革什扎河流域水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)

余 俊 良, 梁 貴 占， 楊 軍

(1. 四川革什扎水電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626302；2. 南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211100)

1 概 述

革什扎河位于甘孜州丹巴縣境內(nèi)，是大渡河上游右岸的一級支流，起源于金川縣境內(nèi)的赫樸倫溝，干流全長94.4 km，全流域集水面積2 533 km2，平均坡降為31‰。

流域內(nèi)群山屹立，河谷深切，分水嶺高程一般在4 500 m左右，為典型的高山峽谷地貌，氣候的主要特點是：雨熱同季，降雨集中，干濕季分明；氣溫日較差大，年變幅??；日照、光輻射充足，干季多大風(fēng)。流域多年平均氣溫 14.3℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為39 ℃、-10.6 ℃；多年平均年降水量為593.8 mm，歷年一日最大降水量43.4 mm。革什扎河流域內(nèi)洪水主要由大雨形成，大雨出現(xiàn)的時間與洪水出現(xiàn)的時間前后大致相應(yīng)。革什扎河年最大洪峰流量發(fā)生在5～9月，其中6、7月份最多，占全年的73.3%，年最大洪峰最早出現(xiàn)在5月初，最晚出現(xiàn)在9月底，單、雙峰洪水出現(xiàn)的次數(shù)大致相當(dāng)，單峰型洪水略多。年最大洪水歷時10 d左右，最長超過15 d，起漲約1～3 d。

經(jīng)四川省發(fā)改委批準(zhǔn)，革什扎河流域按“一庫四級”規(guī)劃水電站，規(guī)劃河段為丹東～河口段，全長64 km，天然落差1 434 m，平均比降22.4‰。規(guī)劃電站從上至下分別為：兩河口電站(82 MW)、二瓦槽電站(90 MW)、大桑電站(52 MW)、吉牛電站(240 MW)，總裝機(jī)容量46.4萬kW；現(xiàn)吉牛水電站已建成投產(chǎn)，上三級電站處于項目核準(zhǔn)階段。

2 測報系統(tǒng)建設(shè)的必要性

革什扎河流域內(nèi)除吉牛水電站減水河段的布科水文站(吉牛水電站發(fā)電后該站將喪失觀測功能)及邊耳雨量站外，基本無水情測報網(wǎng)站點；同時，流域內(nèi)高山深壑，人煙稀少，人工測報方式在通信可靠性、實時性等方面保障率低。因此，為滿足電站施工期和運行期水情雨情信息預(yù)報要求，必須建立革什扎河流域水情自動測報系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的組成

3.1 功能要求

革什扎河水情自動測報系統(tǒng)的主要功能為實現(xiàn)雨、水情數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、處理、存儲；完成短、中、長期洪水預(yù)報作業(yè)；在惡劣天氣條件下，不中斷預(yù)報作業(yè)。

3.2 系統(tǒng)規(guī)劃

為實現(xiàn)全流域水情測報覆蓋，根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》并結(jié)合革什扎河梯級電站規(guī)劃，革什扎河水情自動測報系統(tǒng)共規(guī)劃了1個中心站、16個遙測站(1個水文站、5個水位站、10個雨量站)。其中雨量站、水位站、水文站為遙測站，通過北斗衛(wèi)星通信和GSM通信主備信道方式將采集到的雨、水情信息傳輸給中心站；中心站位于吉牛水電站廠房，負(fù)責(zé)信息接收、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布等工作。

3.3 遙測站

3.3.1 組 成

遙測站由通訊、傳感、供電、收集等設(shè)備構(gòu)成。其中通信采用GPRS/GSM通信模塊與北斗衛(wèi)星雙信道；數(shù)據(jù)采集器為南瑞生產(chǎn)的ACS300-MM；水位計的設(shè)置在壩址處為浮子水位計、廠址處為壓阻式水位計；雨量收集采用翻斗式雨量計；供電設(shè)備為太陽能板、充電模板及蓄電池。

遙測站組成情況見圖1。

圖1 遙測站組成示意圖

3.3.2 功 能

遙測站建成后經(jīng)過實踐，不僅發(fā)揮了自動、實時采集數(shù)據(jù)和傳送信息的作用，同時還具備了在環(huán)境溫度-30℃～45℃及相對濕度小于95%的條件下能正常工作、完成全部水情數(shù)據(jù)收集和處理報送作業(yè)的時間不超過10 min、太陽能電池陰雨天連續(xù)45 d正常供電、超時發(fā)送時強(qiáng)制掉電、自檢和低壓報警與錯誤指示等功能。

3.4 中心站

3.4.1 組 成

中心站由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。

(1)硬件系統(tǒng)。

集群服務(wù)器： 2臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(HP DL580 G7)； 1臺磁盤陣列(HP StorageWorks P2000 G3)。

通訊服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器： 各1臺(HP DL388 G8)。

內(nèi)網(wǎng)工作站及外網(wǎng)工作站：內(nèi)網(wǎng)3臺、外網(wǎng)1臺(HP Pro 3330MT)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置：2臺內(nèi)外網(wǎng)交換機(jī)、正向物理隔離裝置和反向物理隔離裝置各1臺，路由器、防火墻各2臺。

系統(tǒng)支撐設(shè)施：不間斷電源(UPS)、KVM及機(jī)柜。

(2)軟件系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)是整個水情自動測報系統(tǒng)的核心，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分。

①操作系統(tǒng)軟件。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Windows 2008企業(yè)版操作系統(tǒng)，其它服務(wù)器采用Windows 2008 標(biāo)準(zhǔn)版操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQLServer2008標(biāo)準(zhǔn)版。

②應(yīng)用軟件主要采用南瑞水情水調(diào)自動化系統(tǒng)WDS9002，主要包括數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)、實時監(jiān)視子系統(tǒng)、顯示打印子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)裝載備份子系統(tǒng)、圖形子系統(tǒng)、報表子系統(tǒng)、技術(shù)支持子系統(tǒng)、統(tǒng)計分析子系統(tǒng)、擴(kuò)展子系統(tǒng)、WEB瀏覽子系統(tǒng)、正/反向隔離傳輸軟件、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、短信平臺軟件、水務(wù)計算軟件、短期水文預(yù)報軟件、中期水文預(yù)報軟件、長期水文預(yù)報軟件等。

中心站組成情況見圖2。

圖2 中心站組成示意圖

3.4.2 功 能

革什扎河自動測報系統(tǒng)中心站主要通過軟件系統(tǒng)實現(xiàn)水情預(yù)報的功能，其中數(shù)據(jù)采集、處理及發(fā)布系統(tǒng)是核心，同時通過正反向隔離系統(tǒng)實現(xiàn)安全功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用RTU采集平臺收集數(shù)據(jù)。RTU采集平臺可獨立運行并通過單進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)(多個線程間可以實現(xiàn)故障隔離)控制不同的串行端口(通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò))，支持多種通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要采用跨平臺的計算調(diào)度程序讀取數(shù)據(jù)并根據(jù)擬定的配置策略進(jìn)行相應(yīng)的定時計算，生成相應(yīng)的調(diào)度日志，通過對采集到的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行時段(含5分鐘、小時、日、旬、月、年)整編。在數(shù)據(jù)處理方面實現(xiàn)了能夠處理瞬間模擬量和累計模擬量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理后能計算并生成的小時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)、旬?dāng)?shù)據(jù)、月數(shù)據(jù)及時間點數(shù)據(jù)；能對延時到達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動重算；對于連續(xù)性越限和上下限越限的實時數(shù)據(jù)，在進(jìn)行時段計算時自動數(shù)據(jù)篩選等多功能。

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信軟件實現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)主要具有以下功能：數(shù)據(jù)定時上傳功能；數(shù)據(jù)自動補(bǔ)傳功能；數(shù)據(jù)手動補(bǔ)傳功能；數(shù)據(jù)接收功能；支持冗余通信服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)中斷恢復(fù)后自動重連機(jī)制；實現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性；運行日志及報警功能。

正反向隔離中正向型單比特版用于安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ到安全區(qū)III的單向數(shù)據(jù)傳遞，反向型單比特板用于安全Ⅲ區(qū)到安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ的單向數(shù)據(jù)傳遞；正反向隔離程序保證了數(shù)據(jù)的完整性、實時性、正確性、安全性等相關(guān)功能，做到了數(shù)據(jù)具有隔離的功能，互不影響。

4 水情測報方案

革什扎河流域水情測報主要通過已建立的水文預(yù)報作業(yè)平臺，為短期水文預(yù)報和中長期水文預(yù)報提供作業(yè)手段。其基本功能是依據(jù)實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)的實時水、雨情數(shù)據(jù)和預(yù)報方案，實現(xiàn)各項預(yù)報要素的制作和發(fā)布。

革什扎河流域水情測報主要分為短期水文預(yù)報和中、長期水文預(yù)報。

4.1 短期水文預(yù)報

革什扎河短期水文預(yù)報主要包括降雨徑流預(yù)報和河道流量預(yù)報。主要提供1 h、3 h、6 h、12 h預(yù)見期的洪峰及水位、流量過程，并提供24 h、48 h、72 h的平均流量，3～7 d水情趨勢預(yù)測。

短期水文預(yù)報根據(jù)流域水系分布、測站以及電站的布設(shè)情況，將預(yù)報區(qū)域劃分為幾塊，塊內(nèi)再考慮降雨分布的不均勻性劃分為若干單元預(yù)報。每個單元徑流模型做產(chǎn)流計算，應(yīng)用河道匯流模型做匯流計算，并根據(jù)歷史水文資料對預(yù)報結(jié)果進(jìn)行論證修正。塊內(nèi)預(yù)報流程見圖3，日徑流預(yù)報流程見圖4。

4.2 中期水文預(yù)報

革什扎河流域中期水文預(yù)報項目包括2～3 d的水位流量預(yù)報，3～7 d水情趨勢預(yù)測，制作預(yù)報方案以及庫區(qū)壩址以上來水量的預(yù)測。考慮到日徑流預(yù)報要求結(jié)合天氣預(yù)報進(jìn)行，故未來降雨對流域來水的大小起到至關(guān)重要的作用，因此，革什扎河日徑流預(yù)報擬采用能接入氣象降雨信息的概念性水文模型進(jìn)行，選用新安江日徑流預(yù)報模型與數(shù)字流域相結(jié)合進(jìn)行日徑流預(yù)報。

圖3 短期塊內(nèi)預(yù)報流程圖

圖4 日徑流預(yù)報流程示意圖

4.3 長期水文預(yù)報

革什扎河流域長期水文預(yù)報主要對未來的水情以月或旬為時段對重要斷面或水庫入庫來水過程進(jìn)行預(yù)測，為長期發(fā)電計劃提供入庫來水依據(jù)。革什扎河長期水文預(yù)報的技術(shù)途徑為水文學(xué)與氣象學(xué)、數(shù)學(xué)之間的結(jié)合，即采取系統(tǒng)分析法加氣象預(yù)報的方法。系統(tǒng)分析法主要以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、門限多元回歸及支持向量機(jī)等單一預(yù)報模型為基礎(chǔ)，再通過最優(yōu)組合確定模型權(quán)重，完成中長期水文預(yù)報并保證其精度。

5 結(jié) 語

革什扎河流域水情自動測報系統(tǒng)現(xiàn)已建成，并基于計算機(jī)控制具備了水情數(shù)據(jù)自動分析、采集、處理、傳輸?shù)臈l件；達(dá)到了及時為革什扎河梯級電站施工以及電廠運行防汛、調(diào)度優(yōu)化提供準(zhǔn)確水情信息的功能；同時，也即將為革什扎河建設(shè)公司在工程施工，綜合、科學(xué)利用水資源，解決發(fā)電與防洪矛盾，實現(xiàn)全流域聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度、增加綜合效益等方面的相關(guān)事項決策過程中提供重要依據(jù)。