扎敦水利枢纽水情自动测报系统设计与建设

马 岚1，2 陆玉忠12

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038)

1 概 述

水情自动测报系统是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的重要手段，也是工程综合自动化的重要组成部分，可为水库的安全运行提供科学管理的基础资料及决策依据，在水利管理部门及水电厂有着广泛的应用。中国从20世纪80年代初开始研发水情自动测报系统，经过将近40年的不断探索与实践，组建模式日趋成熟。利用现代遥测、通信、计算机及网络等技术可快速完成系统构建，实现流域内雨水情信息的实时采集、传输和处理，为水利水电工程防洪、发电及其他综合利用调度服务。

2018年建成的扎敦水利枢纽水情自动测报系统由中心站、中继站和13个遥测站组成。遥测选用超短波为主、GSM移动通信为备用的双信道通信方式。自系统投入试运行以来运行稳定，数据接收正常，各遥测站点畅通率平均值达到97%，入库洪水预报的结果合理，达到了预期的系统建设总体目标。

本文总结了扎敦水利枢纽水情自动测报系统设计与建设的关键技术方案，包括系统总体设计方案、遥测站网布设方案、遥测站设计及关键设备选型、中继站设计方案、中心站设计及应用软件功能、系统建设实施与试运行情况等，可为相关技术人员提供水情自动测报系统设计与建设的参考。

2 系统总体设计方案

2.1 扎敦水利枢纽概况

扎敦水利枢纽位于扎敦河的下游，坝址控制流域面积2212km2，大约占免渡河流域面积(6740km2)的三分之一。坝址距免渡河镇25km，距牙克石市58km，行政区划隶属牙克石市免渡河镇，是一座集防洪、供水、发电于一体的综合性中型水利枢纽工程。

扎敦水利枢纽是扎敦河上唯一的控制工程，也是海拉尔河流域防洪工程体系的重要组成部分。水库总库容9306万m3，水库校核洪水位753.25m，设计洪水位752.35m，防洪高水位752.25m；正常蓄水位752.0m，兴利库容6614万m3；死水位743.5m，死库容605万m3。

扎敦水利枢纽水情自动测报系统是工程的重要组成部分，建成后将直接服务于该工程的防洪和运行调度。

2.2 系统建设总体目标

扎敦水利枢纽水情自动测报系统建设的总体目标是设计并实现测报范围全面、站点布设合理、通信可靠、数据处理快捷、水情预报准确、与相关系统无缝衔接的水情自动测报系统，以满足枢纽运行对流域洪水预报和水库调度自动化的需要。系统建成后应达到“高标准、高质量、高可靠性和高自动化”的要求，为确保枢纽工程安全度汛，合理利用水资源，缓解城市用水供需矛盾、充分发挥水库的经济效益等，提供可靠的信息和调度方案。

2.3 系统总体设计方案

扎敦水利枢纽水情自动测报系统由野外遥测站、中继站和中心站组成。系统选用超短波为主信道，GSM短信为备用信道的通信方式。采用混合式工作体制，遥测站以定时自报为主，具备增量自报的功能，并能响应中心站的召测和查询指令，以满足水文基本资料记录过程的连续性和实时动态要求。中心站具备数据库管理、监视预警、查询分析和预报调度等应用软件功能。

2.4 设计原则和建设要求

水情自动测报系统是集数据采集、网络、通信、计算机、数据库、专业模型等技术于一体的信息管理系统，其中任何环节出现问题都会直接影响到系统的运行。依据项目总体设计目标和方案，确定扎敦水利枢纽水情自动测报系统设计原则和建设要求如下：

a.遵循“先进、可靠、经济、实用”的设计原则。以实用性为主、兼顾先进性。现代信息技术发展突飞猛进，新的技术和观念层出不穷。系统设计既要注重采用技术的先进性，尽量采用高性能的设备、目前流行的系统开发和运行平台、新的软件开发技术，保证建成的系统具有一定的先进性；又要尽量选择经过实际应用考验，并且证明为成熟可靠的技术和方案，以保证建成的系统具有较高的可靠性和实用性，降低系统建设的风险和成本。

b.系统建设应满足流域总体防洪规划、分级控制、互留接口、信息共享原则。系统设计以中心站为信息总节点，使系统各部分关系明确、层次分明，便于系统建设、运行管理和维护。

c.野外遥测站设备选型应注重稳定性和易维护性。遥测站设备配置需考虑相互之间的匹配、兼容问题，坚持从优原则，所选用的设备必须确保在恶劣的野外环境下能长期、连续地正常工作。

d.建成的野外遥测站要求专人看管和具备防人为破坏措施。系统遥测站尽量布设在村、乡或镇上，以便于建设时落实看管人，实现委托看管，并配置防护围栏，防止人为破坏。

e.在系统正式现场安装前，应严格烤机测试和检验。系统遥测站、中继站及中心站在联调完成后，出厂之前应整体运行2天以上，用于测试系统软件、硬件的兼容性与系统稳定性，如发现问题应及时分析解决。

3 遥测站网布设方案

3.1 布设原则

扎敦水利枢纽水情自动测报系统遥测站网布设应服从满足流域总体防洪规划和系统建设的目标，符合设计原则和建设要求，并满足洪水预报精度的要求，遵循既要合理，又要经济可行的基本原则。遥测站网布设需根据流域水文特性，在满足洪水预报精度和预见期的前提下，最大程度控制遥测系统规模和节省投资。需要注重遥测站点在空间分布上的合理性和代表性，尽量布设于居民区，便于实现“有人看管”，同时还需考虑交通、地形条件，以便于维护与管理。

3.2 布设方案

本系统的遥测站布设要求能较好地监控扎敦水库流域及扎敦枢纽至牙克石市防洪控制断面的水雨情变化。根据本系统建设的目标任务，设计时经过初步选点、流域现场勘察、信道测试与比较、与用户设计联络与沟通等工作环节，确定共布设各类站点15个，其中中心站1个，位于扎敦水利枢纽厂房；中继站1个，位于三根河林场；遥测站13个，其中雨量站9个，分别位于免渡河、青顶子、转向湖、三根河林场、大河山、哈达岭、炮台、兴安、扎敦，水位站2个，分别位于扎敦坝上及坝下，水文站2个，分别位于扎敦、大桥屯。扎敦河流域水系及测站分布情况见图1。

图1 扎敦河流域水系及测站布设方案

4 遥测站设计及关键设备选型

4.1 结构及主要功能

扎敦水利枢纽水情自动测报系统遥测站采用测、报、控一体化设计方式，主要由传感器(雨量、水位传感器等)、数据采集器(RTU)、通信终端和供电系统等四部分组成，其原理框图和结构见图2。遥测站数据采集发送采用混合式工作体制，以定时自报为主，具备阈值自报的功能，并能响应中心站的召测和查询。

图2 遥测站原理框架和结构

数据采集器是遥测站的控制核心，采用自主研发的HR9000产品，具有完善的工作状态指示、上电自动初始化、测试等功能，具备一定范围的软、硬件故障自保护，自检测及故障自排除等智能功能。提供友好的人机操作界面，支持操作人员在现场完成数据检测、参数设置、附属设备(电源、传感器等)测试、人工观测数据设置及通信设备控发等工作。

遥测站整体设备采用一体化及防雷性能卓越的筒式结构，见图3，其中通信终端、数据采集器和蓄电池等设备集成在全密封筒形机箱内，筒形机箱置于高强度防锈不锈钢站房内；太阳能电池、天线和雨量传感器等分别安装在铝合金立筒侧面和顶部。供电系统采用太阳能电池浮充免维护蓄电池供电方式。

图3 简式结构遥测站(扎敦站)

4.2 传感器选型

根据招标文件和图纸的要求，参照国内外监测仪器设备生产厂家的产品技术指标和其他类似工程的应用实例，本着“实用、可靠、经济、先进”的原则进行仪器设备选型。

传感器是遥测站最关键的设备，主要有雨量、水位、气象传感器等。本系统遥测站雨量传感器全部选用翻斗式雨量计，型号为JDZ05-1；水位传感器全部选用压力式水位计，型号为MPM4700。

4.3 供电方案

水情自动测报系统遥测站一般选用封闭的供电方式，采用蓄电池加太阳能电池板浮充供电方式，可免除外界(电力线和雷电等的干扰)的影响，简单、可靠、维护容易。

本系统各遥测站电源配置为20W太阳能光板，38AH蓄电池，可以满足30天无日照情况下系统连续工作的要求。配置的充电控制器具有防反充和防过充功能。

4.4 通信方案

水情自动测报系统的通信电路要求能迅速、可靠、准确地传输水情数据。目前可采用的通信方式较多，国内已建水情自动测报系统采用的通信方式主要有超短波通信、PSTN网络通信、卫星通信和移动网络通信等。

通过对各遥测站点现场各类通信信道测试与分析比较，本系统遥测数据传输通信选用超短波为主、GSM移动通信为备用的双信道通信方式。通信终端中的超短波电台(含天线)选用型号为ND889A25W，GSM通信模块选用型号为MC55i。

4.5 土建要求

遥测站土建是测站正常运行的基础，工程应满足《水文自动测报系统设备基本技术条件》(SL/T 102—1995)及《水文基础设施建设及技术装备标准》(SL 276—2002)等有关规程规范，遵循规范化、先进性、实用性、可操作性、安全性、经济性等原则。

遥测站土建的主要工作是修建仪器地基水泥基座(1m×1m)，设立防护栏。压力式水位站线缆保护管道为φ80的钢管(或高强度PVC、PE管)，钢管之间采用焊接或法兰盘连接，拐弯或需要加固之处设置混凝土支(镇)墩固定管道，长度超过6m的管段设置一个检修预留孔。管道依地形顺坡铺设，力求管道埋设长度最短，便于传感器收放安装与维护。超短波天线和避雷针应安装在支架顶部，采用螺栓连接。压力式水位站点选址应关注以下三点：

a.岸坡的稳定性。应避开容易发生滑坡坍塌等地质灾害的地段。

b.坡度的均匀性。应在整个控制水位变幅内，选择坡度较陡峭且比较均匀地段，避开断崖和频繁转折的剖面。

c.水流的平缓性。应避开受水流强烈冲蚀和泥沙集中淤积的河道。

5 中继站建设方案

扎敦水情自动测报系统中继站土建要求为建设砖混结构站房(2m×2m×2m)，水泥地基(深度1m)，避雷塔(高10m)。中继站设备配置见表1。

表1 中继站设备配置清单

5.1 天线、避雷针及基座安装方案

天线的安装杆采用φ60镀锌钢管与8mm的钢底盘焊接，与太阳能板支架成为一体。定向天线带避雷针的安装杆则分别由φ34的镀锌钢管，φ20的圆钢(一头打尖作避雷针)与8mm的钢底盘焊接，全长2.0m，应与避雷地网引线牢固连接。仪器房顶部的安装基座采用预埋螺栓或者现浇混凝土的方式固定。

避雷针安装高度应高于超短波天线最高点，使天线位于45°避雷针安全区内，天线同避雷针之间要绝缘。信号线采用低频电缆，并穿在铁管内，铁管应良好接地，具有良好的屏蔽和避雷作用。

5.2 太阳能光板安装方案

根据太阳能光板能最佳采集太阳辐射能量的技术要求，其安装支架的仰角设计为25°，支架固定在屋顶平台预埋的地脚螺栓上，面向正南方，安装倾角可根据具体维度灵活调整。

5.3 避雷接地系统建设方案

中继测站需按照以下避雷接地系统施工方法建设：

a.接地体材料。垂直埋设的接地体采用角钢、钢管；水平埋设的接地体采用扁钢、圆钢。

b.接地体施工方法。接地引下线采用35mm×5mm的镀锌扁钢或截面积大于35mm2的多股铜芯线。根据当地土层情况，接地网采用一字形排列或多边形排列的埋设方式，开挖500mm深的地沟，在沟内以1500mm的间距打入接地桩，接地桩采用长度为1500mm的镀锌角钢。

c.桩打好之后，用不小于40mm×4mm的镀锌扁钢将角钢焊接在一起，再分2根引下线引出地面，测量接地电阻合格后(应小于10Ω)，回填土埋实即可。当阻值超过10Ω时，可增加接地桩的数量，使其阻值小于10Ω。

6 中心站设计及应用软件功能

6.1 网络结构及基本配置

系统中心站布设在扎敦水利枢纽厂房内，配有数据库服务器、通信服务器、工作站、打印机、交换机和串口服务器各1台，中心站网络结构见图4。通过串口服务器连接超短波电台及GSM模块，用于采集野外遥测站的雨水情信息。

图4 中心站网络结构

服务器操作系统软件采用WINDOWS SERVER 2012标准版，工作站操作系统采用WINDOWS 10 专业版。后台数据库软件采用SQL SERVER 2012标准版。数据库服务器主要用于数据存储与检索管理，通信服务器主要用于实时数据的采集、处理、存库工作，工作站主要用于安装系统应用软件，供值班人员操作及运行管理。

为防止突然断电而影响系统正常工作，对计算机造成损害，配置一套UPS电源，确保中心站能够在UPS供电情况下运行4h，并且可消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等电源污染问题，改善电源质量，为系统安全、稳定运行保驾护航。

6.2 应用软件功能开发

中心站应用软件主要功能要求是实现对遥测数据的接收、处理、展示和发布。软件采用Client/Server结构开发，以数据库为系统的核心中枢，在系统数据库设计与建立及其服务中间件模块开发的基础上，开发形成以下应用子系统：

a.数据接收处理子系统。配有遥测站信息管理、遥测数据接收、遥测数据处理等功能。遥测站信息管理包括遥测信息浏览、遥测站基本信息、遥测设备资料、看护人资料、遥测站参数设置及设备运行维护情况等；遥测数据接收则是通过接收界面展示各遥测站的数据接收情况；遥测数据处理包括计算测站时段、日、旬、月、年雨量,计算测站水位对应的实时流量，计算处理成测站时段、日平均、旬平均、月平均、年平均水位(流量)等。

b.水务计算子系统。利用系统实时接收的水库坝上、坝下水位等资料，按水量平衡原理，自动计算入库流量、出库流量和发电流量等水务数据，存入数据库供系统展示和用户查询。

c.监视预警子系统。可根据用户预先设定好的报警项目或报警限值进行自动报警，提醒工作人员及时处理，保障系统正常运行。

d.查询分析子系统。包括水位、流量、雨量过程线图表及其统计结果，流域雨量分析图、雨量等值线或等值面图，流域雨洪对应图表及其统计分析结果，采用水工建筑物图进行工情展示与分析，洪水预报成果查询与分析，流域防洪预案展示与分析。

e.数据库管理子系统。数据库分为历史数据库和实时数据库。历史数据库用于历史数据、整编数据的存储和高级应用的支持，以及其他系统的访问服务；实时数据库用于支持数据的快速访问，支持各种实时应用。主要功能包括数据录入、数据导入、数据导出、数据库日志管理、数据库备份、数据库恢复等。

f.洪水预报子系统。主要功能有数据预处理、实时洪水预报、模型库及参数管理、预报方案管理、预报成果管理、历史洪水管理、预报模型参数率定等。

g.水库调度子系统。主要功能包括防洪调度形势分析、预案生成、预案仿真、预案比较、预案管理等。

7 系统建设实施与试运行

水情自动测报系统建设是一个覆盖范围广、多学科交叉且技术较为复杂的系统工程，在该项目实施过程中，根据设计确定的实施方案进行设备采购与集成测试、野外遥测站土建施工及安装调试、中心站网络搭建及软件开发等多方面具体工作，都需要专业技术人员参与，并明确各自的具体任务与目标，多方协同配合，才能高效有序地完成。本项目自合同签订到验收大体分为以下5个阶段：项目筹备(包括实施方案编制、现场勘查、方案设计、方案优选、设计方案审查)、生产集成(包括设备购置、应用软件开发)、出厂验收(包括系统联调、检验、测试)、设备运输、现场安装调试。经过5个月的组织实施，系统安装调试工作于2018年7月顺利完成，并通过本项目的初步验收。自从系统投入试运行以来运行稳定，数据接收正常，各站点畅通率平均达到97%，入库洪水预报的结果合理，见表2。由于水库还没有蓄水，无法推求实际入库流量，目前暂时无法进行精度评定。

表2 系统投运后2018年各场次入库洪水预报结果

8 结 语

扎敦水利枢纽水情自动测报系统由中心站、中继站和13个遥测站组成。该系统建设工期较短，在设计和建设实施过程中采用规范化管理，通过编写系统设计方案和实施方案，在设计联络会上与业主沟通确认，在合同规定的时间内顺利完成设备采购、配套土建、软件开发、安装调试、系统试运行等建设内容。从系统的试运行情况来看，自动化程度较高，运行稳定、可靠，达到了预期的建设总体目标。期望用户加强管理与维护，在今后的应用中不断积累经验，发挥系统应有的功效。