水文自動化在中小型水庫安全管理中的應(yīng)用

駱旭佳，王杉杉，徐衛(wèi)紅，張婷

（1.浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江臻善科技有限公司，浙江杭州，310015）

水文自動化在中小型水庫安全管理中的應(yīng)用

駱旭佳1，王杉杉2，徐衛(wèi)紅1，張婷1

（1.浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江臻善科技有限公司，浙江杭州，310015）

庫區(qū)的安全管理工作是水利水電工程管理部門的核心工作。現(xiàn)在，隨著水文自動化技術(shù)的普及，越來越多的管理者引入該項(xiàng)技術(shù)來提升庫區(qū)的安全性。文章論述了水文自動化在中小型水庫庫區(qū)安全管理中的建設(shè)及應(yīng)用情況。

水文自動化；水利水電；安全管理

0 引言

20世紀(jì)70年代，我國就已經(jīng)開展水文自動化相關(guān)技術(shù)的試點(diǎn)研究，目前已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備技術(shù)的自主研發(fā)、生產(chǎn)及相關(guān)技術(shù)的綜合應(yīng)用[1]。但是，由于各水利水電工程的實(shí)際現(xiàn)狀，水文自動化技術(shù)并沒有完全普及使用，特別是一些中小型水庫，遠(yuǎn)沒有完成水文自動化、信息化相關(guān)的建設(shè)。

近年來，受特殊的自然地理環(huán)境、極端天氣以及經(jīng)濟(jì)社會活動等多種因素影響，我國局部地區(qū)洪水、泥石流、滑坡災(zāi)害頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、基礎(chǔ)設(shè)施損毀及生態(tài)環(huán)境破壞。“十二五”期間，全國范圍內(nèi)山洪災(zāi)害的調(diào)查與防治工作得到大力開展，主要是以山區(qū)的雨量監(jiān)測、預(yù)警、疏散等為主，保障影響區(qū)域內(nèi)的人民生命與財(cái)產(chǎn)安全。山洪災(zāi)害工作涉及的區(qū)域，基本上覆蓋了水利水電工程，這也為水文自動化的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。

目前，大部分的水利水電設(shè)施管理中心將管轄范圍內(nèi)的安全管理作為專項(xiàng)工作，貫穿工程建設(shè)的整個生命周期，并延續(xù)到運(yùn)營管理階段。同時，各項(xiàng)技術(shù)手段也趨于成熟，自動化設(shè)備的資費(fèi)趨于平民化。在管理工作中引入水文自動化技術(shù)，可以顯著提高工程及周邊居民的安全性。

1 水文自動化應(yīng)用的目標(biāo)與任務(wù)

在水利水電工程的安全管理中引入水文自動化的設(shè)備與系統(tǒng)，主要目標(biāo)是系統(tǒng)地掌握各個時期、各個重點(diǎn)監(jiān)測位置的水位、流量、流速、雨量、水質(zhì)等信息（其中雨量與水位為最直接信息），合理調(diào)配水資源，充分發(fā)揮水利水電設(shè)施的蓄水、防洪、通航等功能，保障工程設(shè)施自身及庫區(qū)范圍內(nèi)百姓的生命與財(cái)產(chǎn)安全[2]。

為了保證工程庫區(qū)的安全，充分發(fā)揮工程的綜合效益，水文自動化應(yīng)用的主要任務(wù)有：

（1）實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與上報；

（2）實(shí)現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與上報；

（3）實(shí)現(xiàn)水位、雨量等數(shù)據(jù)的存儲與管理；

（4）快速分析水位、雨量的整編，結(jié)合歷史資料進(jìn)行安全分析；

（5）結(jié)合庫容曲線與洪水淹沒線等資料，輔助綜合決策；

（6）實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警功能。

2 水文自動化的優(yōu)勢與創(chuàng)新

相比較傳統(tǒng)的人工操作，水文自動化在中小水庫的安全管理中具有以下優(yōu)勢：

（1）成本低：從目前儀器設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)來說，單站點(diǎn)的建議投入僅為5萬左右，但是可以換來多年的數(shù)據(jù)自動化采集與上報。人員方面可以做到無人值守、少人值班。

（2）安全性高：與傳統(tǒng)的人工巡查數(shù)據(jù)采集方式相比，一方面，現(xiàn)場巡查人員的安全性大大提升，在惡劣天氣下，仍然可以由設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，不需要派駐到現(xiàn)場；另一方面，現(xiàn)場的水位、雨量等信息準(zhǔn)確，進(jìn)一步保障了庫區(qū)設(shè)施的安全。

（3）信息準(zhǔn)確、時效性強(qiáng)：與傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集不同，自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。同時，自動化設(shè)備采用的是實(shí)時上傳（或一定的間隔），可及時了解情況。

相比較于傳統(tǒng)的人工操作，水文自動化在中小水庫的安全管理應(yīng)用中，具有以下創(chuàng)新：

（1）信息化管理：水文自動化不僅僅是數(shù)據(jù)采集的自動化，更多的是配套在后臺的信息系統(tǒng)。通過引入信息化技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，可以快速查詢、統(tǒng)計(jì)、整編。

（2）快速、自動預(yù)警：與傳統(tǒng)的人工巡查預(yù)警相比，水文自動化在安全管理中引入了自動預(yù)警功能，通過信息系統(tǒng)的設(shè)置、自動化設(shè)備的匹配、智能手機(jī)或者配套的高音系統(tǒng)，可以快速對管理員和影響區(qū)域的民眾發(fā)出預(yù)警。

（3）輔助決策：相比早期的人工決策，水文自動化在安全管理的決策工作中，創(chuàng)新性地提供了自動化輔助決策功能。原有的人工決策，需要查閱原來的歷史記錄表來進(jìn)行決策；水文自動化系統(tǒng)可以自動分析歷史數(shù)據(jù)并自動與閾值比對，立刻給出可靠的結(jié)果，供管理人員參考，有助其最終做出正確決定。

3 自動化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備安裝與采集

水文自動化在庫區(qū)范圍安全管理的應(yīng)用中，最常見的是水位自動化與雨量自動化。目前已有較多單位將水位與雨量的監(jiān)測做成了一站式的水文信息遙測站。各遙測站點(diǎn)分布于不同位置，通常無持續(xù)供電設(shè)備，因此，各站點(diǎn)在安裝時一般配有太陽能與蓄電池協(xié)同工作的自給式電源系統(tǒng)，以保障設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行。

適用于自動化監(jiān)測的水位計(jì)主要有浮子式傳感器、振弦式壓力水位計(jì)、雷達(dá)水位計(jì)等，一般根據(jù)工程實(shí)際需要選擇合適的位置進(jìn)行安裝，通常安裝在人工建筑上方或者側(cè)方，如大壩壩體上、引水輸水洞等[3]。水位監(jiān)測站點(diǎn)一般配置有水位計(jì)、支架、數(shù)據(jù)采集器、通訊模塊和電源系統(tǒng)。安裝調(diào)試前，需要測量當(dāng)前安裝位置的水準(zhǔn)高程，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)聯(lián)算。安裝完成后，水位計(jì)將按預(yù)先設(shè)置進(jìn)行自動化采集。

圖1 某水庫出水口站房雷達(dá)水位計(jì)Fig.1 Radar level gauge at outlet of a reservoir

雨量計(jì)一般有虹吸式或者翻斗式。目前，水文自動化遙測中使用最多的是翻斗式雨量計(jì)。雨量監(jiān)測站點(diǎn)一般配置有雨量計(jì)、支架、數(shù)據(jù)采集器、通訊模塊和電源系統(tǒng)。雨量監(jiān)測站點(diǎn)安裝完成后，雨量監(jiān)測設(shè)備將按預(yù)先設(shè)置進(jìn)行自動化采集。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與管理

工程庫區(qū)范圍內(nèi)，各類水文監(jiān)測站通常是離散分布（如壩前的水位監(jiān)測、支流的流量監(jiān)測、山頂?shù)慕涤炅勘O(jiān)測等），而數(shù)據(jù)的存儲與管理一般設(shè)在管理中心。因此，在各站點(diǎn)與中心之間架設(shè)線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲豢扇。话悴捎眠h(yuǎn)程無線傳輸來實(shí)現(xiàn)，特殊情況下人工提取采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖2 某水庫翻斗式雨量計(jì)Fig.2 Tipping-bucket rain gauge of a reservoir

目前無線通信有以下幾種模式：PSTN、超短波、衛(wèi)星（海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星）、移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。高速移動網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)已大面積覆蓋大部分的水文遙測站點(diǎn)，綜合考慮信息傳輸?shù)乃俣取⒎€(wěn)定性、維護(hù)、運(yùn)行費(fèi)用等因素，使用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方案較為經(jīng)濟(jì)可行，不僅傳輸穩(wěn)定，同時費(fèi)用也相對較低。

圖3 水文自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸與使用Fig.3 Data transmission and use in hydrological automation system

通過自動化采集與無線傳輸，遙測站的水位、雨量等信息可以高效、實(shí)時、穩(wěn)定地接入數(shù)據(jù)管理中心服務(wù)器。通過構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和開發(fā)建設(shè)相應(yīng)的信息化管理軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、訪問與共享。

3.3 預(yù)警

預(yù)警功能在整個安全管理中顯得尤為重要。該功能建設(shè)目標(biāo)是在最短的時間內(nèi)發(fā)出最可靠的信息，從而保障決策的正確、及時、有效。

庫區(qū)的水文預(yù)警通?？煞殖蓛深悾阂活愂堑陀谡Ｖ担ㄈ缢坏陀谡Ｖ担沁@一類信息往往不會對工程安全產(chǎn)生危害，主要是影響經(jīng)濟(jì)效益，一般通過郵件方式發(fā)送至相關(guān)管理人員；另一類是超過安全警戒值（如水位超過最大洪水水位、短期雨量接近或超過歷史最高值），這一類信息將會嚴(yán)重危害工程及周邊居民生命安全，一般通過手機(jī)短信即時向管理者直接發(fā)出通知。

在預(yù)警預(yù)報的實(shí)際應(yīng)用中，通常采用設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)與預(yù)測相結(jié)合的方法，并自動調(diào)取歷史資料進(jìn)行分析比對，快速做出最合理的決策，將災(zāi)害程度和影響控制在最小的范圍內(nèi)。管理實(shí)施中，一般情況下往往自動發(fā)送信息至管理者，或自動喚醒庫區(qū)的各項(xiàng)預(yù)警設(shè)施（如警報器等）。緊急情況下，有條件的庫區(qū)將自動控制閘門的啟閉，并自動發(fā)送通知（如高音喇叭等）給影響區(qū)域的民眾，快速組織疏散與撤離。

4 結(jié)語

目前，已建成并投入生產(chǎn)使用的水文遙測站點(diǎn)在大型電站中較為普及，同時在管理中心大多建設(shè)有對應(yīng)的管理信息系統(tǒng)，有利于數(shù)據(jù)的存儲與管理，保證數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性、實(shí)時性，確保各項(xiàng)預(yù)警信息不會因人為因素導(dǎo)致延誤，改變電站防汛工作處于被動局面的工作現(xiàn)狀[4]。甚至在有一些大型電站之間（如天生橋一、二級電站），已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合調(diào)配與數(shù)據(jù)共享，以保障整個流域區(qū)間內(nèi)的安全[5-6]。從建成并投入運(yùn)營的工程看，使用水文自動化的經(jīng)濟(jì)效益顯著，安全管理工作也有了明顯的提升，特別是在汛期的防洪及預(yù)報上，完全改變了傳統(tǒng)的工作方式，在信息的準(zhǔn)確性和及時性上有了質(zhì)的飛躍。

但是，水文自動化在中小型水庫庫區(qū)范圍安全管理工作中的應(yīng)用仍不足，其普及還需要經(jīng)歷一個漫長的建設(shè)過程。近年來，局部區(qū)域的地震、強(qiáng)降雨等極端天氣仍時有發(fā)生，如云南魯?shù)榈卣鹦纬裳呷?，?dǎo)致牛欄江水位急劇抬升，使下游百姓陷入恐慌，福建泰寧連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致發(fā)生泥石流災(zāi)害，使地方工程與百姓遭受了巨大的損失。這些災(zāi)害的發(fā)生與中小型水庫庫區(qū)水文信息的獲取與處理不及時存在較大的關(guān)系，水文自動化建設(shè)的需求更為迫切。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與安全意識的提高，相信未來中小型水庫也將全面建成水文自動化，保障和落實(shí)工程及居民的安全管理。■

[1]陳新國,操文健,卞俊杰.手機(jī)短信在水文測站報汛中的應(yīng)用[J].水利水電快報,2008,29(12)：15-17.

[2]林允泉.廣東省潮州供水樞紐水情測報系統(tǒng)[J].廣西水利水電,2007(4)：50-51.

[3]劉福林,許興權(quán).清河水庫大壩自動監(jiān)測、水文自動測報系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,2010(21)：303.

[4]梁志海,張慶福,孫小軍,等.太平灣電站水情測報自動化系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J].大壩與安全,2009(4)：27-30.

[5]楊應(yīng)舉.水情水調(diào)自動化系統(tǒng)在南盤江流域中的應(yīng)用[C].2004年度全國水電廠學(xué)術(shù)年會暨全國大中型水電廠技術(shù)協(xié)作網(wǎng)成立大會.2004.

[6]包亞軍,毛忠華.天生橋水電站水情自動測報系統(tǒng)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2005,29(4)：59-62.

作者郵箱：luo_xj@ecidi.com

2020年將建立綠色小水電標(biāo)準(zhǔn)體系

據(jù)國際電力網(wǎng)日前，水利部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)綠色小水電發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并提出總體目標(biāo)，到2020年，建立綠色小水電標(biāo)準(zhǔn)體系和管理制度，初步形成綠色小水電發(fā)展的激勵政策，創(chuàng)建一批綠色小水電示范電站。

到2030年，全行業(yè)形成綠色發(fā)展格局，小水電規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)合理，建設(shè)管理規(guī)范有序，調(diào)度運(yùn)行安全高效，綜合利用水平明顯提高，生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施嚴(yán)格落實(shí)，綠色發(fā)展機(jī)制不斷完善，河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能良好，綠色小水電理念深入人心。

小水電是重要的民生水利基礎(chǔ)設(shè)施和清潔可再生能源。黨中央、國務(wù)院歷來高度重視小水電工作，大力支持和推動新農(nóng)村水電電氣化縣建設(shè)、小水電代燃料生態(tài)保護(hù)工程建設(shè)和農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造，已建成的小水電在解決無電缺電地區(qū)人口用電，促進(jìn)江河治理、生態(tài)改善、環(huán)境保護(hù)、地方社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面做出了重要貢獻(xiàn)。與此同時，一些地區(qū)小水電規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和管理等還存在不少薄弱環(huán)節(jié)，以綠色發(fā)展為導(dǎo)向的激勵與約束機(jī)制有待進(jìn)一步建立。

《意見》要求，新建、改造小水電站必須遵循已批準(zhǔn)的區(qū)域空間規(guī)劃、流域綜合規(guī)劃、河流水能資源開發(fā)等規(guī)劃。河流水能資源開發(fā)規(guī)劃要以綠色發(fā)展理念為指導(dǎo)，開展規(guī)劃水資源論證，合理布局小水電項(xiàng)目，與當(dāng)?shù)厮Y源承載能力相適應(yīng)。對國家級自然保護(hù)區(qū)及其他具有特殊保護(hù)價值的地區(qū)，原則上禁止開發(fā)小水電；在部分生態(tài)脆弱地區(qū)和重要生態(tài)保護(hù)區(qū)，嚴(yán)格限制新建小水電；原則上限制建設(shè)以單一發(fā)電為目的的跨流域調(diào)水或長距離引水的小水電。組織開展河流水能資源開發(fā)規(guī)劃回顧性評價或后評價，按照河流功能要求，調(diào)查評估小水電開發(fā)布局、開發(fā)規(guī)模、開發(fā)方式、建設(shè)運(yùn)行等情況，優(yōu)化調(diào)整老舊電站。

水電設(shè)計(jì)、建設(shè)應(yīng)當(dāng)滿足河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，盡可能減少對水文情勢、河流形態(tài)和生物生境等的影響。因地制宜建設(shè)水利風(fēng)景區(qū)、濕地公園、親水平臺等，實(shí)現(xiàn)電站與周邊環(huán)境和諧統(tǒng)一。按照生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，建設(shè)過魚道、魚類增殖放流站等設(shè)施或使用魚類友好的水輪機(jī)。小水電項(xiàng)目的水土保持及環(huán)境保護(hù)措施要與主體工程同時設(shè)計(jì)、同時施工、同時投產(chǎn)使用。庫容較大的水電站初期蓄水時，應(yīng)選擇合理時機(jī)和生態(tài)友好的蓄水方案。

在推進(jìn)綠色小水電的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索智慧小水電，即通過自主研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、新技術(shù)運(yùn)用等形式，消化吸收國內(nèi)外水電建設(shè)新技術(shù)、新工藝和新材料。開展綠色小水電關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，加快科技創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，解決綠色小水電發(fā)展中的工程技術(shù)困難。積極開展成熟適用的綠色小水電技術(shù)示范推廣，研究探索水光、水風(fēng)等互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，按照“互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)服務(wù)”的要求建設(shè)智慧小水電。

此外，水利部強(qiáng)調(diào)嚴(yán)格項(xiàng)目準(zhǔn)入、依法監(jiān)督檢查、強(qiáng)化政策引導(dǎo)、增強(qiáng)公眾參與、加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)等措施來保障意見的實(shí)施。

Safety management of reservoir area is the core work of water conservancy and hydropower project management department.Nowadays,with the popularization of hydrological automation technology,more and more managers have adopted this technology to improve the safety of reservoir area.This paper discusses the construction and application of hydrological automation in safety management of small and medium-sized reservoirs.

hydrological automation;water conservancy project and hydropower station;safety management

TV697.2

A

1671-1092（2017）02-0056-04

2017-02-13；

2017-02-27

駱旭佳（1985-），男，工程師，碩士研究生，主要從事水電信息化建設(shè)工作。

Title:Application of hydrological automation in safety management of small and medium-sized reservoirs//by LUO Xu-jia,WANG Shan-shan,XU Wei-hong and Zhang Ting//Zhejiang Huadong Surveying,Mapping and Geoinformation Co.,Ltd.