《水電工程水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 22482-2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

3.3 遙測(cè)站工作原理

本系統(tǒng)中水位站采用雷達(dá)式水位計(jì)，雨量站采用精度0.5 mm的翻斗式雨量計(jì)，水文站測(cè)流系統(tǒng)采用雷達(dá)波測(cè)流和纜道鉛魚測(cè)流組合的形式。各遙測(cè)站配置數(shù)據(jù)采集終端(RTU)、通信終端(GSM/GPRS/北斗)、供電系統(tǒng)(40W光板+65AH鉛酸蓄電池)及防雷接地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水文氣象要素自動(dòng)采集、固態(tài)存儲(chǔ)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換通信信道、自動(dòng)發(fā)送到中心站。遙測(cè)站工作方式如下：

(1) 自動(dòng)采集：平時(shí)RTU處于值守狀態(tài)，當(dāng)水位、雨量值發(fā)生變化時(shí)或達(dá)到設(shè)定的時(shí)間間隔時(shí)，RTU自動(dòng)采集并存儲(chǔ)水位、雨量、流量等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)定時(shí)采集時(shí)間間隔為5 min。

(2) 定時(shí)自報(bào)：當(dāng)水位、雨量數(shù)據(jù)無變化或者有變化但未達(dá)到超值加報(bào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按預(yù)先設(shè)置的定時(shí)時(shí)間間隔，由RTU喚醒通信終端向中心站發(fā)送當(dāng)前水位、雨量、流量數(shù)據(jù)，同時(shí)包括測(cè)站站號(hào)、時(shí)間、電池電壓等參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)定時(shí)自報(bào)時(shí)間間隔為1 h。

(3) 超值加報(bào)：在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)水位變幅以及降雨量超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)加報(bào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)超值加報(bào)標(biāo)準(zhǔn)為水位5 min內(nèi)變幅達(dá)到5 cm，雨量5 min內(nèi)超過2 mm。時(shí)間間隔和設(shè)定值在運(yùn)行過程中可根據(jù)情況調(diào)整。

3.4 通信與數(shù)據(jù)傳輸

由于鎮(zhèn)安電站所處位置為陜南山區(qū)，GSM/GPRS基礎(chǔ)通信條件較差，信號(hào)覆蓋面小，受地形、天氣影響較大，所以在設(shè)計(jì)之初充分考慮了各種不利因素，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)遙測(cè)站點(diǎn)的通信都實(shí)行雙信道模式，一路為主信道，另一路為備信道，當(dāng)主信道數(shù)據(jù)傳輸失敗時(shí)RTU自動(dòng)切換到備用信道進(jìn)行傳輸，盡可能地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾蜁惩ā?/p>

在主備信道的設(shè)定方面考慮到遙測(cè)站是蓄電池供電，需要盡可能的保證設(shè)備在連續(xù)陰雨天氣下能長時(shí)間工作。因此，將價(jià)格低、功耗低、維護(hù)成本低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的GSM/GPRS通信終端設(shè)為主信道；將價(jià)格高、功率大、維護(hù)成本高的北斗通信終端設(shè)為備用信道。在GSM/GPRS模式下，由于通信設(shè)備耗電少，可一直處于開機(jī)守候狀態(tài)，可據(jù)需要，由中心站遠(yuǎn)程招測(cè)獲得即時(shí)水情，并可由中心站發(fā)出命令，更改遙測(cè)站參數(shù)設(shè)置。

3.5 中心站工作原理

中心站是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)信息接收處理、數(shù)據(jù)庫管理、發(fā)布實(shí)時(shí)水情信息和水情預(yù)警等工作。中心站主要由服務(wù)器機(jī)組、通信接收處理系統(tǒng)、水務(wù)計(jì)算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)水情監(jiān)控系統(tǒng)、水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)、水調(diào)平臺(tái)、信息發(fā)布系統(tǒng)等部分組成[3]。

中心站各子系工作原理如下，各子系統(tǒng)工作關(guān)系見圖2：

圖2 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)工作關(guān)系圖

(1) 通信接收處理系統(tǒng)：接收遙測(cè)站發(fā)回的報(bào)文，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解碼后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存貯在基礎(chǔ)庫中。

(2) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：負(fù)責(zé)存貯數(shù)據(jù)，分為基礎(chǔ)庫和專用庫，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

(2) 實(shí)時(shí)水情監(jiān)控系統(tǒng)：調(diào)用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)庫數(shù)據(jù)，監(jiān)控實(shí)時(shí)水情信息，通過設(shè)定預(yù)警雨量、水位、流量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聲音報(bào)警，雨水情監(jiān)控系統(tǒng)界面見圖3。

圖3 雨水情監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

(3) 水務(wù)計(jì)算系統(tǒng)：將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、分類、格式化處理，進(jìn)行合理性判別，并將處理后的數(shù)據(jù)自動(dòng)存貯在專用數(shù)據(jù)庫中。

(4) 水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)：調(diào)用專用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，接收氣象部門發(fā)布的降雨預(yù)報(bào)信息，根據(jù)預(yù)報(bào)方案按照預(yù)估雨量、滾動(dòng)預(yù)報(bào)等方式進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)界面見圖4。

圖4 水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)界面圖

(5) 水調(diào)平臺(tái)：調(diào)用專用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)查詢遙測(cè)站數(shù)據(jù)，生成水位、雨量、流量的統(tǒng)計(jì)圖表，生成水庫運(yùn)行情況匯總表等功能，還要能夠?qū)?shù)據(jù)資料進(jìn)行整編并生成報(bào)表，如逐日平均水位、逐日降水量等。

(6) 信息發(fā)布系統(tǒng)：包括水情網(wǎng)站和短信平臺(tái)站，作為對(duì)外信息發(fā)布通道，具有查詢水情信息、預(yù)報(bào)成果、發(fā)布預(yù)警等功能。在以上2個(gè)渠道的基礎(chǔ)上還需與電站的管理系體系相打通，如通過防汛微信群、電站內(nèi)部專線電話、對(duì)講系統(tǒng)進(jìn)行水情信息發(fā)布。

3.6 水文預(yù)報(bào)方案的確定

3.6.1降雨徑流預(yù)報(bào)方案

本系統(tǒng)降雨徑流預(yù)報(bào)主要采用三水源新安江模型。新安江模型是分散性模型，它把全流域分成多個(gè)單元，每一個(gè)單元內(nèi)降水經(jīng)過蒸散發(fā)的消耗后，以蓄滿產(chǎn)流的方式經(jīng)產(chǎn)流量水源劃分后對(duì)各單元流域進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得出單元流域的出口流量過程；再進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，把各單元流域的出流過程相加，得出流域的在某個(gè)斷面的總出流過程。新安江模型在中國濕潤和半濕潤地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用，具有概念清晰、使用方便和計(jì)算精度較高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

下庫水文站緊臨下庫工程區(qū)，控制流域面積176 km2，下庫大壩位于水文站下游約1.8 km處，區(qū)間來水量小，水文站的預(yù)報(bào)成果完全可以代表上游來水情況，將新安江模型和氣象部門的降雨預(yù)報(bào)相結(jié)合，洪水預(yù)見期能達(dá)到24 h左右。

3.6.2水位河系預(yù)報(bào)方案

月河流域的支溝主要集中在月河坪水位站以上河段，月河坪水位站至水文站區(qū)間水量小且沒有回水頂托，水文站來水主要來自月河坪站以上河段，綜合以上情況，相應(yīng)水位(流量)法適用于本工程。

(1)傳播時(shí)間預(yù)報(bào)方案

水位與傳播時(shí)間的關(guān)系對(duì)于一定的河段，τ是水位和水面比降 的函數(shù)：

τ=f(H上，t,i)

(1)

常常采用下站同時(shí)水位H下，t作為參數(shù)，以反映水面比降的影響，即：

τ=f(H上，t,H下，t)

(2)

如果忽略比降的影響，則：

τ=f(H上，t)

(3)

對(duì)于洪峰、起漲(谷)等特征水位的傳播時(shí)間，一般比較穩(wěn)定，采用上述預(yù)報(bào)關(guān)系可以得到比較滿意的結(jié)果。

綜上所述，傳播時(shí)間預(yù)報(bào)方案擬定為：

τ=f(H月河坪，t)

(4)

(2) 洪峰水位、總漲差預(yù)報(bào)方案

根據(jù)河段上、下站實(shí)測(cè)水位過程，摘錄相應(yīng)的洪峰水位值及其出現(xiàn)時(shí)間，制作相應(yīng)洪峰水位相關(guān)曲線及其傳播時(shí)間曲線。上站洪峰越高，則下站相應(yīng)的洪峰水位越高，其傳播時(shí)間則越短。但有時(shí)遇到同一上站洪峰水位，只是由于來水峰型不同或者河槽“底水”不同，導(dǎo)致上、下站之間河段比降發(fā)生變化，影響到傳播時(shí)間和下站水位預(yù)報(bào)，如果加入下站同時(shí)水位作為參數(shù)，可以提高預(yù)報(bào)精度，其關(guān)系式如下：

H下，t+r=f(H上，t,H下，t)

(5)

綜上所述，洪峰水位、總漲差預(yù)報(bào)方案擬定為：

H水文站，t+r=f(H月河坪，t，H水文站，t)

(6)

月河坪水位站控制流域面積159 km2占水文站以上流域面積的90%，且月河較大支流均在月河坪水位站上游，故預(yù)報(bào)精度較高。

4 系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行情況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)一期工程于2018年5月完成旬陽壩、月河坪、腰竹溝雨量站和攔沙壩臨時(shí)水位站的建設(shè)工作；2019年8月月河坪水位站、東陽村水位站、上庫雨量站、下庫水文站建成投運(yùn)，2019年11月下庫氣象站建成投運(yùn)，2020年5月上庫氣象站建成投運(yùn)。在定期的巡檢維護(hù)下已投運(yùn)遙測(cè)站通信暢通率一直保持在98.5%以上。

系統(tǒng)運(yùn)維和水情服務(wù)工作由水情中心專門負(fù)責(zé)，水情中心配備的防汛值班和運(yùn)維人員均掌握崗位相關(guān)技術(shù)規(guī)定和要求，并且定期進(jìn)行培訓(xùn)。防汛值班期間，值班人員嚴(yán)格遵守值班紀(jì)律，堅(jiān)持24 h值班制度，采用短信、微信群、專線電話、對(duì)講系統(tǒng)及時(shí)的將水情信息匯報(bào)給電站應(yīng)急指揮中心及各參建單位。2021年3月底中心站搬遷至業(yè)主永久辦公營地，搬遷后經(jīng)過調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行工況良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足汛期水情服務(wù)要求。

4.2 預(yù)報(bào)方案完善與應(yīng)用

由于月河無實(shí)測(cè)流量資料，系統(tǒng)建成之初降雨徑流預(yù)報(bào)方案模型參數(shù)主要從《商洛地區(qū)水文手冊(cè)》和鄰近流域借用而來，在實(shí)際應(yīng)用中存在預(yù)報(bào)精度低、誤差大等問題。因此，在系統(tǒng)建成的前2 a主要通過水位河系預(yù)報(bào)方案進(jìn)行洪水預(yù)警。經(jīng)過2 a的實(shí)測(cè)資料累積，2020年開始，汛期預(yù)報(bào)工作采取2種方案相結(jié)合的方式，有效提升了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。但由于2019年8月測(cè)流系統(tǒng)建成后至2020年末未發(fā)生大于50 m3/s的洪峰，故而在大洪水狀態(tài)下降雨徑流預(yù)報(bào)方案的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度并未能得到驗(yàn)證，還有待后續(xù)運(yùn)行過程中收集資料進(jìn)一步完善，下面僅就預(yù)報(bào)方案初步應(yīng)用成果進(jìn)行介紹。

4.2.1相應(yīng)水位(流量)預(yù)報(bào)初步成果

通過對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析總結(jié)，月河坪水位站到水文站水位起漲的傳播時(shí)間約為1～2 h，洪峰傳播時(shí)間約為0.5～0.8 h。水文站洪峰水位總漲差約為月河坪水位站總漲差的1/2。傳播時(shí)間預(yù)報(bào)初步成果見表2，總漲差關(guān)系見圖5。

表2 月河坪—水文站傳播時(shí)間成果表

圖5 月河坪—水文站總漲差關(guān)系線圖

4.2.2新安江模型預(yù)報(bào)初步成果

洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過對(duì)“20191007”號(hào)、“20191014”號(hào)實(shí)測(cè)洪水分析后重新率定模型參數(shù)，率定后的新安江模型在2020年的洪水預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要的作用，預(yù)報(bào)的洪峰、洪量成果總體準(zhǔn)確度達(dá)到90%以上，2020年部分洪水預(yù)報(bào)成果見表3，“20200617”號(hào)洪水過程線見圖6。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)相較人工觀測(cè)而言，大大降低了人力物力的支出，有效避免了人工觀測(cè)可能產(chǎn)生的誤差，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、時(shí)效性強(qiáng)，能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并記錄完整的降雨、洪水過程，這是人工觀測(cè)很難做到的。

表3 2020年部分洪水預(yù)報(bào)成果表

圖6 “20200617”號(hào)洪水過程線圖

鎮(zhèn)安電站水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)自建成以來，累計(jì)發(fā)布水情預(yù)警、預(yù)報(bào)、通報(bào)90余次，汛期雨水情月報(bào)20余次，報(bào)汛準(zhǔn)時(shí)率達(dá)100%，報(bào)汛內(nèi)容準(zhǔn)確性滿足合同要求。報(bào)汛期間多次根據(jù)監(jiān)測(cè)的水情信息對(duì)下庫工程區(qū)的漫水橋橋面是否過水做出分析預(yù)測(cè)并提出啟動(dòng)防汛應(yīng)急響應(yīng)的建議，為工程防洪度汛提供了科學(xué)的依據(jù)和保障，為采取防汛應(yīng)急措施爭取了時(shí)間，有效保護(hù)了人身及財(cái)產(chǎn)安全，減輕了洪水可能對(duì)工程建設(shè)造成的損失。

5 結(jié) 語

目前我國水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)走向成熟，設(shè)備性能穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，已建成的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的成功運(yùn)行在水利水電工程建設(shè)、水庫洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度決策中都發(fā)揮了巨大的作用。加強(qiáng)對(duì)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用和管理，有利于為決策人員提供精確的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)提高防汛工作效率、水庫運(yùn)行調(diào)度有積極的作用。