水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)在桃山水庫(kù)二期工程建設(shè)中的應(yīng)用

王宇航，高廣峰

(桃山水庫(kù)管理處，黑龍江七臺(tái)河154600)

桃山水庫(kù)二期工程壩址位于倭肯河干流中上游七臺(tái)河市，是一座以防洪和城市供水為主，兼顧灌溉，養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的大型水利樞紐工程。承擔(dān)著工程本身安全和下游的防洪調(diào)度任務(wù)?；旧峡刂屏速量虾由嫌紊絽^(qū)的洪水。通過(guò)該水庫(kù)調(diào)度，對(duì)七臺(tái)河市及下游防洪具有一定的削峰和錯(cuò)峰作用?？杀Ｗo(hù)在50 a一遇洪水情況下，七臺(tái)河市及下游16個(gè)村屯、1萬(wàn)hm2農(nóng)田、20余萬(wàn)人口，及牡佳鐵路、鶴大公路的安全。水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)是二期工程建設(shè)的組成部分。

水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下，利用有線、無(wú)線及其它通信設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)，對(duì)水雨情數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行水情預(yù)報(bào)、水庫(kù)調(diào)度實(shí)時(shí)作業(yè)等內(nèi)容的高科技自動(dòng)化系統(tǒng)工程。系統(tǒng)的建立是做好防汛、調(diào)度工作的重要措施，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該系統(tǒng)的建設(shè)顯著地改善了流域的水情報(bào)汛、水文預(yù)報(bào)、防洪調(diào)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(cè)設(shè)備，精度為1 mm，當(dāng)雨量達(dá)到1 mm時(shí)，自動(dòng)向中繼發(fā)送數(shù)據(jù)。采集降雨強(qiáng)度可達(dá)4 mm/min，誤差≤±3%。工作時(shí)，降水進(jìn)入環(huán)口控制面積，由集水器匯攏后，通過(guò)進(jìn)水漏斗進(jìn)入翻斗;當(dāng)計(jì)量到一定水量時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)，翻斗上的磁石吸合或釋放翻斗旁的干簧管，產(chǎn)生一個(gè)通斷信號(hào)，該信號(hào)進(jìn)入終端機(jī)進(jìn)行累加計(jì)算，以數(shù)字代碼形式發(fā)射。采用雙信號(hào)輸出方式。②水位采集方式:水位觀測(cè)設(shè)備采用水位測(cè)井和浮子式水位計(jì)。當(dāng)水位升降1 cm時(shí)，自動(dòng)向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)，為防止風(fēng)流影響，采用5 min定時(shí)采集。③流量采集方式:根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》和《水工建筑物測(cè)流規(guī)范》的要求，對(duì)入庫(kù)和出庫(kù)站進(jìn)行了流量測(cè)驗(yàn)，采用流速面積法計(jì)算流量，人工置數(shù)方式傳輸，除出庫(kù)水文站采用駐測(cè)外，其余水文站均為巡測(cè)。

1.2 組網(wǎng)方案

系統(tǒng)以桃山水庫(kù)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(wú)線信道將各遙測(cè)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(tái)微機(jī)進(jìn)行分析處理，顯示各站水、雨情信息，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)資料的長(zhǎng)期存儲(chǔ)，各種水情報(bào)表的繪制。

根據(jù)水文站網(wǎng)布設(shè)原則及庫(kù)區(qū)匯水范圍內(nèi)地形及支流情況，以已有站點(diǎn)為主，建設(shè)20處水情自動(dòng)遙測(cè)站點(diǎn):系統(tǒng)中心站1處(桃山水庫(kù)管理處)，中繼站1處，入庫(kù)水文站2處(北興、新發(fā))，出庫(kù)水文站1處(壩下桃山)，庫(kù)水位站1處(壩上庫(kù)區(qū))，單雨量站16處(四新、靠山、石龍山、鐵山、金鄉(xiāng)、北興三隊(duì)、種畜場(chǎng)十隊(duì)、種畜場(chǎng)五隊(duì)、金沙經(jīng)營(yíng)所、新青、勝利、向陽(yáng)、北興22隊(duì)、北興27隊(duì)、北興24隊(duì)、北興17隊(duì))。

2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

桃山水庫(kù)水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)水情數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸及處理的實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，可以運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)的不同工作站上。具體以下功能特點(diǎn):①在暴雨、洪水等惡劣天氣條件下能可靠、穩(wěn)定地工作，設(shè)備的可靠性強(qiáng)。②設(shè)備符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、低功耗的原則，有防雷措施，中繼站、遙測(cè)站能在無(wú)人值守、無(wú)人看護(hù)的條件下工作。③遙測(cè)站能在環(huán)境溫度－10℃～45℃、相對(duì)濕度<95%條件下工作，能連續(xù)可靠地工作6個(gè)月以上，其通信暢通率應(yīng)>95%，誤碼率<10－5。④遙測(cè)站能自動(dòng)采集實(shí)時(shí)水情數(shù)據(jù)并自動(dòng)定時(shí)將水情數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站，數(shù)據(jù)精度滿(mǎn)足規(guī)范要求.雨量計(jì)分辨率為1 mm，測(cè)雨強(qiáng)度為0.01～4 mm/s;水位計(jì)分辨率為1 cm。⑤遙測(cè)計(jì)算機(jī)對(duì)前置機(jī)中原始數(shù)據(jù)有隨時(shí)、定時(shí)采集的功能，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行糾檢錯(cuò)、分類(lèi)存儲(chǔ)、檢索、修改、顯示、打印、超線報(bào)警，具有鍵盤(pán)輸入功能。可隨時(shí)提供設(shè)備工作狀態(tài)表。數(shù)據(jù)處理軟件查詢(xún)部分包括遙測(cè)站網(wǎng)分布圖，實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)的分布顯示，任意時(shí)段遙測(cè)數(shù)據(jù)圖表顯示等。當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，遙測(cè)前置機(jī)能夠繼續(xù)工作7 d以上，可以存儲(chǔ)、打印原始數(shù)據(jù);計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理設(shè)備能連續(xù)工作8 h以上。⑥遙測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件能夠定時(shí)、人工、隨機(jī)地主動(dòng)(或被動(dòng))將整理后的時(shí)段數(shù)據(jù)送入后臺(tái)洪水調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度在20 min以?xún)?nèi)。⑦系統(tǒng)測(cè)站和中繼站電源采用單晶硅太陽(yáng)能電池板，采用免維護(hù)蓄電池進(jìn)行浮充充電。能夠滿(mǎn)足30 d陰雨天情況下，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 水情遙測(cè)系統(tǒng)硬件配置及其功能和技術(shù)指標(biāo)

桃山水庫(kù)水情自動(dòng)撥測(cè)系統(tǒng)采用自報(bào)制式，其硬件配置由以下各類(lèi)組成:

3.1 傳感器

系統(tǒng)觀測(cè)項(xiàng)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(shù)指標(biāo)為:

3.1.1 雨量計(jì)

1)信號(hào)方式:雙信號(hào)轉(zhuǎn)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(cè)量誤差:≤±1 mm的概率為95%(以自身排水量為準(zhǔn))。

5)雨量強(qiáng)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(jì)

1)測(cè)量范圍:0～40 m，0～10 m。2)分辨率:1 cm。

3)測(cè)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(bào)式遙測(cè)儀

自報(bào)式遙測(cè)儀是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的最基本的單元設(shè)備，采用的是單向信息輸傳方式。由控制器、調(diào)制器、顯示器、發(fā)射機(jī)、天饋線系統(tǒng)、太陽(yáng)能板與蓄電池組成。遙測(cè)儀在水情參數(shù)變化一個(gè)計(jì)量單位時(shí)，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，編碼發(fā)送給中心。在水文參數(shù)無(wú)變化時(shí)，每間隔5～6 h左右自動(dòng)向中心傳送數(shù)據(jù)，以示其工作狀態(tài)良好，遙測(cè)儀可同時(shí)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(shí)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(yáng)能板。

3.2.1 主要功能

①接入雨量傳感器和水位傳感器，當(dāng)雨量每增加1 mm或水位上漲/下落1 cm時(shí)，向中心發(fā)送一次實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。(發(fā)送水位數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔超過(guò)5 min)。②當(dāng)無(wú)水文參數(shù)變化時(shí)，遙測(cè)儀間隔5～6 h自動(dòng)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(cè)儀內(nèi)部所存貯的雨量、水位數(shù)據(jù)。④備有一串行輸入口，可轉(zhuǎn)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(shí)間有八擋設(shè)置。⑥可任意設(shè)定遙測(cè)站的站號(hào)地址。⑦遙測(cè)儀具有強(qiáng)掉電功能，每次開(kāi)機(jī)上電后約1 s鐘強(qiáng)迫掉電。

3.2.2 技術(shù)指標(biāo)

①調(diào)制解調(diào)器;數(shù)據(jù)傳輸速率:300波特;調(diào)制方式:FSK制式副載頻頻率:采用 CCITT標(biāo)準(zhǔn);傳號(hào):980Hz;空號(hào):1180Hz;②主機(jī)值守電流≤50 μA;整機(jī)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(biāo):發(fā)射機(jī)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(jī)功率:5W 20W;調(diào)制頻偏:3.5 KHz，最大5 KHz;發(fā)射機(jī)建立時(shí)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(hào)線:饋線:50Ω同軸電纜;雨量線:3芯帶屏蔽導(dǎo)線;水位線:16芯帶屏蔽導(dǎo)線;浮充電源線:2芯分色護(hù)套線;⑦蓄電池容量分別為6.5 Ah和13 Ah(大功率);⑧太陽(yáng)能電池板功率為5 W和10 W(大功率);⑨設(shè)備可靠性:平均無(wú)故障時(shí)間:MTBF>5 000 h;⑩環(huán)境條件:溫度:－10℃～+50℃;相對(duì)濕度:≤90%。

3.3 自報(bào)式中繼機(jī)

自報(bào)式中繼機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單，功耗低，可靠性高，可以帶幾個(gè)或十幾個(gè)終端站。中繼站一般那架設(shè)在高山地區(qū)，維護(hù)不大方便，因此要求中繼機(jī)要有很高的可靠性。由于中繼機(jī)采用太陽(yáng)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(shè)計(jì)時(shí)采用低功耗設(shè)計(jì)。

3.3.1 主要功能

①以存儲(chǔ)再生方式實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào);②具有超時(shí)工作時(shí)的強(qiáng)迫掉電功能;③可以方便地由開(kāi)關(guān)設(shè)定服務(wù)范圍、發(fā)射前導(dǎo)時(shí)間等;④能夠進(jìn)行站址識(shí)別，對(duì)于不在服務(wù)范圍的信號(hào)不予轉(zhuǎn)發(fā);⑤具有雙機(jī)熱備份功能，能實(shí)現(xiàn)主備機(jī)自動(dòng)切換;⑥定時(shí)采集電源電壓并發(fā)給中心，以便中心能及時(shí)了解中繼站的電源及工作情況;⑦可以接入雙簧雨量計(jì)兼做雨量站。

3.3.2 技術(shù)指標(biāo)

調(diào)制方式:FSK;傳號(hào):980Hz，空號(hào):1180Hz;傳輸速率:300bit/s;整機(jī)值守功率:≤50mA×12V;發(fā)射機(jī)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(jī)誤上電，采用窄帶濾波器進(jìn)行載波測(cè)試。中心頻率980Hz，帶寬30Hz。平均無(wú)故障工作時(shí)間:MTBF>5 000 h;工作環(huán)境:溫度:－10℃～+55℃;相對(duì)濕度:≤95%。

3.4 前置接收機(jī)

水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)自報(bào)遙測(cè)前置控制通信機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)前置機(jī))是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的中心站的值守機(jī)，即是一個(gè)完整的通信控制機(jī)和預(yù)處理機(jī)。它由通信電臺(tái)、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、天饋線、電源等部分共同組成。它具有實(shí)時(shí)接收、暫存和預(yù)處理測(cè)站原始數(shù)據(jù)、并把這些數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給后臺(tái)微機(jī)的功能。前置機(jī)能長(zhǎng)期連續(xù)工作，具有高可靠、低功耗、實(shí)用、易于維護(hù)的性能。

3.4.1 主要功能

①實(shí)時(shí)接收和暫存各遙測(cè)站、中繼站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)和告警信號(hào)，并注時(shí)標(biāo)。②能對(duì)收回的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理、壓縮、規(guī)類(lèi)、分別存入內(nèi)存保存。能暫存各遙測(cè)站(全系統(tǒng)按50個(gè)站計(jì)算)兩天以上的原始數(shù)據(jù)。③前置機(jī)一般配有兩個(gè)接口，分別用于:A:RS－232串口與后臺(tái)微機(jī)進(jìn)行雙向通信;B:采用標(biāo)準(zhǔn)并行口與打印機(jī)連接。④可利用撥盤(pán)進(jìn)行接收范圍設(shè)置。⑤可配接打印機(jī)，實(shí)時(shí)打印原始數(shù)據(jù)及檢測(cè)各檢測(cè)站工作是否正常。也存貯打印前置機(jī)暫存的原始數(shù)據(jù)。⑥可利用按鍵隨時(shí)顯示、修改、校正時(shí)鐘時(shí)間。⑦可利用按鍵對(duì)存貯的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清零。⑧前置機(jī)在系統(tǒng)中能起到減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)、擴(kuò)大主機(jī)選型范圍、便于系統(tǒng)的軟硬件的開(kāi)發(fā)配置、增加組網(wǎng)靈活性和通信控制管理機(jī)的作用。在交流電源斷電的情況下，用大容量免維護(hù)蓄電池繼續(xù)工作。

3.4.2 技術(shù)指標(biāo)

值守功耗:<70mA(不含電臺(tái));傳輸速率:300bit/s;站號(hào)范圍:0～255;調(diào)制解調(diào)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(shè)備技術(shù)指標(biāo):接收機(jī)靈敏度:<0.5μA(20db，S/N);天饋線阻抗:50Ω;工作環(huán)境:5℃～40℃;平均無(wú)故障工作時(shí)間:MTBF>10 000 h

4 水情遙測(cè)系統(tǒng)軟件及其功能

水情遙測(cè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行在中心站的后臺(tái)機(jī)Microsoft Windows98或NT上，以Microsoft SQL6.5 Server為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，該軟件使用串行端口，可隨時(shí)和定時(shí)到前置機(jī)中讀取各遙測(cè)站發(fā)來(lái)的水情數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)資料的存儲(chǔ)、查詢(xún)、整理、各種人機(jī)界面的顯示和各種圖表的繪制及傳輸和打印，并自動(dòng)向國(guó)家防總規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)水情數(shù)據(jù)。軟件具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯示功能，可以顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概況，同時(shí)，軟件還提供系統(tǒng)設(shè)置功能，使用戶(hù)在合法的權(quán)限內(nèi)能對(duì)遙測(cè)站點(diǎn)的名稱(chēng)、站號(hào)、對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)(雨量、水位等)進(jìn)行設(shè)置和更改。同時(shí)對(duì)每個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)圖形方式的數(shù)據(jù)顯示位置進(jìn)行設(shè)置，以方便系統(tǒng)的使用和擴(kuò)充。遙測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一使用國(guó)家防總《水情自動(dòng)遙測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及其數(shù)據(jù)表格式》中規(guī)定的結(jié)構(gòu)，可以方便地實(shí)現(xiàn)與洪水預(yù)報(bào)軟件連接。

軟件系統(tǒng)具有下列功能:①實(shí)時(shí)接收以聯(lián)機(jī)方式進(jìn)入中心站的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)檢糾錯(cuò)、加注時(shí)標(biāo)后形成暫存文件。②數(shù)據(jù)處理。由中心站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(中心計(jì)算機(jī))完成。主要是對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、檢錯(cuò)、換碼、分類(lèi)、超限判別等一系列處理后，寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。③信息查詢(xún)。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(yùn)行狀況、測(cè)站和系統(tǒng)的特征參數(shù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)、檢索、水情圖表顯示、繪制和打印。④進(jìn)行時(shí)段徑流量測(cè)算。各類(lèi)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(jì)、計(jì)算。⑤編制水文圖表。按照預(yù)定的項(xiàng)目和圖表格式顯示和打印各類(lèi)水文數(shù)據(jù)的日?qǐng)?bào)表，測(cè)站分布圖，指定時(shí)段的雨量分布圖，各類(lèi)水文參數(shù)的過(guò)程線圖等。⑥數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)由水雨情數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和測(cè)站特征參數(shù)、歷史水雨情特征數(shù)據(jù)3類(lèi)數(shù)據(jù)文件組成。⑦和上級(jí)中心站、外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。向有關(guān)部門(mén)傳送水情信息。⑧軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows98和Visual Foxpro 5.0。

5 結(jié)語(yǔ)

桃山水庫(kù)水情遙測(cè)系統(tǒng)工程建成后收到明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳輸流域各站水位、雨量信息和通過(guò)人工置數(shù)的流量，為桃山水庫(kù)入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)計(jì)算提供準(zhǔn)確及時(shí)的雨水情數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度水平，提高水庫(kù)和城市防洪能力，對(duì)水庫(kù)、河道提前預(yù)泄，減少水庫(kù)下泄洪峰流量，減輕庫(kù)區(qū)和下游損失將起到重要作用，對(duì)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(shí)意義。

[1]黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.黑龍江省倭肯河桃山水庫(kù)二期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.

[2]大連理工大學(xué)，國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室.水庫(kù)防洪預(yù)報(bào)調(diào)度方法及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，1996.