扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)設計與建設

馬 嵐1，2 陸玉忠12

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038)

1 概 述

水情自動測報系統(tǒng)是有效解決江河流域及水庫洪水預報、防洪調(diào)度及水資源合理利用的重要手段，也是工程綜合自動化的重要組成部分，可為水庫的安全運行提供科學管理的基礎資料及決策依據(jù)，在水利管理部門及水電廠有著廣泛的應用。中國從20世紀80年代初開始研發(fā)水情自動測報系統(tǒng)，經(jīng)過將近40年的不斷探索與實踐，組建模式日趨成熟。利用現(xiàn)代遙測、通信、計算機及網(wǎng)絡等技術可快速完成系統(tǒng)構建，實現(xiàn)流域內(nèi)雨水情信息的實時采集、傳輸和處理，為水利水電工程防洪、發(fā)電及其他綜合利用調(diào)度服務。

2018年建成的扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)由中心站、中繼站和13個遙測站組成。遙測選用超短波為主、GSM移動通信為備用的雙信道通信方式。自系統(tǒng)投入試運行以來運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收正常，各遙測站點暢通率平均值達到97%，入庫洪水預報的結果合理，達到了預期的系統(tǒng)建設總體目標。

本文總結了扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)設計與建設的關鍵技術方案，包括系統(tǒng)總體設計方案、遙測站網(wǎng)布設方案、遙測站設計及關鍵設備選型、中繼站設計方案、中心站設計及應用軟件功能、系統(tǒng)建設實施與試運行情況等，可為相關技術人員提供水情自動測報系統(tǒng)設計與建設的參考。

2 系統(tǒng)總體設計方案

2.1 扎敦水利樞紐概況

扎敦水利樞紐位于扎敦河的下游，壩址控制流域面積2212km2，大約占免渡河流域面積(6740km2)的三分之一。壩址距免渡河鎮(zhèn)25km，距牙克石市58km，行政區(qū)劃隸屬牙克石市免渡河鎮(zhèn)，是一座集防洪、供水、發(fā)電于一體的綜合性中型水利樞紐工程。

扎敦水利樞紐是扎敦河上唯一的控制工程，也是海拉爾河流域防洪工程體系的重要組成部分。水庫總庫容9306萬m3，水庫校核洪水位753.25m，設計洪水位752.35m，防洪高水位752.25m；正常蓄水位752.0m，興利庫容6614萬m3；死水位743.5m，死庫容605萬m3。

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)是工程的重要組成部分，建成后將直接服務于該工程的防洪和運行調(diào)度。

2.2 系統(tǒng)建設總體目標

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)建設的總體目標是設計并實現(xiàn)測報范圍全面、站點布設合理、通信可靠、數(shù)據(jù)處理快捷、水情預報準確、與相關系統(tǒng)無縫銜接的水情自動測報系統(tǒng)，以滿足樞紐運行對流域洪水預報和水庫調(diào)度自動化的需要。系統(tǒng)建成后應達到“高標準、高質(zhì)量、高可靠性和高自動化”的要求，為確保樞紐工程安全度汛，合理利用水資源，緩解城市用水供需矛盾、充分發(fā)揮水庫的經(jīng)濟效益等，提供可靠的信息和調(diào)度方案。

2.3 系統(tǒng)總體設計方案

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)由野外遙測站、中繼站和中心站組成。系統(tǒng)選用超短波為主信道，GSM短信為備用信道的通信方式。采用混合式工作體制，遙測站以定時自報為主，具備增量自報的功能，并能響應中心站的召測和查詢指令，以滿足水文基本資料記錄過程的連續(xù)性和實時動態(tài)要求。中心站具備數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)視預警、查詢分析和預報調(diào)度等應用軟件功能。

2.4 設計原則和建設要求

水情自動測報系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡、通信、計算機、數(shù)據(jù)庫、專業(yè)模型等技術于一體的信息管理系統(tǒng)，其中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會直接影響到系統(tǒng)的運行。依據(jù)項目總體設計目標和方案，確定扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)設計原則和建設要求如下：

a.遵循“先進、可靠、經(jīng)濟、實用”的設計原則。以實用性為主、兼顧先進性。現(xiàn)代信息技術發(fā)展突飛猛進，新的技術和觀念層出不窮。系統(tǒng)設計既要注重采用技術的先進性，盡量采用高性能的設備、目前流行的系統(tǒng)開發(fā)和運行平臺、新的軟件開發(fā)技術，保證建成的系統(tǒng)具有一定的先進性；又要盡量選擇經(jīng)過實際應用考驗，并且證明為成熟可靠的技術和方案，以保證建成的系統(tǒng)具有較高的可靠性和實用性，降低系統(tǒng)建設的風險和成本。

b.系統(tǒng)建設應滿足流域總體防洪規(guī)劃、分級控制、互留接口、信息共享原則。系統(tǒng)設計以中心站為信息總節(jié)點，使系統(tǒng)各部分關系明確、層次分明，便于系統(tǒng)建設、運行管理和維護。

c.野外遙測站設備選型應注重穩(wěn)定性和易維護性。遙測站設備配置需考慮相互之間的匹配、兼容問題，堅持從優(yōu)原則，所選用的設備必須確保在惡劣的野外環(huán)境下能長期、連續(xù)地正常工作。

d.建成的野外遙測站要求專人看管和具備防人為破壞措施。系統(tǒng)遙測站盡量布設在村、鄉(xiāng)或鎮(zhèn)上，以便于建設時落實看管人，實現(xiàn)委托看管，并配置防護圍欄，防止人為破壞。

e.在系統(tǒng)正式現(xiàn)場安裝前，應嚴格烤機測試和檢驗。系統(tǒng)遙測站、中繼站及中心站在聯(lián)調(diào)完成后，出廠之前應整體運行2天以上，用于測試系統(tǒng)軟件、硬件的兼容性與系統(tǒng)穩(wěn)定性，如發(fā)現(xiàn)問題應及時分析解決。

3 遙測站網(wǎng)布設方案

3.1 布設原則

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)遙測站網(wǎng)布設應服從滿足流域總體防洪規(guī)劃和系統(tǒng)建設的目標，符合設計原則和建設要求，并滿足洪水預報精度的要求，遵循既要合理，又要經(jīng)濟可行的基本原則。遙測站網(wǎng)布設需根據(jù)流域水文特性，在滿足洪水預報精度和預見期的前提下，最大程度控制遙測系統(tǒng)規(guī)模和節(jié)省投資。需要注重遙測站點在空間分布上的合理性和代表性，盡量布設于居民區(qū)，便于實現(xiàn)“有人看管”，同時還需考慮交通、地形條件，以便于維護與管理。

3.2 布設方案

本系統(tǒng)的遙測站布設要求能較好地監(jiān)控扎敦水庫流域及扎敦樞紐至牙克石市防洪控制斷面的水雨情變化。根據(jù)本系統(tǒng)建設的目標任務，設計時經(jīng)過初步選點、流域現(xiàn)場勘察、信道測試與比較、與用戶設計聯(lián)絡與溝通等工作環(huán)節(jié)，確定共布設各類站點15個，其中中心站1個，位于扎敦水利樞紐廠房；中繼站1個，位于三根河林場；遙測站13個，其中雨量站9個，分別位于免渡河、青頂子、轉(zhuǎn)向湖、三根河林場、大河山、哈達嶺、炮臺、興安、扎敦，水位站2個，分別位于扎敦壩上及壩下，水文站2個，分別位于扎敦、大橋屯。扎敦河流域水系及測站分布情況見圖1。

圖1 扎敦河流域水系及測站布設方案

4 遙測站設計及關鍵設備選型

4.1 結構及主要功能

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)遙測站采用測、報、控一體化設計方式，主要由傳感器(雨量、水位傳感器等)、數(shù)據(jù)采集器(RTU)、通信終端和供電系統(tǒng)等四部分組成，其原理框圖和結構見圖2。遙測站數(shù)據(jù)采集發(fā)送采用混合式工作體制，以定時自報為主，具備閾值自報的功能，并能響應中心站的召測和查詢。

圖2 遙測站原理框架和結構

數(shù)據(jù)采集器是遙測站的控制核心，采用自主研發(fā)的HR9000產(chǎn)品，具有完善的工作狀態(tài)指示、上電自動初始化、測試等功能，具備一定范圍的軟、硬件故障自保護，自檢測及故障自排除等智能功能。提供友好的人機操作界面，支持操作人員在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)檢測、參數(shù)設置、附屬設備(電源、傳感器等)測試、人工觀測數(shù)據(jù)設置及通信設備控發(fā)等工作。

遙測站整體設備采用一體化及防雷性能卓越的筒式結構，見圖3，其中通信終端、數(shù)據(jù)采集器和蓄電池等設備集成在全密封筒形機箱內(nèi)，筒形機箱置于高強度防銹不銹鋼站房內(nèi)；太陽能電池、天線和雨量傳感器等分別安裝在鋁合金立筒側面和頂部。供電系統(tǒng)采用太陽能電池浮充免維護蓄電池供電方式。

圖3 簡式結構遙測站(扎敦站)

4.2 傳感器選型

根據(jù)招標文件和圖紙的要求，參照國內(nèi)外監(jiān)測儀器設備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品技術指標和其他類似工程的應用實例，本著“實用、可靠、經(jīng)濟、先進”的原則進行儀器設備選型。

傳感器是遙測站最關鍵的設備，主要有雨量、水位、氣象傳感器等。本系統(tǒng)遙測站雨量傳感器全部選用翻斗式雨量計，型號為JDZ05-1；水位傳感器全部選用壓力式水位計，型號為MPM4700。

4.3 供電方案

水情自動測報系統(tǒng)遙測站一般選用封閉的供電方式，采用蓄電池加太陽能電池板浮充供電方式，可免除外界(電力線和雷電等的干擾)的影響，簡單、可靠、維護容易。

本系統(tǒng)各遙測站電源配置為20W太陽能光板，38AH蓄電池，可以滿足30天無日照情況下系統(tǒng)連續(xù)工作的要求。配置的充電控制器具有防反充和防過充功能。

4.4 通信方案

水情自動測報系統(tǒng)的通信電路要求能迅速、可靠、準確地傳輸水情數(shù)據(jù)。目前可采用的通信方式較多，國內(nèi)已建水情自動測報系統(tǒng)采用的通信方式主要有超短波通信、PSTN網(wǎng)絡通信、衛(wèi)星通信和移動網(wǎng)絡通信等。

通過對各遙測站點現(xiàn)場各類通信信道測試與分析比較，本系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)傳輸通信選用超短波為主、GSM移動通信為備用的雙信道通信方式。通信終端中的超短波電臺(含天線)選用型號為ND889A25W，GSM通信模塊選用型號為MC55i。

4.5 土建要求

遙測站土建是測站正常運行的基礎，工程應滿足《水文自動測報系統(tǒng)設備基本技術條件》(SL/T 102—1995)及《水文基礎設施建設及技術裝備標準》(SL 276—2002)等有關規(guī)程規(guī)范，遵循規(guī)范化、先進性、實用性、可操作性、安全性、經(jīng)濟性等原則。

遙測站土建的主要工作是修建儀器地基水泥基座(1m×1m)，設立防護欄。壓力式水位站線纜保護管道為φ80的鋼管(或高強度PVC、PE管)，鋼管之間采用焊接或法蘭盤連接，拐彎或需要加固之處設置混凝土支(鎮(zhèn))墩固定管道，長度超過6m的管段設置一個檢修預留孔。管道依地形順坡鋪設，力求管道埋設長度最短，便于傳感器收放安裝與維護。超短波天線和避雷針應安裝在支架頂部，采用螺栓連接。壓力式水位站點選址應關注以下三點：

a.岸坡的穩(wěn)定性。應避開容易發(fā)生滑坡坍塌等地質(zhì)災害的地段。

b.坡度的均勻性。應在整個控制水位變幅內(nèi)，選擇坡度較陡峭且比較均勻地段，避開斷崖和頻繁轉(zhuǎn)折的剖面。

c.水流的平緩性。應避開受水流強烈沖蝕和泥沙集中淤積的河道。

5 中繼站建設方案

扎敦水情自動測報系統(tǒng)中繼站土建要求為建設磚混結構站房(2m×2m×2m)，水泥地基(深度1m)，避雷塔(高10m)。中繼站設備配置見表1。

表1 中繼站設備配置清單

5.1 天線、避雷針及基座安裝方案

天線的安裝桿采用φ60鍍鋅鋼管與8mm的鋼底盤焊接，與太陽能板支架成為一體。定向天線帶避雷針的安裝桿則分別由φ34的鍍鋅鋼管，φ20的圓鋼(一頭打尖作避雷針)與8mm的鋼底盤焊接，全長2.0m，應與避雷地網(wǎng)引線牢固連接。儀器房頂部的安裝基座采用預埋螺栓或者現(xiàn)澆混凝土的方式固定。

避雷針安裝高度應高于超短波天線最高點，使天線位于45°避雷針安全區(qū)內(nèi)，天線同避雷針之間要絕緣。信號線采用低頻電纜，并穿在鐵管內(nèi)，鐵管應良好接地，具有良好的屏蔽和避雷作用。

5.2 太陽能光板安裝方案

根據(jù)太陽能光板能最佳采集太陽輻射能量的技術要求，其安裝支架的仰角設計為25°，支架固定在屋頂平臺預埋的地腳螺栓上，面向正南方，安裝傾角可根據(jù)具體維度靈活調(diào)整。

5.3 避雷接地系統(tǒng)建設方案

中繼測站需按照以下避雷接地系統(tǒng)施工方法建設：

a.接地體材料。垂直埋設的接地體采用角鋼、鋼管；水平埋設的接地體采用扁鋼、圓鋼。

b.接地體施工方法。接地引下線采用35mm×5mm的鍍鋅扁鋼或截面積大于35mm2的多股銅芯線。根據(jù)當?shù)赝翆忧闆r，接地網(wǎng)采用一字形排列或多邊形排列的埋設方式，開挖500mm深的地溝，在溝內(nèi)以1500mm的間距打入接地樁，接地樁采用長度為1500mm的鍍鋅角鋼。

c.樁打好之后，用不小于40mm×4mm的鍍鋅扁鋼將角鋼焊接在一起，再分2根引下線引出地面，測量接地電阻合格后(應小于10Ω)，回填土埋實即可。當阻值超過10Ω時，可增加接地樁的數(shù)量，使其阻值小于10Ω。

6 中心站設計及應用軟件功能

6.1 網(wǎng)絡結構及基本配置

系統(tǒng)中心站布設在扎敦水利樞紐廠房內(nèi)，配有數(shù)據(jù)庫服務器、通信服務器、工作站、打印機、交換機和串口服務器各1臺，中心站網(wǎng)絡結構見圖4。通過串口服務器連接超短波電臺及GSM模塊，用于采集野外遙測站的雨水情信息。

圖4 中心站網(wǎng)絡結構

服務器操作系統(tǒng)軟件采用WINDOWS SERVER 2012標準版，工作站操作系統(tǒng)采用WINDOWS 10 專業(yè)版。后臺數(shù)據(jù)庫軟件采用SQL SERVER 2012標準版。數(shù)據(jù)庫服務器主要用于數(shù)據(jù)存儲與檢索管理，通信服務器主要用于實時數(shù)據(jù)的采集、處理、存庫工作，工作站主要用于安裝系統(tǒng)應用軟件，供值班人員操作及運行管理。

為防止突然斷電而影響系統(tǒng)正常工作，對計算機造成損害，配置一套UPS電源，確保中心站能夠在UPS供電情況下運行4h，并且可消除市電上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等電源污染問題，改善電源質(zhì)量，為系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行保駕護航。

6.2 應用軟件功能開發(fā)

中心站應用軟件主要功能要求是實現(xiàn)對遙測數(shù)據(jù)的接收、處理、展示和發(fā)布。軟件采用Client/Server結構開發(fā)，以數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)的核心中樞，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計與建立及其服務中間件模塊開發(fā)的基礎上，開發(fā)形成以下應用子系統(tǒng)：

a.數(shù)據(jù)接收處理子系統(tǒng)。配有遙測站信息管理、遙測數(shù)據(jù)接收、遙測數(shù)據(jù)處理等功能。遙測站信息管理包括遙測信息瀏覽、遙測站基本信息、遙測設備資料、看護人資料、遙測站參數(shù)設置及設備運行維護情況等；遙測數(shù)據(jù)接收則是通過接收界面展示各遙測站的數(shù)據(jù)接收情況；遙測數(shù)據(jù)處理包括計算測站時段、日、旬、月、年雨量,計算測站水位對應的實時流量，計算處理成測站時段、日平均、旬平均、月平均、年平均水位(流量)等。

b.水務計算子系統(tǒng)。利用系統(tǒng)實時接收的水庫壩上、壩下水位等資料，按水量平衡原理，自動計算入庫流量、出庫流量和發(fā)電流量等水務數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫供系統(tǒng)展示和用戶查詢。

c.監(jiān)視預警子系統(tǒng)?？筛鶕?jù)用戶預先設定好的報警項目或報警限值進行自動報警，提醒工作人員及時處理，保障系統(tǒng)正常運行。

d.查詢分析子系統(tǒng)。包括水位、流量、雨量過程線圖表及其統(tǒng)計結果，流域雨量分析圖、雨量等值線或等值面圖，流域雨洪對應圖表及其統(tǒng)計分析結果，采用水工建筑物圖進行工情展示與分析，洪水預報成果查詢與分析，流域防洪預案展示與分析。

e.數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫分為歷史數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫。歷史數(shù)據(jù)庫用于歷史數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)的存儲和高級應用的支持，以及其他系統(tǒng)的訪問服務；實時數(shù)據(jù)庫用于支持數(shù)據(jù)的快速訪問，支持各種實時應用。主要功能包括數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)導出、數(shù)據(jù)庫日志管理、數(shù)據(jù)庫備份、數(shù)據(jù)庫恢復等。

f.洪水預報子系統(tǒng)。主要功能有數(shù)據(jù)預處理、實時洪水預報、模型庫及參數(shù)管理、預報方案管理、預報成果管理、歷史洪水管理、預報模型參數(shù)率定等。

g.水庫調(diào)度子系統(tǒng)。主要功能包括防洪調(diào)度形勢分析、預案生成、預案仿真、預案比較、預案管理等。

7 系統(tǒng)建設實施與試運行

水情自動測報系統(tǒng)建設是一個覆蓋范圍廣、多學科交叉且技術較為復雜的系統(tǒng)工程，在該項目實施過程中，根據(jù)設計確定的實施方案進行設備采購與集成測試、野外遙測站土建施工及安裝調(diào)試、中心站網(wǎng)絡搭建及軟件開發(fā)等多方面具體工作，都需要專業(yè)技術人員參與，并明確各自的具體任務與目標，多方協(xié)同配合，才能高效有序地完成。本項目自合同簽訂到驗收大體分為以下5個階段：項目籌備(包括實施方案編制、現(xiàn)場勘查、方案設計、方案優(yōu)選、設計方案審查)、生產(chǎn)集成(包括設備購置、應用軟件開發(fā))、出廠驗收(包括系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、檢驗、測試)、設備運輸、現(xiàn)場安裝調(diào)試。經(jīng)過5個月的組織實施，系統(tǒng)安裝調(diào)試工作于2018年7月順利完成，并通過本項目的初步驗收。自從系統(tǒng)投入試運行以來運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收正常，各站點暢通率平均達到97%，入庫洪水預報的結果合理，見表2。由于水庫還沒有蓄水，無法推求實際入庫流量，目前暫時無法進行精度評定。

表2 系統(tǒng)投運后2018年各場次入庫洪水預報結果

8 結 語

扎敦水利樞紐水情自動測報系統(tǒng)由中心站、中繼站和13個遙測站組成。該系統(tǒng)建設工期較短，在設計和建設實施過程中采用規(guī)范化管理，通過編寫系統(tǒng)設計方案和實施方案，在設計聯(lián)絡會上與業(yè)主溝通確認，在合同規(guī)定的時間內(nèi)順利完成設備采購、配套土建、軟件開發(fā)、安裝調(diào)試、系統(tǒng)試運行等建設內(nèi)容。從系統(tǒng)的試運行情況來看，自動化程度較高，運行穩(wěn)定、可靠，達到了預期的建設總體目標。期望用戶加強管理與維護，在今后的應用中不斷積累經(jīng)驗，發(fā)揮系統(tǒng)應有的功效。