水情測報系統(tǒng)在高海拔山區(qū)河流流域的應(yīng)用

李榮　張浩

摘 要：田灣河流域梯級水電站原水情自動測報系統(tǒng)于2007年建成并投入使用，2017年對系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造。本文從設(shè)備性能、設(shè)備先進(jìn)性和適應(yīng)環(huán)境能力等方面分析闡述，選取了適應(yīng)本流域高海拔山區(qū)氣象水文特性的系統(tǒng)設(shè)備。

關(guān)鍵詞：田灣河流域；水情測報系統(tǒng)；設(shè)備選型分析

中圖分類號：P332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 流域概況

1.1 流域概況

田灣河流域位于四川盆地西緣山地，為大渡河右岸的一級支流，發(fā)源于貢嘎山西側(cè)，主源磨西溝與最大支流環(huán)河均位于康定縣境內(nèi)，干流全長84.5km，全流域面積1400k㎡。河道磨西溝由北向南流，至子梅轉(zhuǎn)向東南流，在魏石達(dá)先后有貢嘎溝和騰增溝分別自左、右岸匯入后始稱為田灣河。下行至界碑石進(jìn)入石棉縣境內(nèi)并有環(huán)河自右岸匯入，繼續(xù)向東南流至金窩下游1km處的龔家溝口轉(zhuǎn)向東北流，經(jīng)草科、田灣在兩河口注入大渡河。田灣河流域圖如圖1所示。

田灣河地理位置介于東經(jīng)101041′～102011′、北緯29012′～29047′之間。流域左側(cè)中上游以貢嘎山與磨西溝分水，下游與兩叉河和什月河相連；右側(cè)草科以下與瓦羅溝接壤，其余則與松林河為鄰。本流域支流眾多，山高坡陡，河流深切，四周分水嶺高程一般都在4500m以上，有冰川以及雪山分布。最高的貢嘎山主峰海拔達(dá)7556m。嶺谷相對高差1000m～3000m，呈典型的高山峽谷地貌。

1.2 流域氣象特征

本流域位于四川盆地西緣山地，西接青藏高原東緣，為盆地到高原的過渡地帶，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。氣候干濕季明顯，氣溫由河谷向高山遞減，降水山地多于河谷。本流域易產(chǎn)生地形雨，且夜間降水較多。

根據(jù)設(shè)在仁宗海水庫電站附近的金窩氣象站1999年-2000年資料統(tǒng)計，年平均氣溫為10.8℃，極端最高、最低溫度分別為33.0℃和-4.8℃；平均相對濕度為85%，最小相對濕度為17%；平均年降水量1252.3mm；平均年蒸發(fā)量為589.1mm；平均風(fēng)速為0.5m/s，歷年最大風(fēng)速為10m/s，相應(yīng)風(fēng)向為S。

草科以下的河谷地帶，每年4月降水量明顯增多，4月～10月降水量占年降水量的90%以上。

2 水情測報系統(tǒng)簡述

2.1 水情測報系統(tǒng)簡介及系統(tǒng)構(gòu)成

水情自動測報系統(tǒng)是一個集通信、計算機(jī)、水文和遙測等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)于一體的多學(xué)科系統(tǒng)工程。田灣河流域水情測報系統(tǒng)由數(shù)據(jù)測量、采集、供電和通信等設(shè)備和計算機(jī)裝置組合而成。系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)流域雨、水情數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理、存儲功能，是汛期防洪調(diào)度、水庫安全度汛和水庫優(yōu)化調(diào)度、水資源合理利用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，在流域梯級電站防洪度汛、梯級電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及流域水資源合理利用等方面都發(fā)揮著重大作用。

田灣河流域水情測報系統(tǒng)由1個中心站、兩個水文站、3個水位站、1個流量站、9個遙測雨量站及兩個簡易自動氣象站等共18個站點組成。中心站設(shè)置在田灣河公司成都遠(yuǎn)控中心，用于采集、接收遙測站點發(fā)送的水雨情數(shù)據(jù)；各遙測站點分布于流域河道、各大支溝及流域梯級電站上游水位觀測處。

2.2 水情測報系統(tǒng)升級改造設(shè)備性能及適用性分析

原水情測報系統(tǒng)于2007年建成并投入使用，截至2017年系統(tǒng)升級改造，大多數(shù)站點已運(yùn)行近11年時間，加之高海拔地區(qū)氣壓、氣溫和極端天氣等加快了遙測站點設(shè)備老化速度，2016年、2017年多個遙測雨量站點陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷、失真等現(xiàn)象。部分水位站點使用的氣泡式水位計也常因水下泥沙淤堵、侵蝕，錯誤數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)，多次維修無果，更換為雷達(dá)水位計。水文站使用的浮子式水位計測井被泥石流損毀導(dǎo)致無法正常使用。綜上所述，原水情測報系統(tǒng)已無法滿足系統(tǒng)暢通率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率要求，不滿足正常生產(chǎn)需要。2017年5月對田灣河流域水情測報系統(tǒng)整體進(jìn)行了升級改造。

2.2.1 供電設(shè)備選型分析

本流域17個遙測站中，10個站點均處于高海拔山區(qū)，站點設(shè)置處未通市電，且雨季山區(qū)陰雨天氣多。為滿足遙測站點設(shè)備連續(xù)工作時間要求，經(jīng)過對設(shè)備耗電量計算和流域氣候資料分析，我們最終選用太陽能電池板40W、南瑞公司ACS-SR充電控制器和易事特38AH蓄電池配套使用，該供電系統(tǒng)設(shè)備自身功耗小、充電控制效率高，有防反充、過充功能，能滿足最大充電電流需要。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集器選型分析

數(shù)據(jù)采集器是遙測站最關(guān)鍵設(shè)備之一，遙測站的全部功能幾乎都體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集器的功能上，數(shù)據(jù)采集器完成水文數(shù)據(jù)采集，存儲傳輸控制，它與水文傳感器、通信終端連接，是數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)。數(shù)據(jù)采集器需具備的功能有：（1）需要提供多類型連接串口和具備串口可拓展性以滿足雨量計、水位計、流量計、衛(wèi)星接口、GSM通信接口、供電電源接口等多類型測量設(shè)備、通信設(shè)備、供電設(shè)備接入和遠(yuǎn)期不同類型設(shè)備接入能力；（2）需要具備強(qiáng)大的存儲功能以便對測站基本參數(shù)和測量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；（3）需要具備遠(yuǎn)程通信能力，能夠滿足本地通信和遠(yuǎn)程中心站或手機(jī)修改、設(shè)置測站參數(shù)。綜合數(shù)據(jù)采集器需要具備的功能條件以及田灣河流域高海拔濕潤、低溫特性，最終選用南瑞ACS500數(shù)據(jù)采集器。該設(shè)備工作環(huán)境溫度-40℃～+70℃，具有1路單/雙簧雨量接口，1路SDI-12及RS485總線接口，滿足雨量計、水位計、各種智能傳感器或者通過系列智能總線適配器接入各種傳統(tǒng)的傳感器，4個RS-232通信串口，1個受控12V供電口，1個浮充電源輸入口。針對后期應(yīng)用需求，設(shè)計了1路箱門狀態(tài)報警接口和2路繼電器開出控制接口。具有4MB FLASH存儲歷史數(shù)據(jù)，并配有1個SD卡接口，以任意擴(kuò)展存儲容量。同時該設(shè)備具有微功耗、電源極性保護(hù)、防誤操作和自檢等功能，保證設(shè)備的高可靠性、方便維護(hù)。

2.2.3 通信設(shè)備組網(wǎng)和選型分析

田灣河流域水情測報系統(tǒng)17個遙測站點中11個未通移動信號。因此本流域通信設(shè)備組網(wǎng)以衛(wèi)星通信為主，其余覆蓋移動信號的站點選用衛(wèi)星和GSM雙通道。衛(wèi)星通信設(shè)備選用通用北斗YDD-03-1通信衛(wèi)星，GSM通信選用南瑞低功耗DT4100通信裝置。

2.2.4 水位計選型分析

原水情測報系統(tǒng)兩個水文站水位采集設(shè)備采用的浮子式水位計，該類型水位計利用浮子跟蹤水位升降，以機(jī)械方式直接傳動記錄，測量精度高、穩(wěn)定性好。但因田灣河流域處于高山峽谷，流域河道比降大，且河道松散物質(zhì)較多，易產(chǎn)生泥石流。流域遇較大強(qiáng)度降雨時，河道來水水質(zhì)條件差，來水含砂石淤泥較多，頻繁淤堵水位計測井，且測井后期不易清理，因而極易導(dǎo)致水位計計數(shù)誤差大和因測井頻繁淤堵無法正常施測。原水情測報系統(tǒng)3個水位站水位采集設(shè)備采用的氣泡壓力式水位計，該類型水位計測量精度高，但實際投入運(yùn)行后，常因水下通氣管被細(xì)顆粒泥沙淤堵造成氣管腐蝕損壞，測量數(shù)據(jù)失真。

此次系統(tǒng)升級改造從經(jīng)濟(jì)性、適用性及維修難度等多方面對比，選用德國EH FMR51雷達(dá)水位計，該類型水位計為非接觸式水位計，具有適用性廣、不易損壞和維修方便的優(yōu)點，不受水質(zhì)條件差，泥沙嚴(yán)重的限制，適用山區(qū)和水質(zhì)條件較差的河流。

2.2.5 雨量計選型分析

田灣河流域位于四川盆地向青藏高原的過渡地帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。流域內(nèi)由于地勢高差懸殊，立體氣候顯著。流域多年平均年降水量1252.3mm。本次系統(tǒng)升級改造使用行業(yè)市場廣泛使用、性能穩(wěn)定的南水科技0.5mm分辨率的翻斗雨量計。

2.2.6 溫濕度計、風(fēng)速風(fēng)向計選型分析

原水情測報系統(tǒng)采用的溫濕度變速器測溫范圍為0℃～50℃，而因高山高海拔地區(qū)常年氣溫較低，冬季低溫遠(yuǎn)低于零度，本次改造將原溫濕度變速器型號更換為羅卓尼克Hydro Clip02型號，該型號溫濕度變速器測量范圍為-10℃～85℃。風(fēng)速風(fēng)向計也更換為對高原氣候溫濕度更有耐受性，利用超聲波原理測風(fēng)速、風(fēng)向的Lufft WS200型號風(fēng)速風(fēng)向計。

3 系統(tǒng)升級改造效果分析

現(xiàn)水情測報系統(tǒng)于2017年6月底完成升級改造工作，經(jīng)過一年的檢驗，整套系統(tǒng)供電能力充足、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，升級改造效果明顯，是一次成功的系統(tǒng)優(yōu)化升級改造工作。以下從系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)性、系統(tǒng)先進(jìn)性、系統(tǒng)融合性和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性4個方面進(jìn)行效果分析：

3.1 系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)性

此次系統(tǒng)改造是在流域電站發(fā)電10年的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，10年運(yùn)行期間對流域高海拔山區(qū)的氣象水文特性有了更清晰、深入的認(rèn)識和掌握。本次系統(tǒng)升級改造針對流域氣壓、氣溫、汛期強(qiáng)降雨天氣水質(zhì)條件差、極端氣候多和供電條件有限等情況，進(jìn)行了設(shè)備選型。此次設(shè)備選型選取了對高海拔山區(qū)氣候、河流特性具有良好適應(yīng)性和耐受性的系統(tǒng)設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備先進(jìn)性

此次選用的數(shù)據(jù)采集器具有微功耗優(yōu)勢，在滿足傳統(tǒng)功能需求的前提下，在測量設(shè)備傳感器接口、通信接口數(shù)量、類型、存儲容量及接口和容量的可拓展性方面都有較大的突破。系統(tǒng)采用的雷達(dá)水位計、溫濕度計和風(fēng)速風(fēng)向計都是應(yīng)用先進(jìn)科技，且經(jīng)行業(yè)內(nèi)實際應(yīng)用檢驗，是性能穩(wěn)定、測量精度高且維修方便的測量儀器設(shè)備。

3.3 系統(tǒng)融合性

本流域水調(diào)自動化系統(tǒng)于2015年建成并投入使用，此次水情測報系統(tǒng)升級改造項目承建單位和水調(diào)自動化系統(tǒng)建設(shè)單位為同一單位，系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫軟件和編碼軟件應(yīng)用規(guī)則相同，故系統(tǒng)改造后兩套系統(tǒng)融合性更好、數(shù)據(jù)處理、計算更為快捷。

3.4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

原水情測報系統(tǒng)使用后期年平均設(shè)備更換和維護(hù)費(fèi)用約20萬，且因系統(tǒng)投入運(yùn)行時間久，系統(tǒng)設(shè)備整體老化，雖每年都會進(jìn)行部分設(shè)備更換和維護(hù)，但系統(tǒng)整體運(yùn)行情況仍不樂觀，不能滿足正常生產(chǎn)需要。此次系統(tǒng)整體升級改造一次性投入，相較不斷更換和維修，除系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定外，設(shè)備采購成本也更低、更經(jīng)濟(jì)。

結(jié)語

本次系統(tǒng)升級改造汲取原系統(tǒng)經(jīng)驗、調(diào)研行業(yè)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r、深入學(xué)習(xí)熟悉系統(tǒng)設(shè)備性能條件，針對高海拔山區(qū)特殊氣候水文條件，嚴(yán)格系統(tǒng)設(shè)備選型，確保本次系統(tǒng)設(shè)備改造具有高海拔山區(qū)適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性和設(shè)備后期可拓展性。本次系統(tǒng)升級改造完善和增強(qiáng)了原水情測報系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)的暢通率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，使系統(tǒng)能更好地服務(wù)于流域防洪度汛、水庫調(diào)度，為防洪度汛決策和水庫優(yōu)化調(diào)度提供了可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]成都勘測設(shè)計研究院.田灣河流域設(shè)計運(yùn)行說明書[Z].2004.

[2]南京南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司.ACS500數(shù)據(jù)采集器使用說明書[Z].2012.

[3]梁洪英.清溪水電站水情自動測報系統(tǒng)硬件升級改造經(jīng)驗淺析[J].廣東水利水電，2016（7）：59-62.