红谷田水库水情测报系统的设计研究

(1.保山学院信息学院，云南 保山 678000； 2.云南省施甸县水务局，云南 保山 678200； 3.云南省施甸县应急管理局，云南 保山 678200)

1 引 言

红谷田水库位于怒江右岸支流施甸河中游，坐标为东经99°12′38″，北纬24°49′2″。坝址以上控制面积50.5km2，流域平均海拔2063m。该水库是一座具有农业灌溉和农村人畜饮水功能的综合性水利枢纽工程，总库容1190.3万m3，坝高85.7m，水库工程等别为Ⅲ等，水库规模为中型。核心建筑物有大坝、溢洪道、输水隧洞。其中，大坝坝型为黏土心墙堆石坝，坝高85.7m，大坝为2级建筑物，溢洪道、输水隧洞等主要建筑物为3级。

该流域属于中亚热带季风性气候区，每年6—10月气温较高、雨量充沛、降水日数多，降水量约占全年降水量的72%。其中，6—8月约占全年的49.9%。洪水由暴雨形成，发生时间和暴雨对应，常常发生在7—9月，属典型的山区性小河流，洪水历时一般在24h以内。据史料记载：1973年、1976年、1983年该流域上游的小(1)型水库曾发生过垮坝、下游官市河曾发生决口等险情。通过建立红谷田水库水情测报系统，不仅可以加强水资源利用决策的科学性和主动性，还可以提高水库运行管理的应变能力和水资源配置水平。其不仅是水库运行管理的重要措施，也是水文预报、防汛抗旱、最严格水资源管理的主要依据。

2 红谷田水库水情测报系统

2.1 系统任务

红谷田水库水情测报系统的主要任务是通过运用遥测、通信和计算机等先进技术，实现水文信息的自动传输、处理和预报，从而为该水库的经济、安全运行管理提供决策依据。通过水情测报系统的建设，相关人员能准确地掌握水库流域的雨情，并根据预报信息提前知晓水库的入库水量，从而提前预泄水量，以保障水库在运行过程中的安全性。同时，通过不断积累水情资料，适时复核水库水文成果，可为科学制定调度方案提供更可靠的水文资料。

2.2 系统功能

红谷田水库水情测报系统的设计基于现有已建水库运行成果，并结合了红谷田水库的工程实际。系统的主要功能有实时采集、数据存储、人工置数、数据传输与接收。同时，还可形成各类文件、报表等。此外，系统还具备报警功能。该功能可分为要素越限、电源欠压以及设备事故的报警三种类型。系统的网络设计综合考虑了与国家、省防汛水调网的连接，网络设计需具有可扩展性及先进性。水情测报系统软件包含数据采集、通信接收、数据存储、水情界面等功能模块。该系统软件运行在分中心站的水情采集工作站上，以 Microsoft SQL Server为后台数据库，能够通过随时或定时的方式来读取遥测站传输过来的信息。该系统可对相关的数据进行存储和整理，同时绘制出相关的图表并具备打印和传输的功能。其基本特点如下：

a.遥测站无人值守，具备良好的防雷能力。即使在暴雨、洪水等较为严酷的条件下仍可持续稳定工作。

b.遥测站采用太阳能板及蓄电池进行供电，遥测设备具备超短波、GPRS等多种通信方式。

c.包含自检的能力，能够监测电源电压。同时，遥测站能够进行GPRS通信。

d.自动测报站可在温度范围为-15～ 50℃、相对湿度小于95%的条件下正常运行。同时，可以连续工作至少6个月。

2.3 水情测报系统站点布设及组成

根据《水文自动测报系统技术规范》(SL 61—2015)的要求与洪水预报、调度的需要来布设整个系统的遥测站点。水情遥测站包括水位站、雨量站及雨量水位站，系统架构见图1。在流域现有的水文和报汛站网的基础上，以满足控制测区水、雨情变化和预报、调度的需要为目标来布设遥测站网。遥测站点的布置原则如下：

a.原有水文、水位、水库站不变更其位置。

b. 雨量站的设置首先要符合通信的要求，其次所设置的位置在将来应能够获取到具有代表性的历史降水资料。

c. 若所设置的兼具控制降水量长期变化规律功能的代表性雨量站所处位置的通信条件较为恶劣，可以就近重新建立一个站点。

d.对于无人值守的遥测站，应设置在交通便捷便于后期维护的位置。

e.根据《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)中的细则来确定测井与水库上游、下游水位遥测站所处的位置。

图1 水情测报系统架构

红谷田水库的上游区控制径流面积为50.5km2，按径流面积及空间分布、高程分布情况布设雨量站的原则，以及库区降雨空间的分布情况来布设雨量遥测站。在流域范围内设置2个遥测雨量站，收集流域的雨情。水库枢纽区建遥测水位雨量站1个，自动测报库水位及库区雨情。在输水隧洞出口明渠段建立出库水位监测站，采用全量浮子水位计测量渠道过水水位。水位数据通过遥测采集终端采集后，经GPRS传输至分中心的数据采集管理系统。然后，经软件处理，计算输水隧洞的出流量。在供水管安装电磁流量计，测报供水流量数据。本系统中，遥测雨量站、库水位雨量站、输水洞出流站及供水流量站均为遥测站，遥测站实时采集相关水情数据，实时发送所测量的数据。

2.4 系统的工作体制与通信系统结构

系统的工作方式一般可分为三种类型，分别是自报式、应答式和自报/应答兼容式。其中，自报式是测站自动采集并发送数据给中心，这种方式结构简单，可靠性高、整体功耗低，但可能发生信号碰撞；应答式是中心召测、测站应答的工作方式，控制性较好，没有信号碰撞的问题。但测站一直处于值守状态，功耗较高；自报/应答兼容式具有两种工作方式的功能，但功耗高的问题仍无法避免。

为提高系统可靠性和满足防汛调度的需要，系统的数据传输和通信采用了自报式的工作体制。

在本系统中，遥测站的数据被集中传送至水库分中心站处理。

系统采用 GPRS作为主要水情遥测站的通信组网方案，在方便系统建设与统一传输水情数据的情况下，各水情遥测站通过移动公网与分中心站之间实现数据通信。GPRS移动通信的优点较多，其不但建设成本低，而且后期的运营维护较为便捷，通信距离可不受限制。

2.5 水库分中心站

红谷田水库水情自动测报系统分中心站是本水情测报系统的核心，是连接、接收、处理和远程控制水情测报系统内测量站点的系统中心。分中心站能实时接收各遥测站的数据(包括人工置数信息)，然后做出合理性检查、打印并存贮原始数据；同时，还可将收集的数据进行归类并生成数据文件，可对数据文件进行查询、插补和修正。在数据处理的过程中，可以进行图表化处理，并显示、打印、绘制各种表格与图形。分中心站的水情硬件设备主要包括接收、处理系统数据的测控中心前置机、工作站、服务器等设备，以及交流隔离稳压电源、UPS 等供电保障设施。

分中心站计算机采用了B/S和C/S架构。水情采集工作站通过互联网接收遥测站发来的数据, 然后传送给水情服务器。该水情服务器只连接内部局域网，不准许对外与互联网连接, 即内、外网物理隔离。网络结构采用以太网，网络互联使用TCP/IP 协议。分中心站的计算机监测处理系统是一个开放式实时应用系统，其利用计算机虚拟前、后台，从而完成所有数据的处理。

2.6 系统防雷措施

水情测报系统的数据处理终端设备、GPRS 通信终端、计算机监视设备、中心站机房、建筑物的设计均采取了防雷措施，且分中心站和遥测站的防雷措施均符合规范要求。总体上，水库分中心站电源系统的防雷及过电压保护采用三级防雷保护，各级的设置位置根据机房的配电情况进行了合理设置。同时，对遥测站的超短波通信设备等进行了信号防雷设置。

3 主要设备

3.1 雨量传感器

本系统主要采用翻斗式雨量计作为遥测雨量站、遥测雨量水位站测量降雨的传感器。翻斗式雨量计分辨率为0.5mm。

3.2 水位传感器

本系统中选用全量式浮子式水位计测量水位数据。

3.3 超声流量计

本系统采用TDS-100F超声波流量计。

3.4 遥测站数据处理终端机

本系统遥测站使用 YDH-1 数传遥测采集终端采集、处理和传输数据。

3.5 GPRS 移动通信终端

GPRS无线通信模块能够提供专用的网络，以实现点对点、外围设备间、外围设备与中心节点之间的通信。

3.6 遥测站供电设备及交流电源避雷器

分中心站采用了不间断电源(UPS)，容量为 3kW，供电时间为8h。遥测站采用太阳能蓄电池供电。交流电源避雷器采用国内稳定可靠的产品。

4 结 语

红谷田水库水情测报系统的建设，对方便相关人员实时掌握水库流域的雨情起到了积极作用。通过预报可提前知晓水库的入库水量，从而提前预泄水量，以保证水库的安全运行。此外，通过积累的水情资料，复核水库水文成果，可为水库制定科学调度方案提供更可靠的水文资料。系统的主要任务是：当预报发生超标准洪水时，实时向下游发出洪水预警，并监测上游水情。结合水情、暴雨预报情况，做好入库洪水的监测。在洪水达到警戒水位，洪峰到达之前，该系统具备与省防汛部门的连接功能。省、市、县防洪部门依据上报的应急预案和应急机制，可迅速向下游可能受影响的各乡村发布信息，及时组织人员撤离，从而保障人民的生命财产安全。