荆州区沙港水库水文自动测报系统集成设计与应用研究

□张 健 陈国瑞

一、水库工程概况

沙港水库位于荆州市荆州区川店镇西北4.2km处，坝址在川店镇三界村，拦截沙港溪流坝址以上来水面积12.78km2，总库容1416万m3。水库工程建于上世纪七十年代初期，是一座担负着防洪、城市供水、灌溉、发电等综合利用任务的中型水库。

水库枢纽工程由大坝、冲沙泄洪洞和灌溉输水洞等建筑物组成。大坝为均质粘土坝，长1450m，坝顶高程78m，宽5m。大坝由东坝和西坝组成，上游边坡1:3.25，为预制块护坡，下游边坡为1:2.5—1:2.75；内平台宽15m，高程为61.59m。沙港水库坝址以上集雨面积12.78km2，主河流长4.3km，坝址上游河床平均坡降为5.4‰，水库正常水位69.5m，相应库容775万m3，总库容超过1416万m3。

水库所处地区梅雨季节与汛期气候对水库水位的涨落影响较大。汛期时，该地区洪水主要由暴雨形成，暴雨持续时间一般为48h左右，流域内年降雨量约650mm。

一直以来，水库坝体未设置渗流量观测设施，水库现防洪标准已达不到设计要求，存在防洪标准低、配套设施不完善、工程老化、年久失修等问题。水库一直处于限制蓄水位和带病运行状态，水库大坝欠高、边坡渗漏等问题严重影响大坝安全。为全面提高水库防汛现代化与信息化管理水平，科学利用水资源，确保水库工程安全及减轻荆州市及下游太湖港的防洪压力，最大限度地发挥水库综合效益，亟待建设一套快速及时、准确可靠、先进实用、高度自动化的水雨工情信息采集、监测自动化系统，以实现对水库安全运行状态、水雨情、水库环境等信息的实时监控，为防洪排涝、水资源优化配置提供决策支持，进一步提高水资源的管理水准。

二、水库水文自动测报系统集成方案设计

(一)站网设置

遥测站网的布设是综合考虑沙港水库以上流域的自然地理特性、降雨洪水特点、洪水预报的要求，共布设中心站1处、水位站2处、遥测雨量站2处。

中心站：系统遥测中心机房设在荆州市荆州区沙港水库工程管理局办公楼内。

水位站：设置水位监测站2处，分别位于距东坝0.1km、西坝0.2km处。

雨量站：设置遥测雨量站2处，分别位于水库工程管理局和川店镇镇政府楼顶处，平均每站控制面积6km2。

(二)系统总体架构设计与通信组网方式

1.系统总体架构设计

沙港水库水文自动测报系统是由雨量、水位、传输、中心控制、存储检索、预报等模块所构成的有机整体：系统总体架构分为前端数据采集单元、遥测终端RTU控制、无线传输、接收终端、上位机控制单元、中心站测报软件等几大部分。系统采用220V市电与太阳能供电相结合的方式最大限度地保障系统的安全、稳定与不间断运行。

布设于东、西坝两侧的2个超声波水位传感器分别和与之对应的超短波电台发射端相连，传感器将实时采集的水位数据转换为RS485信号后，通过超短波通讯方式发射出去，与之对应的接收端电台在收到各自传来的调制数据后进行解调，再通过双绞线接入接收终端串口服务器其中2路RJ45串口输入端中；布设于水库工程管理局和川店镇镇政府楼顶处的2处雨量监测传感器分别与不同的遥测终端RTU相连：其中一路雨量数据通过GPRS方式发送至上位机控制单元接收，另一路雨量数据通过遥测终端RTU转换为RS485信号后接入接收终端串口服务器其中1路RJ45串口输入端中。

该测报系统设计为自报式与召测式相结合的工作方式,所有测站都具有定时自报和增(减)量加报功能。当被测水文要素(雨量、水位)发生变化并达到规定的增(减)量时，测站自动向中心站报送实时水文数据。而中心站数据接收设备始终处于等待接收状态，亦可人工干预随时或自动定时召测各遥测站水文信息，雨量遥测站RTU的工作参数亦可由中心站测报软件远程修改。系统总体架构设计如图1所示。

2.系统通信组网方式

根据本系统的总体设计目标，综合考虑各种通信方式的优劣，本系统采用双信道通信的复合网络结构(星型网络与带状网络相结合)的组网方式。

3.系统设备选型

系统所选择的前端水文数据采集设备分别是南京水文自动化研究所研制的JDZ05-1型雨量计和YDZ-YL9型超声波水位计，遥测终端选用唐山蓝迪生产的RTU7000系列，超短波电台选用日精ND250A型便携式电台，接收端服务器选用北京集智达科技生产的JZD-7016-8M机架型串口通讯服务器，上位机选用研华IPC-610MB-H工控机。上述设备均为目前国内最可靠、性能价格比最优并符合国家相关认证及技术标准的合格产品。

(三)中心站测报软件的功能

测报软件采用模块化设计，易于用户使用和维护，站点的扩充和参数配置均可由用户完成。用户可设置软件中的公共变量：系统名称、工作目录、流域图、遥测信息接收的水位变幅范围、数据存储时段等。用户可灵活设置系统内的测站数量，有选择性地接收中心站所需的遥测信息，设置测站参数(站名、站号、站类、零点高程、报警水位等)，可定义测站每一个端口的采集信息类型。测站中的RTU能实时采集雨量信息，每一个端口上采集的信息可由“测站设置”功能来实现。数据导入、导出功能可以备份、恢复数据。

用户亦可根据自己的要求使用软件中的图形绘制功能生成各种图形，如过程线、棒图、雨强图、测站图、文本、位图、直线等20余种对象图元，可自由组合。还可在多种图形中(如流域图、雨强图、棒状图、过程线等)直接与实时数据库相连，以便从图上直观监视水位、雨量等测点的实时变化情况，软件系统设置部分如图2所示。

三、系统试运行及测试情况分析

(一)系统测试标准

系统建成后，对系统运行进行了前期测试，试运行以一个主汛期为限。期间主要检验了各测点功能、系统通讯畅通率以及完成运行管理工作条例的指定。测试的主要依据有《水文自动测报系统规范》(SL61-2003)、《沙港水库水文自动测报系统技术合同书》、《水文站网规划技术导则》(SL34-92)、《水文情报预报规范》(SL250-2000)、《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》(DL/T5051-1996)。

(二)系统测试情况分析

该系统自2010年6月投入试运行以来，按要求进行了日常值守和现场专项考核，对系统功能、数据精度、可靠性、数据畅通率、供电能力等诸多方面进行了严格考核。试运行期间，系统软硬件部分运行基本正常，只是在运行中出现了个别问题: 中心站某一时段内雨量遥测站发来的雨情数据报文解析出现错误，服务器端软件无法及时接收解析后的数据并存至数据库，经技术人员排查故障并调整通信链路后，系统进入正常运行状态。

经过两年多的运行表明：该系统基本达到了技术合同要求，运行平稳、可靠。各测站设备工作正常，水文数据能及时、精准地传至中心站，水库管理方能及时掌握水库水雨情信息，为水资源管理与防洪决策提供科学依据。

四、系统运行所产生的经济、社会效益

(一)经济效益评价

沙港水库工程防洪保护面积约5.08万亩，对照湖北省已建防洪工程措施所占投资比例取分摊系数10%进行估算，多年平均减灾效益可达1500万元。

(二)社会效益分析

系统的建设增强了水雨情信息收集、传递与处理的时效性和准确性，提高了水情测报现代化水平与防洪能力，有效地减轻了发生洪水时因水情信息不准确、不及时而出现的严重威胁。及时、准确、可靠、完整的水情资料，为相关部门在防洪抗旱决策指挥与水资源的科学配置、调度方面提供了全面、科学、准确及时的决策依据。系统的应用还将大大减轻人工劳动强度、提高工作效率。系统建设前后对照情况见下表。

系统建成前后对照表