水情自动遥测系统在桃山水库二期工程建设中的应用

王宇航，高广峰

(桃山水库管理处，黑龙江七台河154600)

桃山水库二期工程坝址位于倭肯河干流中上游七台河市，是一座以防洪和城市供水为主，兼顾灌溉，养鱼等综合利用的大型水利枢纽工程。承担着工程本身安全和下游的防洪调度任务。基本上控制了倭肯河上游山区的洪水。通过该水库调度，对七台河市及下游防洪具有一定的削峰和错峰作用。可保护在50 a一遇洪水情况下，七台河市及下游16个村屯、1万hm2农田、20余万人口，及牡佳铁路、鹤大公路的安全。水情自动遥测系统是二期工程建设的组成部分。

水情自动遥测系统是在计算机监控下，利用有线、无线及其它通信设备进行联机，对水雨情数据自动采集、传输、处理，并由计算机进行水情预报、水库调度实时作业等内容的高科技自动化系统工程。系统的建立是做好防汛、调度工作的重要措施，具有显著的经济效益和社会效益。该系统的建设显著地改善了流域的水情报汛、水文预报、防洪调度的手段，在防洪和兴利工作中发挥了显著的作用。

1 采集方式和组网方案

1.1 采集方式

①雨量采集方式:采用翻斗式雨量观测设备，精度为1 mm，当雨量达到1 mm时，自动向中继发送数据。采集降雨强度可达4 mm/min，误差≤±3%。工作时，降水进入环口控制面积，由集水器汇拢后，通过进水漏斗进入翻斗;当计量到一定水量时，翻斗翻转，翻斗上的磁石吸合或释放翻斗旁的干簧管，产生一个通断信号，该信号进入终端机进行累加计算，以数字代码形式发射。采用双信号输出方式。②水位采集方式:水位观测设备采用水位测井和浮子式水位计。当水位升降1 cm时，自动向接收方发送数据，为防止风流影响，采用5 min定时采集。③流量采集方式:根据《河流流量测验规范》和《水工建筑物测流规范》的要求，对入库和出库站进行了流量测验，采用流速面积法计算流量，人工置数方式传输，除出库水文站采用驻测外，其余水文站均为巡测。

1.2 组网方案

系统以桃山水库管理处作为中心数据接收站，龙湖二矿办公楼为中继站，利用超短波无线信道将各遥测站采集的水雨情数据传送到中心站。中心站收集到这些数据后，由后台微机进行分析处理，显示各站水、雨情信息，并负责数据资料的长期存储，各种水情报表的绘制。

根据水文站网布设原则及库区汇水范围内地形及支流情况，以已有站点为主，建设20处水情自动遥测站点:系统中心站1处(桃山水库管理处)，中继站1处，入库水文站2处(北兴、新发)，出库水文站1处(坝下桃山)，库水位站1处(坝上库区)，单雨量站16处(四新、靠山、石龙山、铁山、金乡、北兴三队、种畜场十队、种畜场五队、金沙经营所、新青、胜利、向阳、北兴22队、北兴27队、北兴24队、北兴17队)。

2 系统功能特点

桃山水库水情自动遥测系统是一个水情数据自动采集、传输及处理的实时测报系统，可以运行在网络的不同工作站上。具体以下功能特点:①在暴雨、洪水等恶劣天气条件下能可靠、稳定地工作，设备的可靠性强。②设备符合结构简单可靠、低功耗的原则，有防雷措施，中继站、遥测站能在无人值守、无人看护的条件下工作。③遥测站能在环境温度－10℃～45℃、相对湿度<95%条件下工作，能连续可靠地工作6个月以上，其通信畅通率应>95%，误码率<10－5。④遥测站能自动采集实时水情数据并自动定时将水情数据发送至中心站，数据精度满足规范要求.雨量计分辨率为1 mm，测雨强度为0.01～4 mm/s;水位计分辨率为1 cm。⑤遥测计算机对前置机中原始数据有随时、定时采集的功能，对这些数据进行纠检错、分类存储、检索、修改、显示、打印、超线报警，具有键盘输入功能。可随时提供设备工作状态表。数据处理软件查询部分包括遥测站网分布图，实时遥测数据的分布显示，任意时段遥测数据图表显示等。当电网断电时，遥测前置机能够继续工作7 d以上，可以存储、打印原始数据;计算机数据处理设备能连续工作8 h以上。⑥遥测数据处理软件能够定时、人工、随机地主动(或被动)将整理后的时段数据送入后台洪水调度系统数据库中。整个系统的反应速度在20 min以内。⑦系统测站和中继站电源采用单晶硅太阳能电池板，采用免维护蓄电池进行浮充充电。能够满足30 d阴雨天情况下，保证设备的正常运行。

3 水情遥测系统硬件配置及其功能和技术指标

桃山水库水情自动拨测系统采用自报制式，其硬件配置由以下各类组成:

3.1 传感器

系统观测项目为雨量和水位，分别选用翻斗式雨量传感器和浮子式水位传感器。技术指标为:

3.1.1 雨量计

1)信号方式:双信号转换输出。

2)承水口径:200±0.6 mm，刃口角40°～50°。

3)分辨率:1 mm。

4)测量误差:≤±1 mm的概率为95%(以自身排水量为准)。

5)雨量强度:0.01～4 mm/min，允许最大雨量8 mm/min。

6)贮存温度:－10℃～50℃。

3.1.2 水位计

1)测量范围:0～40 m，0～10 m。2)分辨率:1 cm。

3)测量误差:±1 cm。

4)允许变率:<40 cm/min。

5)码制:格雷码。

6)工作温度:－10℃～50℃。

3.2 自报式遥测仪

自报式遥测仪是水情自动测报系统中的最基本的单元设备，采用的是单向信息输传方式。由控制器、调制器、显示器、发射机、天馈线系统、太阳能板与蓄电池组成。遥测仪在水情参数变化一个计量单位时，自动采集数据，编码发送给中心。在水文参数无变化时，每间隔5～6 h左右自动向中心传送数据，以示其工作状态良好，遥测仪可同时接入翻斗式雨量传感器、浮子式水位传感器和人工置数盒(显示器为外接时不能接入人工置数盒)，其发射功率分为大功率和中功率两种，分别配备不同容量的蓄电池和太阳能板。

3.2.1 主要功能

①接入雨量传感器和水位传感器，当雨量每增加1 mm或水位上涨/下落1 cm时，向中心发送一次实时采集到的数据。(发送水位数据的时间间隔超过5 min)。②当无水文参数变化时，遥测仪间隔5～6 h自动地向中心发送一次数据。③按主板上“发射”键可重发上一次发送的数据，按“清零”键，则清楚遥测仪内部所存贮的雨量、水位数据。④备有一串行输入口，可转发人工置数数据。⑤数据发送前载频建立时间有八挡设置。⑥可任意设定遥测站的站号地址。⑦遥测仪具有强掉电功能，每次开机上电后约1 s钟强迫掉电。

3.2.2 技术指标

①调制解调器;数据传输速率:300波特;调制方式:FSK制式副载频频率:采用 CCITT标准;传号:980Hz;空号:1180Hz;②主机值守电流≤50 μA;整机功率≤100 μA×12 V;③收集水文参数的精度:雨量:1 mm，水位:1 cm;④通信指标:发射机功率在任何工作条件下不低于额定值80%;通信频率:224.050 MHz，231.050 MHz;发射机功率:5W 20W;调制频偏:3.5 KHz，最大5 KHz;发射机建立时间:≤30ms;输入输出阻抗:50Ω;⑤天线:天线阻抗:50Ω;驻波比:<1.2;⑥信号线:馈线:50Ω同轴电缆;雨量线:3芯带屏蔽导线;水位线:16芯带屏蔽导线;浮充电源线:2芯分色护套线;⑦蓄电池容量分别为6.5 Ah和13 Ah(大功率);⑧太阳能电池板功率为5 W和10 W(大功率);⑨设备可靠性:平均无故障时间:MTBF>5 000 h;⑩环境条件:温度:－10℃～+50℃;相对湿度:≤90%。

3.3 自报式中继机

自报式中继机，设备简单，功耗低，可靠性高，可以带几个或十几个终端站。中继站一般那架设在高山地区，维护不大方便，因此要求中继机要有很高的可靠性。由于中继机采用太阳能浮充供电，为避免连阴雨天造成的电源低落而影响系统的可靠性，所以在电路设计时采用低功耗设计。

3.3.1 主要功能

①以存储再生方式实时转发数据信号;②具有超时工作时的强迫掉电功能;③可以方便地由开关设定服务范围、发射前导时间等;④能够进行站址识别，对于不在服务范围的信号不予转发;⑤具有双机热备份功能，能实现主备机自动切换;⑥定时采集电源电压并发给中心，以便中心能及时了解中继站的电源及工作情况;⑦可以接入双簧雨量计兼做雨量站。

3.3.2 技术指标

调制方式:FSK;传号:980Hz，空号:1180Hz;传输速率:300bit/s;整机值守功率:≤50mA×12V;发射机功率:5W;电源范围:DC+12V(－15%～+10%)。

传输格式:采用4字节异步串行通信格式。窄带滤波器:为避免信道干扰引起的中继机误上电，采用窄带滤波器进行载波测试。中心频率980Hz，带宽30Hz。平均无故障工作时间:MTBF>5 000 h;工作环境:温度:－10℃～+55℃;相对湿度:≤95%。

3.4 前置接收机

水情自动遥测系统自报遥测前置控制通信机(简称前置机)是水情自动测报系统的中心站的值守机，即是一个完整的通信控制机和预处理机。它由通信电台、接口电路、调制解调器、天馈线、电源等部分共同组成。它具有实时接收、暂存和预处理测站原始数据、并把这些数据及时传送给后台微机的功能。前置机能长期连续工作，具有高可靠、低功耗、实用、易于维护的性能。

3.4.1 主要功能

①实时接收和暂存各遥测站、中继站发送的原始数据和告警信号，并注时标。②能对收回的数据进行检错、纠错处理，处理后的数据经过整理、压缩、规类、分别存入内存保存。能暂存各遥测站(全系统按50个站计算)两天以上的原始数据。③前置机一般配有两个接口，分别用于:A:RS－232串口与后台微机进行双向通信;B:采用标准并行口与打印机连接。④可利用拨盘进行接收范围设置。⑤可配接打印机，实时打印原始数据及检测各检测站工作是否正常。也存贮打印前置机暂存的原始数据。⑥可利用按键随时显示、修改、校正时钟时间。⑦可利用按键对存贮的原始数据进行清零。⑧前置机在系统中能起到减轻主机负担、扩大主机选型范围、便于系统的软硬件的开发配置、增加组网灵活性和通信控制管理机的作用。在交流电源断电的情况下，用大容量免维护蓄电池继续工作。

3.4.2 技术指标

值守功耗:<70mA(不含电台);传输速率:300bit/s;站号范围:0～255;调制解调方式:FSK;音频输入电平:>100mv;误码率:pe≤10 －5(20db，S/N);工作电压:DC12v。

通信设备技术指标:接收机灵敏度:<0.5μA(20db，S/N);天馈线阻抗:50Ω;工作环境:5℃～40℃;平均无故障工作时间:MTBF>10 000 h

4 水情遥测系统软件及其功能

水情遥测系统软件运行在中心站的后台机Microsoft Windows98或NT上，以Microsoft SQL6.5 Server为后台数据库，该软件使用串行端口，可随时和定时到前置机中读取各遥测站发来的水情数据，负责对数据资料的存储、查询、整理、各种人机界面的显示和各种图表的绘制及传输和打印，并自动向国家防总规定的网络服务器SQL Server数据库中存储水情数据。软件具有系统结构显示功能，可以显示系统结构的概况，同时，软件还提供系统设置功能，使用户在合法的权限内能对遥测站点的名称、站号、对应的遥测参数(雨量、水位等)进行设置和更改。同时对每个遥测站点图形方式的数据显示位置进行设置，以方便系统的使用和扩充。遥测系统网络数据库的数据结构统一使用国家防总《水情自动遥测数据的网络环境及其数据表格式》中规定的结构，可以方便地实现与洪水预报软件连接。

软件系统具有下列功能:①实时接收以联机方式进入中心站的原始数据，经过检纠错、加注时标后形成暂存文件。②数据处理。由中心站的计算机系统(中心计算机)完成。主要是对接收到的原始数据进行分解、检错、换码、分类、超限判别等一系列处理后，写入数据库。③信息查询。管理人员和水情人员可以使用这一功能模块以交互方式查看所存水、雨情数据、系统运行状况、测站和系统的特征参数等，进行数据查询、检索、水情图表显示、绘制和打印。④进行时段径流量测算。各类水文参数月、年平均值、最大、最小值等特征数据的统计、计算。⑤编制水文图表。按照预定的项目和图表格式显示和打印各类水文数据的日报表，测站分布图，指定时段的雨量分布图，各类水文参数的过程线图等。⑥数据库和数据库管理。数据处理系统的数据库由水雨情数据、系统和测站特征参数、历史水雨情特征数据3类数据文件组成。⑦和上级中心站、外部系统进行数据通讯。向有关部门传送水情信息。⑧软件运行环境为Windows98和Visual Foxpro 5.0。

5 结语

桃山水库水情遥测系统工程建成后收到明显的社会效益和经济效益。该系统实时采集传输流域各站水位、雨量信息和通过人工置数的流量，为桃山水库入库洪水预报计算提供准确及时的雨水情数据，进一步提高水库实时调度和优化调度水平，提高水库和城市防洪能力，对水库、河道提前预泄，减少水库下泄洪峰流量，减轻库区和下游损失将起到重要作用，对于保证工程安全和减轻下游地区防洪压力具有重要的现实意义。

[1]黑龙江省水利水电勘测设计研究院.黑龙江省倭肯河桃山水库二期工程初步设计报告[R].哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2006.

[2]大连理工大学，国家防汛抗旱总指挥部办公室.水库防洪预报调度方法及应用[M].北京:中国水利水电出版社，1996.