水庫水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計中需關(guān)注的問題

王玉華，趙 溦

（1.水利部水文局，北京 100053；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國水文自動測報技術(shù)的開發(fā)和研制始于20世紀(jì) 70年代中期，在過去30余 a 的發(fā)展歷程中，水文自動測報系統(tǒng)的技術(shù)和建設(shè)取得了巨大進(jìn)步，進(jìn)入21世紀(jì)以來，水文自動測報系統(tǒng)擴(kuò)展了功能和服務(wù)范圍，傳感器和通信技術(shù)得到進(jìn)一步提升，遙測信息通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快速傳輸和共享。在不同的歷史時期，所建系統(tǒng)快速采集數(shù)據(jù)，為防汛和水利工程調(diào)度提供了決策依據(jù)，發(fā)揮了重要作用，取得了明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。但是，在技術(shù)、設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)行管理等方面都還存在一些問題，有必要深入、全面進(jìn)行總結(jié)。隨著水利信息化的發(fā)展和要求，水文自動測報系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)成為水利水電工程設(shè)計和建設(shè)的組成部分。

DL/T5020-93《水利水電工程可行性研究報告編制規(guī)程》[1]和 DL/T5021-93《水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程》[2]明確要求，在水利水電工程可行性研究階段需編制水庫工程水文自動測報系統(tǒng)規(guī)劃，初步設(shè)計階段編制水庫水文自動測報系統(tǒng)總體設(shè)計。為了滿足設(shè)計深度要求，《水利水電工程水文自動初步系統(tǒng)設(shè)計手冊》[3]對水庫工程水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計提出了技術(shù)要求。

但查閱近年來水庫水文自動測報系統(tǒng)的設(shè)計報告，發(fā)現(xiàn)有些報告存在深度不夠的問題，因此在水庫工程水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計工作中，還有許多問題需要關(guān)注和明確。

1 項目區(qū)基礎(chǔ)條件的明確

在設(shè)計報告的編制過程中，應(yīng)明確項目區(qū)的基礎(chǔ)條件，主要是工程所在地的基本情況，包括以下內(nèi)容：

1）地理條件。包括工程區(qū)位置、流域形狀、海拔高程、流域的干支流分布、植被情況等。

2）氣象條件。包括降水量和降水成因，暴雨的發(fā)生時期，最大降水量的統(tǒng)計值，蒸發(fā)量統(tǒng)計值，氣溫年內(nèi)分布，連續(xù)陰雨天數(shù)，光照條件等。

3）現(xiàn)有水文站網(wǎng)內(nèi)水文站、水位站和雨量站的分布。需要明確現(xiàn)有水文站觀測斷面和主要特征，斷面形態(tài)和水沙條件，最高水位、最大流量、含沙量。

4）流域內(nèi)工程的基本情況。需明確水庫分布、規(guī)模，蓄水總量，總集水面積，水庫工程的防洪要求，調(diào)度對預(yù)報的要求等。

5）工程區(qū)及附近現(xiàn)有測報系統(tǒng)情況。包括站點布置，通信方式，中心站位置，以及上級信息網(wǎng)絡(luò)條件和信息交換等要求。

6）信息傳輸通信條件。包括公共移動通信網(wǎng)覆蓋情況，以及公共移動通信網(wǎng)未覆蓋區(qū)域可采用的通信方式。

2 系統(tǒng)管理機(jī)制體制的明確

水庫一般由現(xiàn)地管理單位和上級管理部門共同管理。大部分水庫的任務(wù)主要是防洪，有些則兼顧農(nóng)田灌溉和城鎮(zhèn)供水等。測報系統(tǒng)設(shè)計時需考慮水庫本身及下游防洪保護(hù)對象需求，還要完成供水和灌溉渠道或管道的引水及分水量監(jiān)測計量。相關(guān)管理部門可能包括防汛、灌渠和城鎮(zhèn)供水管理等部門，需分清層次和管理范圍，還要注意系統(tǒng)之間的銜接問題。如四川省小井溝水庫水文測報系統(tǒng)設(shè)計，水庫管理機(jī)構(gòu)設(shè)在自貢市，在自貢市設(shè)1個管理中心，在壩區(qū)設(shè)1個分中心，由于系統(tǒng)涉及水庫工程和灌區(qū)管理，遙測站有防洪調(diào)度需要的水位站和雨量站，還有灌區(qū)管理的渠道水位站。

如果有幾個不同的分中心，且與上級部門有通信和功能需求，應(yīng)明確信息流程，并估算信息量和帶寬要求，如視頻和控制信息的帶寬及保證率要求高，數(shù)據(jù)處理存儲上應(yīng)考慮數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)庫的布置。通信設(shè)備如果存在問題，需提出解決方案，配置相應(yīng)設(shè)備。

3 系統(tǒng)建設(shè)方案設(shè)計時需關(guān)注的問題

3.1 根據(jù)需求確定系統(tǒng)任務(wù)和規(guī)模

水庫工程任務(wù)不同，對水文自動測報系統(tǒng)的要求也不同。一般情況下，為大中型水庫防洪調(diào)度服務(wù)的水文自動測報系統(tǒng)建設(shè)是不可少的。防洪為主的工程對水文預(yù)報的精度和預(yù)見期更為關(guān)注，要有針對性地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

系統(tǒng)任務(wù)根據(jù)水庫任務(wù)制定，以防洪為主的水庫，系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)為防汛調(diào)度服務(wù)；兼有灌溉、供水任務(wù)的水庫，系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)包括輸水及分水水量的自動計量，并建設(shè)灌區(qū)管理系統(tǒng)等。

系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模包括遙測站和中心站的數(shù)量，以及土建工程量、設(shè)備軟件配置數(shù)量。

3.2 合理確定遙測站布置

水庫自動測報系統(tǒng)的遙測站一般包括：雨量站、水位站、流量站。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能、流域暴雨洪水特性、現(xiàn)有測站分布情況及交通環(huán)境條件，進(jìn)行站網(wǎng)布設(shè)。站網(wǎng)布設(shè)應(yīng)遵循以下基本原則：

1）遙測站網(wǎng)應(yīng)滿足洪水預(yù)報的要求，并充分考慮工程施工期洪水預(yù)報特點和運(yùn)行期洪水預(yù)報調(diào)度的要求；

2）水文站均應(yīng)兼測雨量；

3）雨量站密度可參照 DL34-92《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》[4]的規(guī)定，站點要求分布均勻，在集水面積較小，流域降水量分布不均的情況下應(yīng)加密站點布設(shè)；

4）重要河段，應(yīng)有水文、水位站控制；

5）測站盡可能設(shè)在交通、生活便利的地方，便于建設(shè)和維護(hù)管理。

四川省小井溝水庫集水面積587km2，雨量站密度為73km2/站，由于上游沒有布置水文站，采用設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水的方法，因此為滿足測報精度需要加密布置雨量站；遼寧省石佛寺水庫集水面積164786km2，由于遼寧省境內(nèi)支流有4座大型水庫，部分水庫已經(jīng)建有測報系統(tǒng)，站網(wǎng)布設(shè)時考慮水庫出庫、現(xiàn)狀主要水文站和區(qū)間雨量監(jiān)測，安排了28個遙測站，其中非控區(qū)間的雨量站密度按300km2/站控制。

3.3 合理確定遙測站設(shè)備配置

遙測站雨量、水位、流量監(jiān)測設(shè)備要考慮使用條件，根據(jù)可行的測驗方式配置相應(yīng)設(shè)備。

雨量站的自記雨量計一般采用翻斗式雨量計，根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度選擇分辨力，一般選擇 0.5或1.0mm。如小井溝水庫考慮防洪兼顧灌溉，雨量計分辨力采用 0.5mm；石佛寺水庫是防洪工程，關(guān)注大暴雨和特大暴雨，雨量計分辨力采用 1.0mm。

水位觀測有浮子式、壓力式、非接觸超聲波或光電方式，與斷面形態(tài)、水位變化、基礎(chǔ)條件、泥沙和河床穩(wěn)定性相關(guān)，北方地區(qū)還要考慮結(jié)冰影響等因素，具體問題需具體處理。

水庫壩上水位站以浮子式方式最為常見，水位井的建設(shè)一般需結(jié)合大壩主體工程設(shè)計和施工。量程為水庫死水位至防洪高水位。

明渠流量可采用在線多普勒剖面流速儀自動觀測，管道供水采用管道流量計測量。

3.4 比選確定通信方式

水情遙測系統(tǒng)常用的通信方式有超短波，PSTN，GSM（GPRS），衛(wèi)星通信等，通信方式的比選是十分重要的，要考慮信息的重要性和實效性。防洪的重要信息是上游的洪水流量、特大暴雨的信息，一般發(fā)生在惡劣天氣，一般的站可采用超短波、GSM（GPRS）等通信方式，特別重要的站考慮衛(wèi)星通信。

近年來大量的遙測雨量站使用公共移動通信GSM 或 GPRS，在部分省區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)通訊塔斷電等造成區(qū)片降雨信息無法及時傳輸?shù)膯栴}；在發(fā)生地震、泥石流等災(zāi)害時，由于移動通信中斷，降水信息無法傳送等情況，選擇通信方式時應(yīng)引起重視，必要時應(yīng)增加備用通道。

例如石佛寺水庫樞紐一期工程水情自動測報系統(tǒng)為在惡劣環(huán)境條件下能滿足通信要求，對信息的時效性要求很高，采用超短波結(jié)合衛(wèi)星通信的方式，保證遙測信息的傳輸；小井溝水庫測報系統(tǒng)庫區(qū)以防洪保壩為目標(biāo)，遙測雨量站和水位站信息傳輸采用衛(wèi)星通信，灌區(qū)的計量時效性和緊迫性不高，水位信息傳輸采用 GSM 信道傳輸。

3.5 合理確定遙測站和中心站的用電負(fù)荷

遙測站大多采用太陽能浮充電池供電，需要考慮項目區(qū)光照和最大連續(xù)陰雨天時間。考慮地區(qū)差別，不宜套用其他地區(qū)的設(shè)計結(jié)論。如貴州等地連續(xù)陰雨天可能持續(xù) 20～30d，北方干燥地區(qū)則很少有超過10d 的，因此需了解當(dāng)?shù)氐倪B續(xù)陰雨天的長度，考慮用電功耗，合理確定太陽能蓄電池的功率、容量。

系統(tǒng)較大的中心站，如具有測報樓、防汛會商、大屏幕顯示、會議設(shè)備等，應(yīng)測算供電負(fù)荷要求。

3.6 分析設(shè)備配置性價

系統(tǒng)設(shè)計時比較突出的問題是只求先進(jìn)和高檔，不計成本，尤其是中心站計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、大屏幕、會商設(shè)備等。如某水庫灌區(qū)項目，每個閘門都設(shè)計多普勒流量計，中心的顯示屏尺寸超過會商室可視區(qū)域，這樣會造成較大浪費(fèi)。因此在設(shè)計時，要求總體功能和系統(tǒng)的先進(jìn)性，而不是單件設(shè)備的高檔。如服務(wù)器要根據(jù)任務(wù)提出功能要求，有一定冗余，顯示屏滿足基本要求等。

流量、水位等觀測設(shè)備的選型要進(jìn)行性價分析，以滿足系統(tǒng)功能要求，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，選擇經(jīng)濟(jì)實用、安全可靠、便于維護(hù)的產(chǎn)品。在多沙河流不能使用聲學(xué)多普勒剖面流速儀（ADCP），在游蕩性河道不宜采用浮子式水位計觀測。在實際設(shè)計報告中，不考慮使用條件，照搬其他測報系統(tǒng)的情況并不鮮見，為此在相關(guān)設(shè)計時要盡量避免產(chǎn)生這種情況。

3.7 提出有針對性的洪水預(yù)報方案

水庫洪水預(yù)報成果的質(zhì)量直接影響水庫的安全和調(diào)度質(zhì)量，因此水庫入庫洪水預(yù)報方案的制定是十分重要的。預(yù)報方案要考慮水庫集水區(qū)域的下墊面條件和暴雨特點，考慮上游水利工程的影響，有針對性的開展研究，選擇適合本地特點的預(yù)報模型。

有些水庫雖然提出了預(yù)報的基本原則和方法，但沒有深入研究預(yù)報的控制斷面、預(yù)見期和精度要求。如小井溝水文自動測報系統(tǒng)，設(shè)計報告中預(yù)報和調(diào)度方案只做了簡單描述，對預(yù)報方案的制定及軟件的功能要求不明確，工程量及費(fèi)用測算也沒有體現(xiàn)。這樣的預(yù)極方案顯然不是很完善，還要進(jìn)一步深化。

4 結(jié)語

水庫水文自動測報系統(tǒng)的設(shè)計是系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù)，在水庫工程的前期工作中需要不斷加強(qiáng)。目前，部分設(shè)計院的設(shè)計人員缺乏水文基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計經(jīng)驗，對水文測報系統(tǒng)的設(shè)計沒有深刻認(rèn)識，這樣容易造成設(shè)計報告沒有針對性，設(shè)計深度不能滿足相應(yīng)要求。因此，要求設(shè)計人員要了解水庫工程的任務(wù)和需求，掌握水文遙測和通信技術(shù)的發(fā)展情況，考慮當(dāng)?shù)氐臍庀?、水文、地理、交通、供電、通信等基礎(chǔ)條件，提出針對水庫工程特點的設(shè)計方案。

[1] 中華人民共和國電力工業(yè)部和水利部.DL/T5020-93水利水電工程可行性研究報告編制規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1993: 6

[2] 中華人民共和國電力工業(yè)部和水利部.DL/T5021-93水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1993: 7

[3] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司.水利水電工程水文自動測報系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2008: 1-6.

[4] 中華人民共和國水利部.SL34-92水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國水利水電出版社，1992: 10.