大唐华银怀化巫水流域水情测报系统设计

易赤宇

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙410004）

1 概述

1.1 流域概况

巫水为沅水一级支流，发源于城步苗族自治县巫山，由南向北，流经城步、绥宁、会同3个县，在洪江市汇入沅水。河道全长244 km，河流坡降1.81‰，流域面积4 205 km2，约占沅水流域面积的4.7%。高椅水电站处于巫水中下游，上距白云电站153 km，下距洪江汇合口31 km，在高椅镇上游600 m，地处北纬 26°57′，东经 110°01′。电站坝址以上流域面积为3 642 km2。流域呈南北狭长的条带状，地势南高北低，两岸森林茂密。

1.2 气象概况

巫水流域处于亚热带气候区，湿热多雨，冬冷夏热，夏季既受西风带天气系统的控制，也受副热带系统的影响,有时受两种系统的共同作用。锋面活动显著，气旋经过频繁，暴雨主要集中于4～6月，雨量占全年雨量的43.2%。

2 系统整体设计

2.1 设计总目标

设计的总目标：以实用、可靠、经济为基础，建立一个先进的无人值守的雨水情在线自动监测系统，实现对区域内雨水情实时测报、自动汇集、雨水情信息数据回溯、洪水预报之功能。

2.2 测报系统

2.2.1 主要技术指标

（1）响应速度

完成一次流域水情要素的收集、处理和预报作业的时间不宜超过20 min。

（2）测报系统的测报精度

1）水文要素采集精度，应达到表1规定。

表1 水文要素采集精度

2）水情预报主要方案的合格率应不小于70%，或确定性系数应大于0.70。

（3）系统的可靠性指标

遥测站和中心站单站设备的无故障工作时间（MTBF）应大于6 300 h；数据处理作业的完成率应大于95%；系统通过网络向上传送数据的畅通率宜达到99%以上；水情自动测报系统设备的可用度应大于90%。

2.2.2 站网布设

（1）水文 /水位站

巫水流域高椅上游已规划布设绥宁、河口水文站监测干流来水，不另布设。水文/水位站拟布设情况见表2（本次规划暂不考虑高椅、长寨测站）。

表2 巫水流域水文/水位站布设表

（2）雨量站

巫水流域初步布设7个雨量站，各子流域区间的雨量站情况见表3。

表3 雨量站情况

巫水流域各子流域雨量站网密度适中，同时因距坝址越近，雨量分布对入库过程的影响越大，因此站网密度越密。本次初步建议布点如表4。

表4 布点设置

2.3 中心站系统设计

2.3.1 功能要求

中心站的基本功能为自动处理遥测站传入的水、雨情数据，并能从监控系统中采集和自动处理坝前、坝后水位、电站雨量、机组负荷、闸门开度等资料，完成水务计算和水库调度统计报表等；进行实时预报，并根据预报结果进行防洪调度；能进行中、长、短期发电计划的制定，实时调度方案的生成，节水增发电量及弃水损失电量、水能利用提高率的计算等。

2.3.2 中心站网络结构

中心站计算机网络采用基于局域网的分布式多机系统，支持B/S结构和C/S结构。网络采用100 M/1000 M自适应的快速以太网技术，网络互连采用工业标准TCP/IP协议。

2.3.3 数据流程（图1）

图1 数据流程图

2.3.4 软件技术指标

（1）操作系统

数据库服务器操作系统采用WINDOWS 2008 Server企业版（25用户），服务器操作采用WINDOWS 2008 Server标准版（5用户）；工作站WINDOWS 7专业版。

（2）数据库

数据库软件：从本系统应用需求分析，本方案选择采用Oracle 11G标准版数据库软件。

数据库子系统结构分类：水情自动测报系统的各种信息可划分为遥测站管理数据库、遥测实时信息数据库、水雨情信息数据库、水情预报信息数据库、水库调度数据库、参数及工程基本信息数据库等6类。

（3）系统平台软件

系统平台软件主要实现水情水调相关数据的采集、接收、处理、存储、监视、报警、管理、维护、统计、分析、Web浏览服务、专业的水调图形、报表等。

（4）高级应用软件

1）水情预报软件子系统

洪水预报：

①入库洪水预报，预报要素包括洪峰、洪量和洪水过程；

②提供手动、自动预报两种方式可供选择；

③手动预报可自由设置预报时间；

④支持预报结果的表格数字修改和图形拖动修改的人工干预功能；

⑤提供预报结果实时校正功能,支持人工报汛预报功能；

⑥提供重要断面和入库站预报结果的图形、表格显示和输出功能。

2）水库防洪调度软件子系统

①可根据不同时期的要求对调度模式进行选择；

②选择相应调度模式和设置对应边界条件进行洪水调度演算。

3 平台软件设计

3.1 数据采集与处理

3.1.1 数据采集

数据采集至少应具有以下功能：

（1）遥测数据采集；

（2）预留从EMS端口接收EMS系统发送的数据（机组运行数据、发电计划）；

（3）具有遥测站运行状态的监视、报警功能；

（4）具有自动重连功能；

（5）具有IP地址限制功能；

（6）具有对遥测站进行远程参数设置、召测、软件更新等功能。

（7）预留其他对外通信接口。

3.1.2 数据处理

（1）数据处理功能

1）数据格式及工程单位转换功能；

2）实时数据的处理及各种数据、信息的限值检查及合理性校验功能；

3）实时数据的计算及处理功能；

4）数据的显示、报警、制表、打印；

5）允许有权限的人工数据、虚拟数据输入，数据增删，或数据导出、导入。

（2）数据处理要求

1）数据格式转换及工程单位转换不得降低原数据的精度；

2）限值检查和合理性校验。

（3）数据计算及处理

1）具备如下计算功能：四则运算、代数运算、三角运算、逻辑运算、逻辑判断运算、函数运算、自定义函数运算、查表运算、任意组合的运算公式；

2）提供方便、友好的方法供用户在线定义和修改计算；

3）计算的启动方式：按预先定义的日期和时间、周期事件驱动、条件驱动、其他计算的结果、人工请求。

3.2 数据库管理系统

数据库管理由历史数据库管理和实时数据库管理两部分组成。两种数据库均采用统一的数据库管理系统，建立统一的数据字典，支持冗余双服务器的热备用机制，并保证数据的一致性和完整性。

3.3 图形子系统

（1）控制流域图展示。

（2）流域遥测站数据展示（图形含站点位置、名称、信息等内容）。

（3）水电站工况展示图。

（4）雨量棒图展示（含单站、多站）。

（5）水位过程线图形展示（含单站、多站）。

（6）综合查询图形展示。

（7）预报过程线图形展示。

（8）其他专业图形和工作图形的展示。

3.4 报表子系统

（1）具有水位、降雨计算等多种统计函数，可以通过查表获得流量数据；

（2）利用报表编辑器可自由组合，制成满足不同需要和固定格式的报表。

（3）各种运行信息、参数统计报表。

（4）雨水情信息的各种日报、月报、年报。

（5）计算处理信息的各种日报、月报、年报。

（6）预报结果的统计报表。

（7）各种越限、报警、异常汇总表。

（8）调度表、业务表，其他相关部门要求的报表。

3.5 数据查询子系统

数据查询子系统提供多页查询框，可按多种条件、多种方式方便查询水调数据库中的各种静态资料数据、实时数据、历史数据、告警记录信息以及发电计划数据、洪水预报结果等，并可以进行各种统计、比较、分析。

3.6 系统维护与管理

针对本系统的建设规模，本系统所提供的维护与管理工具必须包括：权限管理工具、分步式进程管理工具、系统备份与装载工具

4 高级应用软件设计

4.1 水文预报软件设计

（1）洪水预报

洪水预报是指根据洪水形成原理及运动规律，利用前期和现时的水文、气象等信息，对未来的洪水所作的预报，不考虑未来降雨情况下其预见期不超过流域汇流时间，通常为数小时至数天。

（2）预报分析

三水源新安江模型作为蓄满产流的一种，可以在本次短期洪水预报中作为主选模型，进行预报方案配置。长江流域从1952年开始应用P～Pa～R三变数经验相关图进行预报，数十年洪水预报的实践证明，应用效果较好，本次预报中可作为备选模型，供预报方案配置。

目前河道洪水演算中，最具代表性的水文学方法为马斯京根法。因此本次洪水预报拟采用马斯京根河道汇流模型进行河道汇流计算，将其与降雨径流模型相结合进行整个流域的预报计算。

对预报结果误差修正的方法很多，按修正内容划分，可分为模型误差修正、模型参数修正、模型输入修正和综合修正4类。

此外，本次采用ARCGIS软件生成数字流域，进行流域分区、分单元、水系生成等，并提取流域河长、坡度等特征信息；面平均雨量将采用数字单元与泰森多边形叠置分析获得。综上，预报洪水径流预报拟应用的模型、方法见图2。

图2 短期径流预报拟应用模型、方法图

（3）预报方案

预报范围内根据流域水系分布、测站以及电站的布设情况，将预报区域划分为几块，每块的出口即为预报断面，块内考虑降雨分布的不均匀，再划分为若干个单元进行预报。本方案子流域内预报流程图见图3。

图3 子流域内预报流程图

4.2 水库调度软件设计

（1）防洪调度

洪水调度主要是制定洪水调度方案，在水库的调洪计算中，上游出库过程、入库洪水过程线、水位库容曲线、泄洪建筑物的型式尺寸及调度规则作为已知的基本资料，防洪调度方案制定的主要目的是推求下泄流量过程和库水位过程，以及结合闸门的启闭规则将下泄流量分配到各闸门，形成闸门开度的决策支持方案。

（2）发电调度

根据水库运用原则结合水库综合利用要求，按当前的调度规则，在确保大坝安全的前提下，运用水库的调蓄能力，寻求科学合理的运行策略，从而实现有计划地对天然入库流量进行蓄泄，达到充分利用水能资源，使水电站安全经济运行的目的。

5 结论

怀化巫水流域水情测报系统的建设，结束了大唐华银怀化分公司在巫水流域上雨水情在线自动监测的空白，为大唐华银怀化分公司争取了最大的防洪效益和发电效益，也确保了小洪电站的施工安全。为实现巫水流域的全覆盖，建议在小洪电站投产后继续完善，建立集控系统，实现巫水流域梯级调度。

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[1] 孙增义,吴跃.水情自动测报技术基础及其应用[M]. 北京：中国水利水电出版社,1999.

[2] 汤成友,官学文,张世明.现代中长期水文预报方法及其应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[3] 王光生,宁方贵.实用水文预报方法[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.