基于大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)更新改造

李慶榮，孫志勇，孫 雷

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順113007)

大伙房水庫位于遼河支流渾河中上游，坐落在遼寧省撫順市境內(nèi)，水庫控制流域面積5 437 km2，水庫總庫容22.68億m3，是渾河干流上的控制性骨干工程，壩址距撫順市18 km，距沈陽市68 km。水庫擔(dān)負著沈陽、撫順兩市的防洪安全，以及兩市工業(yè)、城市用水和下游8.6萬hm2農(nóng)田灌溉等任務(wù)，是一座防洪、供水、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程。工程于1954年4月開工，1958年9月竣工。

1 水庫水文測報自動化系統(tǒng)概述

大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)第一批產(chǎn)品是由遼寧省大伙房水庫管理局與中科院沈陽自動化研究所于1986年共同研制，1988年開始投入實際運行的，是我國較早建成應(yīng)用的水文自動測報系統(tǒng)之一。水文測報自動化系統(tǒng)的建立，使大伙房水庫預(yù)報調(diào)度規(guī)劃得以實施，水庫預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)是大伙房水庫提高效益的非工程措施的重要組成部分，為水庫發(fā)揮更大的規(guī)劃效益做出了貢獻。大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)是遼寧省水文測報自動化系統(tǒng)中最早的一代產(chǎn)品，也是沈陽自動化所的首批產(chǎn)品，系統(tǒng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)很多問題，其后沈陽自動化研究所對系統(tǒng)進行了不同程度的更新改進，但是仍然無法從根本上解決所有問題，2005年大伙房水庫管理局結(jié)合水庫除險加固對原系統(tǒng)進行了徹底的改擴建，改擴建工程由南京南瑞集團公司承建，工程于2006年竣工，改造后的系統(tǒng)技術(shù)水平和運行質(zhì)量達到了國內(nèi)先進水平。

2 改造前的系統(tǒng)

2.1 改造前系統(tǒng)概述

大伙房水庫于1988年建成水文自動測報系統(tǒng)。系統(tǒng)覆蓋大伙房以上流域和大伙房～沈陽區(qū)間。測區(qū)內(nèi)設(shè)有遙測雨量站21個，其中水庫以上流域(5 437 km2)14個，大伙房～沈陽區(qū)間(2 482 km2)7個;設(shè)有遙測水文站3個，遙測水位站2個，中繼站4個，中心站1個。在22個遙測雨量站中，有8站通過2級中繼傳輸?shù)街行恼?，?站無中繼傳輸?shù)街行恼?，其它各?級中繼傳輸?shù)街行恼尽?/p>

2.2 系統(tǒng)改造前運行情況

大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)自投入使用以來，基本能正常運行，汛期為水庫調(diào)度提供雨情、水情數(shù)據(jù)，滿足了水庫調(diào)度對水、雨情資料的要求，尤其是1995年水庫上游發(fā)生了1000 a一遇的大洪水，在有線報訊系統(tǒng)全部中斷運行的情況下，水情測報自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行，及時準(zhǔn)確提供雨情、水情數(shù)據(jù)，為入庫洪水預(yù)報及水庫洪水調(diào)度提供了唯一可靠的數(shù)據(jù)來源，從而使水庫能夠準(zhǔn)確預(yù)報、科學(xué)調(diào)度，戰(zhàn)勝了這次大洪水。

2.3 系統(tǒng)改造前設(shè)備老化及損壞情況

大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)經(jīng)過10幾年的運行，系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)了不同程度的老化和損壞，系統(tǒng)的維修量越來越大，每年汛期運行3個月，平均外出維修次數(shù)達30次。設(shè)備的主要問題包括:水位筒設(shè)備老化，致使穩(wěn)水效果不佳;雨量站由于長期在野外風(fēng)吹雨淋，致使部分雨量筒腐蝕嚴重;集雨漏斗、翻斗等部件發(fā)生嚴重損壞;中繼站遭雷擊使蓄電池、電臺部分損壞;系統(tǒng)設(shè)備的老化及損壞加大了管理人員的維修量，也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確率明顯降低。

2.4 改造前系統(tǒng)在運行管理中存在的問題

大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)較早，投入運行時間較長，系統(tǒng)老化，系統(tǒng)誤差較大，例如，“95.7”洪水自動測報雨量較人工值偏大8%，“01.8”洪水自動測報雨量較人工值偏大12.2%，2002年汛期幾場大雨自動測報雨量較人工值平均偏大11.4%，造成這種系統(tǒng)誤差的原因:①自動測報的雨量筒與人工站的雨量筒安放高程不一致，自動測報雨量筒一般位置較高;②系統(tǒng)老化及其帶來的一系列問題，其中主要問題如下:遙測雨量站密度不夠;部分測站及中繼站信道不好;缺少入庫水文站和水庫總出庫站等。此外還存在設(shè)備工藝差，穩(wěn)定性低，抗干擾能力弱，中繼站防雷、防盜措施跟不上等問題。

3 改造后的系統(tǒng)

針對原系統(tǒng)存在的問題，2005年大伙房水庫對水文測報自動化系統(tǒng)進行了徹底的改造，采用招投標(biāo)的方式，由南京南瑞集團公司承擔(dān)完成大伙房水庫水文測報自動化系統(tǒng)改造，對系統(tǒng)測區(qū)內(nèi)進行了加密降雨測站和增加輔助信道，極大地提高了測報系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.1 改造后系統(tǒng)概述

改造后的大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)(以下簡稱新系統(tǒng))由34個遙測站、5個中繼站和1個大伙房水庫調(diào)度中心站構(gòu)成。

測報系統(tǒng)的通信以大伙房水庫為中心，設(shè)西鐮刀灣(448.0 m)，三塊石山頂(1 073.8 m)，煙筒山(814.6 m)、北大嶺(555.9 m)、西大頂(745.9 m)5個中繼站，遙測站含25個雨量站、6個水文站和3個水位站。新系統(tǒng)測站情況見表1，新系統(tǒng)測站分布見圖1

表1 大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)測站匯總表

圖1 大伙房水庫水文自動測報站分布

3.2 新系統(tǒng)組網(wǎng)方式

本系統(tǒng)遙測通信網(wǎng)信道為VHF/GSM/衛(wèi)星3種通訊方式的混合信道組網(wǎng)方案。根據(jù)各遙測站現(xiàn)場環(huán)境，綜合考慮VHF、GSM、衛(wèi)星信道3種通信方式的特點，進行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)采用230 MHz頻段(水文專用頻段)的超短波為主通信信道，公網(wǎng)GSM短信為輔助信道，2005年時其中4處(于家堡、樹基溝、南章黨、占貝)衛(wèi)星信道為輔信道，1處(熬牛)單衛(wèi)星信道。2006年修改為4處(四道河、樹基溝、南章黨、占貝)衛(wèi)星信道為輔信道，熬牛站為GSM主信道，衛(wèi)星信道為輔信道雙信道方式。將小寨雨量站的傳輸路徑改為小寨－三塊石中繼站－水庫中心站。新系統(tǒng)組網(wǎng)見圖2。

圖2 大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)改造后通信組網(wǎng)圖

3.3 新系統(tǒng)運行情況

新系統(tǒng)2005年開始建設(shè)，2006年正式投入運行，經(jīng)過2006年、2007年兩個汛期的運行，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維修量少。2006年汛期共發(fā)生4場較大降雨，系統(tǒng)暢通率達到99%，自動化與人工觀測雨量總平均誤差1.41%，總體精度達到98%。2007年系統(tǒng)暢通率達到99.8%，自動化與人工觀測雨量總平均誤差3%，總體精度達到97%，能夠滿足水庫預(yù)報調(diào)度的要求。

3.4 新系統(tǒng)的技術(shù)特點及技術(shù)創(chuàng)新

目前的大伙房水庫水文遙測系統(tǒng)具有以下特點和創(chuàng)新之處:

1)在組網(wǎng)方式上，采用VHF單頻組網(wǎng)、VHF與GSM/北斗衛(wèi)星混合組網(wǎng)及雙備份組網(wǎng)相結(jié)合的集中組合方式，體現(xiàn)了經(jīng)濟性、安全性及先進性的有機統(tǒng)一，符合國內(nèi)外通信組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2)在通信技術(shù)應(yīng)用方面，采用信號加密和數(shù)字編碼識別技術(shù)，并設(shè)計成中心站接收后確認方式，顯著提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，在通信頻段內(nèi)降低了對背景噪聲的要求和接收設(shè)備的門限電平，此項技術(shù)在國內(nèi)水文遙測系統(tǒng)的通信中處于領(lǐng)先水平。

3)在抗雷擊技術(shù)應(yīng)用方面，采用法拉第等電位原理設(shè)計的等電位屏蔽筒(法拉第筒)，通過實際應(yīng)用，此項技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)大大提高了測站抗雷擊能力，法拉第筒抗雷擊技術(shù)所具有的成本低、安全可靠的優(yōu)點居國內(nèi)外領(lǐng)先水平。

4)在數(shù)據(jù)遠程召測方面，系統(tǒng)設(shè)計了中心站對測站設(shè)備參數(shù)的遠程召測功能，在數(shù)據(jù)補測方面，利用備用信道設(shè)計了補取數(shù)據(jù)功能，可以由中心站發(fā)出指令，要求哪一個測站向中心站即時發(fā)回數(shù)據(jù)，中心站根據(jù)時標(biāo)，要求測站發(fā)回哪一時段的數(shù)據(jù)，也可以是整個汛期的數(shù)據(jù)，遠程召測和補取數(shù)據(jù)技術(shù)解決了水文遙測系統(tǒng)工程中因漏測數(shù)據(jù)而影響后續(xù)的洪水預(yù)報作業(yè)和制定調(diào)度方案問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.5 新系統(tǒng)在運行中存在的主要問題

通過兩個汛期的運行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還存在以下問題:

1)個別站點超短波(VHF)信道還是不太暢通，經(jīng)常啟用備用信道，由于目前公網(wǎng)GSM信道和北斗衛(wèi)星信道比較可靠，所以不會造成測站信號的丟失。

2)個別雨量測站來大數(shù)問題，目前還沒有解決。

3)中心站屢次出現(xiàn)死機現(xiàn)象，這可能與應(yīng)用軟件系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置有關(guān)，目前還未徹底解決。

4 結(jié)語

隨著科技水平不斷的發(fā)展，水文自動測報系統(tǒng)在水庫管理中的作用越來越突出，它可以使水庫調(diào)度人員及決策部門在第一時間內(nèi)掌握水雨情，在防洪減災(zāi)及提高水庫效益方面發(fā)揮重要作用。我國自1978年開始進行水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)的試點工作，到20世紀(jì)80年代末的10余年間，全國共建成各類系統(tǒng)約50個，而到1999年4月，全國已建和在建的水文自動測報系統(tǒng)達482處，但20世紀(jì)90年代中期以前修建的水文自動測報系統(tǒng)受當(dāng)時技術(shù)條件和工藝水平的影響，現(xiàn)在急需更新改造，希望大伙房水庫水文自動測報系統(tǒng)的更新改造的經(jīng)驗?zāi)芙o其他系統(tǒng)的改造提供借鑒，以使水文自動測報系統(tǒng)在水庫管理中發(fā)揮更大的作用。

［1］ 水情自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 SL61－2003［S］.水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

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