水情测报系统在高海拔山区河流流域的应用

李荣　张浩

摘 要：田湾河流域梯级水电站原水情自动测报系统于2007年建成并投入使用，2017年对系统进行了升级改造。本文从设备性能、设备先进性和适应环境能力等方面分析阐述，选取了适应本流域高海拔山区气象水文特性的系统设备。

关键词：田湾河流域；水情测报系统；设备选型分析

中图分类号：P332 文献标志码：A

1 流域概况

1.1 流域概况

田湾河流域位于四川盆地西缘山地，为大渡河右岸的一级支流，发源于贡嘎山西侧，主源磨西沟与最大支流环河均位于康定县境内，干流全长84.5km，全流域面积1400k㎡。河道磨西沟由北向南流，至子梅转向东南流，在魏石达先后有贡嘎沟和腾增沟分别自左、右岸汇入后始称为田湾河。下行至界碑石进入石棉县境内并有环河自右岸汇入，继续向东南流至金窝下游1km处的龚家沟口转向东北流，经草科、田湾在两河口注入大渡河。田湾河流域图如图1所示。

田湾河地理位置介于东经101041′～102011′、北纬29012′～29047′之間。流域左侧中上游以贡嘎山与磨西沟分水，下游与两叉河和什月河相连；右侧草科以下与瓦罗沟接壤，其余则与松林河为邻。本流域支流众多，山高坡陡，河流深切，四周分水岭高程一般都在4500m以上，有冰川以及雪山分布。最高的贡嘎山主峰海拔达7556m。岭谷相对高差1000m～3000m，呈典型的高山峡谷地貌。

1.2 流域气象特征

本流域位于四川盆地西缘山地，西接青藏高原东缘，为盆地到高原的过渡地带，属于亚热带湿润季风气候区。气候干湿季明显，气温由河谷向高山递减，降水山地多于河谷。本流域易产生地形雨，且夜间降水较多。

根据设在仁宗海水库电站附近的金窝气象站1999年-2000年资料统计，年平均气温为10.8℃，极端最高、最低温度分别为33.0℃和-4.8℃；平均相对湿度为85%，最小相对湿度为17%；平均年降水量1252.3mm；平均年蒸发量为589.1mm；平均风速为0.5m/s，历年最大风速为10m/s，相应风向为S。

草科以下的河谷地带，每年4月降水量明显增多，4月～10月降水量占年降水量的90%以上。

2 水情测报系统简述

2.1 水情测报系统简介及系统构成

水情自动测报系统是一个集通信、计算机、水文和遥测等先进科学技术于一体的多学科系统工程。田湾河流域水情测报系统由数据测量、采集、供电和通信等设备和计算机装置组合而成。系统能够自动实现流域雨、水情数据自动采集、传输、处理、存储功能，是汛期防洪调度、水库安全度汛和水库优化调度、水资源合理利用的基础和关键，在流域梯级电站防洪度汛、梯级电站经济运行以及流域水资源合理利用等方面都发挥着重大作用。

田湾河流域水情测报系统由1个中心站、两个水文站、3个水位站、1个流量站、9个遥测雨量站及两个简易自动气象站等共18个站点组成。中心站设置在田湾河公司成都远控中心，用于采集、接收遥测站点发送的水雨情数据；各遥测站点分布于流域河道、各大支沟及流域梯级电站上游水位观测处。

2.2 水情测报系统升级改造设备性能及适用性分析

原水情测报系统于2007年建成并投入使用，截至2017年系统升级改造，大多数站点已运行近11年时间，加之高海拔地区气压、气温和极端天气等加快了遥测站点设备老化速度，2016年、2017年多个遥测雨量站点陆续出现数据中断、失真等现象。部分水位站点使用的气泡式水位计也常因水下泥沙淤堵、侵蚀，错误数据频繁出现，多次维修无果，更换为雷达水位计。水文站使用的浮子式水位计测井被泥石流损毁导致无法正常使用。综上所述，原水情测报系统已无法满足系统畅通率和数据准确率要求，不满足正常生产需要。2017年5月对田湾河流域水情测报系统整体进行了升级改造。

2.2.1 供电设备选型分析

本流域17个遥测站中，10个站点均处于高海拔山区，站点设置处未通市电，且雨季山区阴雨天气多。为满足遥测站点设备连续工作时间要求，经过对设备耗电量计算和流域气候资料分析，我们最终选用太阳能电池板40W、南瑞公司ACS-SR充电控制器和易事特38AH蓄电池配套使用，该供电系统设备自身功耗小、充电控制效率高，有防反充、过充功能，能满足最大充电电流需要。

2.2.2 数据采集器选型分析

数据采集器是遥测站最关键设备之一，遥测站的全部功能几乎都体现在数据采集器的功能上，数据采集器完成水文数据采集，存储传输控制，它与水文传感器、通信终端连接，是数据采集及数据传输的控制系统。数据采集器需具备的功能有：（1）需要提供多类型连接串口和具备串口可拓展性以满足雨量计、水位计、流量计、卫星接口、GSM通信接口、供电电源接口等多类型测量设备、通信设备、供电设备接入和远期不同类型设备接入能力；（2）需要具备强大的存储功能以便对测站基本参数和测量历史数据进行存储；（3）需要具备远程通信能力，能够满足本地通信和远程中心站或手机修改、设置测站参数。综合数据采集器需要具备的功能条件以及田湾河流域高海拔湿润、低温特性，最终选用南瑞ACS500数据采集器。该设备工作环境温度-40℃～+70℃，具有1路单/双簧雨量接口，1路SDI-12及RS485总线接口，满足雨量计、水位计、各种智能传感器或者通过系列智能总线适配器接入各种传统的传感器，4个RS-232通信串口，1个受控12V供电口，1个浮充电源输入口。针对后期应用需求，设计了1路箱门状态报警接口和2路继电器开出控制接口。具有4MB FLASH存储历史数据，并配有1个SD卡接口，以任意扩展存储容量。同时该设备具有微功耗、电源极性保护、防误操作和自检等功能，保证设备的高可靠性、方便维护。

2.2.3 通信设备组网和选型分析

田湾河流域水情测报系统17个遥测站点中11个未通移动信号。因此本流域通信设备组网以卫星通信为主，其余覆盖移动信号的站点选用卫星和GSM双通道。卫星通信设备选用通用北斗YDD-03-1通信卫星，GSM通信选用南瑞低功耗DT4100通信装置。

2.2.4 水位计选型分析

原水情测报系统两个水文站水位采集设备采用的浮子式水位计，该类型水位计利用浮子跟踪水位升降，以机械方式直接传动记录，测量精度高、稳定性好。但因田湾河流域处于高山峡谷，流域河道比降大，且河道松散物质较多，易产生泥石流。流域遇较大强度降雨时，河道来水水质条件差，来水含砂石淤泥较多，频繁淤堵水位计测井，且测井后期不易清理，因而极易导致水位计计数误差大和因测井频繁淤堵无法正常施测。原水情测报系统3个水位站水位采集设备采用的气泡压力式水位计，该类型水位计测量精度高，但实际投入运行后，常因水下通气管被细颗粒泥沙淤堵造成气管腐蚀损坏，测量数据失真。

此次系统升级改造从经济性、适用性及维修难度等多方面对比，选用德国EH FMR51雷达水位計，该类型水位计为非接触式水位计，具有适用性广、不易损坏和维修方便的优点，不受水质条件差，泥沙严重的限制，适用山区和水质条件较差的河流。

2.2.5 雨量计选型分析

田湾河流域位于四川盆地向青藏高原的过渡地带，属亚热带季风气候区。流域内由于地势高差悬殊，立体气候显著。流域多年平均年降水量1252.3mm。本次系统升级改造使用行业市场广泛使用、性能稳定的南水科技0.5mm分辨率的翻斗雨量计。

2.2.6 温湿度计、风速风向计选型分析

原水情测报系统采用的温湿度变速器测温范围为0℃～50℃，而因高山高海拔地区常年气温较低，冬季低温远低于零度，本次改造将原温湿度变速器型号更换为罗卓尼克Hydro Clip02型号，该型号温湿度变速器测量范围为-10℃～85℃。风速风向计也更换为对高原气候温湿度更有耐受性，利用超声波原理测风速、风向的Lufft WS200型号风速风向计。

3 系统升级改造效果分析

现水情测报系统于2017年6月底完成升级改造工作，经过一年的检验，整套系统供电能力充足、设备运行稳定、测量数据准确可靠，升级改造效果明显，是一次成功的系统优化升级改造工作。以下从系统设备适应性、系统先进性、系统融合性和系统经济性4个方面进行效果分析：

3.1 系统设备适应性

此次系统改造是在流域电站发电10年的基础上进行的，10年运行期间对流域高海拔山区的气象水文特性有了更清晰、深入的认识和掌握。本次系统升级改造针对流域气压、气温、汛期强降雨天气水质条件差、极端气候多和供电条件有限等情况，进行了设备选型。此次设备选型选取了对高海拔山区气候、河流特性具有良好适应性和耐受性的系统设备。

3.2 系统设备先进性

此次选用的数据采集器具有微功耗优势，在满足传统功能需求的前提下，在测量设备传感器接口、通信接口数量、类型、存储容量及接口和容量的可拓展性方面都有较大的突破。系统采用的雷达水位计、温湿度计和风速风向计都是应用先进科技，且经行业内实际应用检验，是性能稳定、测量精度高且维修方便的测量仪器设备。

3.3 系统融合性

本流域水调自动化系统于2015年建成并投入使用，此次水情测报系统升级改造项目承建单位和水调自动化系统建设单位为同一单位，系统使用的数据库软件和编码软件应用规则相同，故系统改造后两套系统融合性更好、数据处理、计算更为快捷。

3.4 系统经济性

原水情测报系统使用后期年平均设备更换和维护费用约20万，且因系统投入运行时间久，系统设备整体老化，虽每年都会进行部分设备更换和维护，但系统整体运行情况仍不乐观，不能满足正常生产需要。此次系统整体升级改造一次性投入，相较不断更换和维修，除系统运行更稳定外，设备采购成本也更低、更经济。

结语

本次系统升级改造汲取原系统经验、调研行业系统发展状况、深入学习熟悉系统设备性能条件，针对高海拔山区特殊气候水文条件，严格系统设备选型，确保本次系统设备改造具有高海拔山区适应性、技术先进性和设备后期可拓展性。本次系统升级改造完善和增强了原水情测报系统功能，提高了系统的畅通率和数据准确率，使系统能更好地服务于流域防洪度汛、水库调度，为防洪度汛决策和水库优化调度提供了可靠依据。

参考文献

[1]成都勘测设计研究院.田湾河流域设计运行说明书[Z].2004.

[2]南京南瑞集团公司水利水电技术分公司.ACS500数据采集器使用说明书[Z].2012.

[3]梁洪英.清溪水电站水情自动测报系统硬件升级改造经验浅析[J].广东水利水电，2016（7）：59-62.