荆州区沙港水库水文自动测报系统集成设计与应用

2012-11-25张健

水科学与工程技术 2012年6期

张健

（长江大学计算机科学学院，湖北荆州434023）

1 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，始建于20世纪70年代初期，是1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78.0m，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15.0m，高程61.59m；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0.54%，水库正常水位69.50m，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，洪水主要由暴雨形成，暴雨持续时间一般为48h，流域内年降雨量650mm。

当前，由于水库坝体均未设置渗流量观测设施，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；水库处于限制蓄水位和带病运行状态；大坝欠高、边坡渗漏等严重影响大坝安全。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，急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，进一步提高水资源管理的速度和水准。

2 水库水文自动测报系统集成方案设计

2.1 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。

水位站：设置水位监测站2处，分别位于东坝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。

2.2 系统架构设计与通信组网方式

2.2.1 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［5］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。

图1 总体架构示意图

2.2.2 系统通信组网方式

根据本系统的总体设计目标，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。

2.2.3 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。

2.3 中心站测报软件功能实现

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如：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，用户亦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1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1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［3］。

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，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［4］，软件系统设置部分如图2所示。

图2 系统设置界面

3 系统试运行及测试情况

3.1 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1个主汛期为限，期间主要检验各测点功能、系统通讯畅通率及完成运行管理工作条例的指定，测试主要依据SL61—2003 《水文自动测报系统规范》、《沙港水库水文自动测报系统技术合同书》、SL34—92《水文站网规划技术导则》、SL250—2000《水文情报预报规范》、DL/T5051—1996 《水利水电工程水情自动测报系统设计规定》［1］。

3.2 系统测试情况

该系统自2010年6月投入试运行，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，但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2年的运行，该系统基本达到了技术合同要求，运行平稳、可靠，为水资源管理与防洪决策提供了科学依据。

4 系统运行产生的经济和社会效益

4.1 经济效益

沙港水库工程防洪保护面积0.34万hm2，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%估算，多年平均减灾效益可达1500万元；国外同类系统寿命一般为8年以上，项目建成后，保守估算总效益可达1.2亿元，投入产出比较大。

4.2 社会效益

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；系统的应用也将大大减轻人工劳动强度，提高工作效率。系统建设前后对照具体见表1。