張 健

（長江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北荊州434023）

1 工程概況

沙港水庫位于荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)西北4.2km處，壩址在川店鎮(zhèn)三界村，攔截沙港溪流壩址以上來水面積12.78km2，總庫容1416萬m3，始建于20世紀(jì)70年代初期，是1座擔(dān)負(fù)著防洪、城市供水、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的中型水庫。

水庫樞紐工程由大壩、沖沙泄洪洞和灌溉輸水洞等建筑物組成。大壩為均質(zhì)粘土壩，長1450m，壩頂高程78.0m，寬5m；大壩由東壩和西壩組成，上游邊坡1∶3.25，為預(yù)制塊護(hù)坡，下游邊坡為1∶2.5～1∶2.75，內(nèi)平臺寬15.0m，高程61.59m；壩址以上集雨面積12.78km2，主河流長4.3km，壩址上游河床平均坡降0.54%，水庫正常水位69.50m，相應(yīng)庫容775萬m3，總庫容超過1416萬m3。

水庫所處地區(qū)梅雨季節(jié)與汛期氣候?qū)λ畮焖坏臐q落影響較大，汛期時，洪水主要由暴雨形成，暴雨持續(xù)時間一般為48h，流域內(nèi)年降雨量650mm。

當(dāng)前，由于水庫壩體均未設(shè)置滲流量觀測設(shè)施，現(xiàn)防洪標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)不到設(shè)計要求，存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、配套設(shè)施不完善、工程老化、年久失修等問題；水庫處于限制蓄水位和帶病運行狀態(tài)；大壩欠高、邊坡滲漏等嚴(yán)重影響大壩安全。為全面提高水庫防汛現(xiàn)代化與信息化管理水平、科學(xué)利用水資源，確保水庫工程安全及減輕荊州市及下游太湖港的防洪壓力，最大限度地發(fā)揮水庫綜合效益，急待建設(shè)一套快速及時、準(zhǔn)確可靠、先進(jìn)實用、高度自動化的水雨工情信息采集、監(jiān)測自動化系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水庫安全運行狀態(tài)、水雨情、水庫環(huán)境等信息的實時監(jiān)控，為防洪排澇、水資源優(yōu)化配置提供決策支持，進(jìn)一步提高水資源管理的速度和水準(zhǔn)。

2 水庫水文自動測報系統(tǒng)集成方案設(shè)計

2.1 站網(wǎng)設(shè)置

遙測站網(wǎng)的布設(shè)是綜合考慮沙港水庫以上流域的自然地理特性、降雨洪水特點、洪水預(yù)報的要求，共布設(shè)中心站1處、水位站2處、遙測雨量站2處。

中心站：系統(tǒng)遙測中心機(jī)房設(shè)在荊州市荊州區(qū)沙港水庫工程管理局辦公樓。

水位站：設(shè)置水位監(jiān)測站2處，分別位于東壩0.1km、西壩0.2km處。

雨量站：設(shè)置遙測雨量站2處，分別位于水庫工程管理局和川店鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府樓頂處，平均每站控制面積6km2。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與通信組網(wǎng)方式

2.2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

沙港水庫水文自動測報系統(tǒng)是由雨量、水位、傳輸、中心控制、存儲檢索、預(yù)報等模塊所構(gòu)成的有機(jī)整體。系統(tǒng)總體架構(gòu)分為前端數(shù)據(jù)采集單元、遙測終端RTU控制、無線傳輸、接收終端、上位機(jī)控制單元、中心站測報軟件等幾大部分。系統(tǒng)采用220V市電與太陽能供電相結(jié)合的方式最大限度地保障系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定與不間斷運行。

布設(shè)于東、西壩兩側(cè)的2個超聲波水位傳感器分別與之對應(yīng)的超短波電臺發(fā)射端相連，傳感器將實時采集的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485信號后，通過超短波通訊方式發(fā)射出去，與之對應(yīng)的接收端電臺收到各自傳來的調(diào)制數(shù)據(jù)后進(jìn)行解調(diào)，再通過雙絞線接入接收終端串口服務(wù)器其中2路RJ45串口輸入端中；布設(shè)于水庫工程管理局和川店鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府樓頂處的2處雨量監(jiān)測傳感器分別與不同的遙測終端RTU相連：其中一路雨量數(shù)據(jù)通過GPRS方式［5］發(fā)送至上位機(jī)控制單元接收，另一路雨量數(shù)據(jù)通過遙測終端RTU轉(zhuǎn)換為RS485信號后接入接收終端串口服務(wù)器其中1路RJ45串口輸入端中。

該測報系統(tǒng)設(shè)計為自報式與召測式相結(jié)合的工作方式。所有測站都具有定時自報和增（減）量加報功能：當(dāng)被測水文要素（雨量、水位）發(fā)生變化并達(dá)到規(guī)定的增（減）量時，測站自動向中心站報送實時水文數(shù)據(jù)，而中心站數(shù)據(jù)接收設(shè)備始終處于等待接收狀態(tài)，亦可人工干預(yù)隨時或自動定時召測各遙測站水文信息，雨量遙測站RTU的工作參數(shù)可由中心站測報軟件遠(yuǎn)程修改。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

2.2.2 系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式

根據(jù)本系統(tǒng)的總體設(shè)計目標(biāo)，采用雙信道通信的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（星型網(wǎng)絡(luò)與帶狀網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合）的組網(wǎng)方式。

2.2.3 系統(tǒng)設(shè)備選型

系統(tǒng)所選擇的前端水文數(shù)據(jù)采集設(shè)備分別是南京水文自動化研究所研制的JDZ05-1型雨量計和YDZ-YL9型超聲波水位計、遙測終端選用唐山藍(lán)迪生產(chǎn)的RTU7000系列、超短波電臺選用日精ND250A型便攜式電臺、接收端服務(wù)器選用北京集智達(dá)科技生產(chǎn)的JZD-7016-8M機(jī)架型串口通訊服務(wù)器，上位機(jī)選用研華IPC-610MB-H工控機(jī)。上述設(shè)備均為目前國內(nèi)最可靠、性能價格比最優(yōu)，并符合國家相關(guān)認(rèn)證及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的合格產(chǎn)品。

2.3 中心站測報軟件功能實現(xiàn)

測報軟件采用模塊化設(shè)計，易于用戶使用和維護(hù)，站點的擴(kuò)充和參數(shù)配置均可由用戶完成。用戶可設(shè)置軟件中的公共變量如：系統(tǒng)名稱、工作目錄、流域圖、遙測信息接收的水位變幅范圍、數(shù)據(jù)存儲時段等，用戶亦可靈活設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)的測站數(shù)量，有選擇性地接收中心站所需的遙測信息，設(shè)置測站參數(shù)（站名、站號、站類、零點高程、報警水位等），可定義測站每1個端口的采集信息類型，測站中的RTU能實時采集雨量信息，每1個端口上采集的信息，可由“測站設(shè)置”功能來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能可以備份、恢復(fù)數(shù)據(jù)［3］。

用戶亦可根據(jù)自己的要求使用軟件中的圖形繪制功能生成各種圖形如：過程線、棒圖、雨強(qiáng)圖、測站圖、文本、位圖、直線等20余種對象圖元，可自由組合，可在多種圖形中（如流域圖、雨強(qiáng)圖、棒狀圖、過程線等）直接與實時數(shù)據(jù)庫相連，以便從圖上直觀監(jiān)視水位、雨量等測點的實時變化情況［4］，軟件系統(tǒng)設(shè)置部分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)置界面

3 系統(tǒng)試運行及測試情況

3.1 系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)

系統(tǒng)建成后，對系統(tǒng)運行進(jìn)行了前期測試，試運行以1個主汛期為限，期間主要檢驗各測點功能、系統(tǒng)通訊暢通率及完成運行管理工作條例的指定，測試主要依據(jù)SL61—2003 《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》、《沙港水庫水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)合同書》、SL34—92《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》、SL250—2000《水文情報預(yù)報規(guī)范》、DL/T5051—1996 《水利水電工程水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定》［1］。

3.2 系統(tǒng)測試情況

該系統(tǒng)自2010年6月投入試運行，按要求進(jìn)行了日常值守和現(xiàn)場專項考核，對系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)精度、可靠性、數(shù)據(jù)暢通率、供電能力等諸多方面進(jìn)行了嚴(yán)格考核。試運行期間，系統(tǒng)軟硬件部分運行基本正常，但運行中出現(xiàn)了個別問題：中心站某一時段內(nèi)雨量遙測站發(fā)來的雨情數(shù)據(jù)報文解析出現(xiàn)錯誤，服務(wù)器端軟件無法及時接收解析后的數(shù)據(jù)存至數(shù)據(jù)庫，經(jīng)技術(shù)人員排查故障并調(diào)整通信鏈路后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運行狀態(tài)。經(jīng)過2年的運行，該系統(tǒng)基本達(dá)到了技術(shù)合同要求，運行平穩(wěn)、可靠，為水資源管理與防洪決策提供了科學(xué)依據(jù)。

4 系統(tǒng)運行產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和社會效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

沙港水庫工程防洪保護(hù)面積0.34萬hm2，對照湖北省已建防洪工程措施所占投資比例取分?jǐn)傁禂?shù)10%估算，多年平均減災(zāi)效益可達(dá)1500萬元；國外同類系統(tǒng)壽命一般為8年以上，項目建成后，保守估算總效益可達(dá)1.2億元，投入產(chǎn)出比較大。

4.2 社會效益

系統(tǒng)的建設(shè)增強(qiáng)了水雨情信息收集、傳遞與處理的時效性和準(zhǔn)確性，提高了水情測報現(xiàn)代化水平與防洪能力，有效地減輕了發(fā)生洪水時因水情信息不準(zhǔn)確、不及時而出現(xiàn)的嚴(yán)重威脅；及時、準(zhǔn)確、可靠、完整的水情資料，為相關(guān)部門在防洪抗旱決策指揮與水資源的科學(xué)配置、調(diào)度方面提供了全面、科學(xué)、準(zhǔn)確、及時的決策依據(jù)；系統(tǒng)的應(yīng)用也將大大減輕人工勞動強(qiáng)度，提高工作效率。系統(tǒng)建設(shè)前后對照具體見表1。

表1 系統(tǒng)建成前后對照

5 結(jié)語

經(jīng)過近2年的運行并結(jié)合水庫實際，該系統(tǒng)運行正常、功能齊全、實用效果顯著，針對運行過程中出現(xiàn)的問題和存在的缺陷提出了若干完善和修改意見，得到了水庫管理方和相關(guān)部門的高度重視和及時改進(jìn)，同時建議今后在建設(shè)類似系統(tǒng)時，針對系統(tǒng)存在的防雷、雨衰等問題，應(yīng)引起高度重視。

［1］張小祥，李小梅.青獅潭水庫水文自動測報和洪水調(diào)度系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.廣西水利水電，2002（1）:24-27.

［2］李春光.GPRS相對GSM技術(shù)在水文自動測報中的應(yīng)用優(yōu)勢探討［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2004（1）:50-51.

［3］葛新峰，莊德利，朱俊昌，等.水文自動測報C/S系統(tǒng)［J］.水資源與水工程學(xué)報，2007（8）:57-59.

［4］李言龍，鄧立強(qiáng)，關(guān)志成.水文自動測報與預(yù)報軟件的通用性研究［J］.東北水利水電，2005（1）:31-33.

［5］郭增，張玉，曹殿順，等.移動通信技術(shù)在水文自動測報工作中的應(yīng)用［J］.山東水利，2006（2）:35-36.