劉振界 寇立屹 陶孝謀 杜鵬程

1 流域概況

大興水利樞紐壩址位于貴州省銅仁市松桃苗族自治縣境內(nèi)的大梁河上，在已廢棄的老河界營水電站壩址附近，地理坐標東經(jīng)109°13′3″、北緯27°55′20″。自上游至下游共比選了“上壩址上壩線”、“上壩址下壩線”和“下壩址”3個方案。3處壩址（線）相距在800 m之內(nèi)，上壩址上壩線距上壩址下壩線約400 m，上壩址下壩線距下壩址約400 m；3處壩址集水面積相差約1 km2。推薦的“上壩址下壩線”方案流域面積345 km2，主河道47.1 km，河道平均比降7.8‰，壩址處天然河道比降為5‰～6‰。

2 水雨情測報系統(tǒng)工作原理

水雨情自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器和通訊器采用一體化設(shè)計，使得在運行中可以更穩(wěn)定；采用模塊化的操作系統(tǒng)，更容易應(yīng)用?？稍跇藴蕼囟戎线M行工作，支持遠程、鍵盤、串口3種配置方式，前置通訊機可實現(xiàn)自動參數(shù)配置、歷史信息查詢，遠程控制等功能。

3 水情測報系統(tǒng)在大興水利樞紐工程中的運用

3.1 水情自動測報系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)大興水利樞紐工程上游流域面積，共設(shè)置6個遙測站，1個中心站網(wǎng)絡(luò)（設(shè)置在項目管理營地監(jiān)控室）。

3.1.1 遙測站建設(shè)

系統(tǒng)共建設(shè)6個遙測站。其中包括：4個遙測雨量站，分別為新寨、團寨、盤信、長坪；1個遙測水位站為大興樞紐壩下；1個遙測水文站大興樞紐壩上。建設(shè)內(nèi)容包括遙測站設(shè)備采購、集成、安裝、調(diào)試。

遙測站由遙測傳感器（雨量計）、通信設(shè)備（GSM模塊）、水文遙測儀（數(shù)據(jù)采集控制器）、太陽能光板、蓄電池組等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 遙測站結(jié)構(gòu)示意圖

雨量采集為實時采集。當(dāng)發(fā)生降雨，雨量傳感器產(chǎn)生觸發(fā)事件時，數(shù)據(jù)采集器實時記錄雨量累計值。

水位數(shù)據(jù)采集器控制水位傳感器按著一定的采樣周期采集水位變化，并進行處理和存貯。

實時采集，數(shù)據(jù)控制器控制水位傳感器間隔5 min采集水位變化，并進行處理和存貯，連續(xù)存儲時間大于1年。

各種數(shù)據(jù)測量精度見表1。

表1 遙測站精度表 mm

3.1.2 雨量站

閥值實時報數(shù)：當(dāng)雨量增量大于設(shè)置的閥值ΔR時，數(shù)據(jù)采集控制器啟動報數(shù)。

增量記憶報數(shù)（雨量數(shù)據(jù)）：當(dāng)雨量增量值大于零并且小于設(shè)置的閥值ΔR時，數(shù)據(jù)采集控制器暫時將數(shù)據(jù)記憶，當(dāng)與上次雨量報數(shù)時間間隔4 min后，啟動報數(shù)。

定時報數(shù)：雨量遙測站每天以設(shè)定時間自動啟動報數(shù)。

3.1.3 水位站

閥值實時報數(shù)：當(dāng)水位增量大于設(shè)置的閥值ΔH時，數(shù)據(jù)采集控制器啟動報數(shù)。

定時定點報數(shù)：水位定時報通過水位站序號和水位站的報數(shù)時間間隔進行排序后，以每天8：00為基準時間，達到自動報數(shù)定時時間間隔后自動啟動報數(shù)。這樣可以使水位遙測站發(fā)送數(shù)據(jù)的時間相互錯開，有效地解決了信道擁擠、數(shù)據(jù)碰撞現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時也保證了水位數(shù)據(jù)的實時性。

3.2 中心站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

中心站網(wǎng)絡(luò)是一個高速以太網(wǎng)支持的局域網(wǎng)絡(luò)，采用TCP/IP協(xié)議，遵循IEEE802.3標準，傳輸介質(zhì)為雙絞線，建設(shè)內(nèi)容包括：計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購買安裝調(diào)試、網(wǎng)絡(luò)布線、網(wǎng)絡(luò)搭建、網(wǎng)絡(luò)配置管理，并負責(zé)與其它系統(tǒng)相連安裝調(diào)試。

中心站計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖2 中心站網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

中心站計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置清單詳見表2。

表2 中心站計算機網(wǎng)路設(shè)備清單

3.3 中心站軟件系統(tǒng)

中心站軟件系統(tǒng)設(shè)計選擇客戶機/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)?？傮w邏輯結(jié)構(gòu)框架可分以為3個層次：人機交互層、系統(tǒng)應(yīng)用層和系統(tǒng)支撐層。人機交互層是系統(tǒng)與值班人員和系統(tǒng)管理員進行交互會話；系統(tǒng)應(yīng)用層完成所有功能模塊分析處理；系統(tǒng)支撐層主要是對各種水雨工情數(shù)據(jù)、模型、方法、知識、圖形、空間信息等進行數(shù)據(jù)管理。中心站軟件為工作人員提供統(tǒng)一的應(yīng)用平臺，功能齊全，具有美觀、靈活人機交互界面。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集處理是所有子系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，主要功能包括：實時接收遙測站的雨情、水情、電源報警、設(shè)備故障等各種數(shù)據(jù)信息；自動檢查數(shù)據(jù)幀格式，對數(shù)據(jù)進行檢查、糾錯以及合理性判斷；經(jīng)處理后將各種信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，供其它模塊功能調(diào)用。

3.3.2 系統(tǒng)報警

實時監(jiān)視整個系統(tǒng)安全運行狀態(tài)，出現(xiàn)問題并可通過報警方式通知值班人員進行維護，監(jiān)視功能由監(jiān)視進程或監(jiān)視界面完成，報警功能由報警服務(wù)端、報警客戶端、數(shù)值報警定義表、網(wǎng)絡(luò)報警定義表、報警事件記錄表、報警輸出定義表，報警類型定義表組成。監(jiān)視進程或界面監(jiān)視實時數(shù)據(jù)，如果實時數(shù)據(jù)超過報警定義表或配置文件中所設(shè)定的報警站點閥值，則報警服務(wù)端產(chǎn)生報警事件，并通知報警客戶端根據(jù)報警輸出定義表和報警類型定義表以屏幕顯示，或以語音、信息提示等方式輸出報警事件。它包括以下功能：遙測站運行狀態(tài)監(jiān)視；計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)；分布式節(jié)點中關(guān)鍵進程及功能模塊工作狀態(tài)；流域雨水情信息監(jiān)視；遙測站狀態(tài)報警；數(shù)值越限和恢復(fù)正常報警；網(wǎng)絡(luò)通道中斷和恢復(fù)正常報警；關(guān)鍵進程啟動和停止報警。

3.3.3 數(shù)據(jù)查詢與檢索

數(shù)據(jù)查詢與檢索為運行人員提供各類數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計，表現(xiàn)為圖形、表格等方式，圖形具有放大縮小功能，并可輸出打印。具體功能包括：

（1）綜合水情分布圖，可查詢所有遙測站點水雨情信息、站點基本信息（站址、設(shè)備、通信方式、功能、看護人員資料等）、站點分布情況、運行狀態(tài)等。

（2）水位流量過程線，任意時段單站實測水位表、單站逐日平均水位表、任意起止時間內(nèi)各時段水位過程線的顯示等。

（3）雨量柱狀圖，任意時段單站實測降水量表、單站逐日降雨量表、單站任意起止時間內(nèi)各時段雨量的統(tǒng)計、多站任意起止時間內(nèi)各時段雨量極值與平均值的統(tǒng)計、單站雨量直方圖顯示等。

（4）雨洪對應(yīng)圖，任意時段單個測站或多個測站降雨量、流量、水位過程顯示，并可進行分析統(tǒng)計。

3.3.4 洪水預(yù)報與洪水調(diào)度

洪水預(yù)報功能主要包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理、實時洪水預(yù)報、模型庫及參數(shù)管理、預(yù)報方案管理、場次洪水管理、參數(shù)率定等。并按照合同要求采用兩種預(yù)報模型，分別為：新安江模型、水箱模型。

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的計劃，調(diào)度初始為6種調(diào)算方式，分別是：調(diào)度圖調(diào)度、出力調(diào)度、庫水位調(diào)度、出庫流量調(diào)度、時段電量調(diào)度、日均電量調(diào)度。用戶可選中的不同的調(diào)算方式，進行洪水調(diào)度。

3.3.5 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計包括表結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)字典等，采用SL 323—2005《實時水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標識符標準》。

數(shù)據(jù)庫管理功能包括：

（1）數(shù)據(jù)錄入：對所有表進行數(shù)據(jù)修改、查詢、維護。

（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)出導(dǎo)入：可將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)導(dǎo)出到外部文件中或?qū)⑼獠课募袛?shù)據(jù)導(dǎo)入到水情數(shù)據(jù)庫中。

（3）數(shù)據(jù)庫操作日志：查詢、管理、統(tǒng)計所有對數(shù)據(jù)庫操作的記錄日志。

（4）實時歷史分隔時間設(shè)置：設(shè)置實時、歷史數(shù)據(jù)庫分隔時間點。

（5）數(shù)據(jù)庫備份恢復(fù)：自動或手動備份數(shù)據(jù)庫，方式分為全部備份或階段備份，可定義自動備份時間頻率。

3.3.6 信息發(fā)布

信息發(fā)布功能包括web發(fā)布和短信發(fā)布。

在客戶端無須任何專用軟件安裝的條件下，實現(xiàn)對本系統(tǒng)圖形、報表及文件信息的用戶瀏覽和數(shù)據(jù)庫管理維護。支持客戶端通過網(wǎng)絡(luò)以Web方式實現(xiàn)系統(tǒng)信息、水情信息的查詢和圖形、報表的瀏覽。提供多用戶的同時快速瀏覽。

使用短信發(fā)布功能，用戶可以按照需求以任意方式進行數(shù)據(jù)組合，以短信方式發(fā)送到PMC值班工作人員或帶班領(lǐng)導(dǎo)手機上，從而可以更好地做出科學(xué)的決策。

4 雨情測報系統(tǒng)在大興水利樞紐工程取得成效

2017年6月24日至6月26日連續(xù)暴雨，上游洪水，水位暴漲大壩兩次過水。2017年9月18日至9月19日暴雨，大壩過水。其他多次發(fā)生暴雨，但大壩未過水。

兩次暴雨造成大壩上游水位超出已澆筑混凝土高程，多次從大壩頂部過水，因雨情測報系統(tǒng)在大壩上游流域范圍內(nèi)雨量站及水位站的信息提供，中心站的數(shù)據(jù)歸納、分析，提前預(yù)警，提前3～4 h預(yù)報了洪峰過流時間，給現(xiàn)場施工提供撤離的寶貴時間，避免了人員、財產(chǎn)損失，達到了洪水預(yù)報和防洪調(diào)度的目的，為大興水利樞紐的安全運行以及提高經(jīng)濟效益發(fā)揮作用。