徐志宏

安徽省長(zhǎng)豐縣在冊(cè)小型水庫(kù)有194 座，小（1）型水庫(kù)18 座，?。?）型水庫(kù)176 座。小型水庫(kù)是全縣防洪工程體系和水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在防洪、蓄水灌溉、城鄉(xiāng)供水、生態(tài)保護(hù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面發(fā)揮著重要的作用。

為了提高小型水庫(kù)及下游地區(qū)防洪避險(xiǎn)的能力，除了采取工程措施以外，必須加大非工程措施的建設(shè)力度，積極引進(jìn)現(xiàn)代化管理裝備，運(yùn)用現(xiàn)代通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)來促進(jìn)防汛工作。針對(duì)小型水庫(kù)防汛的迫切需求，結(jié)合長(zhǎng)豐縣水庫(kù)的現(xiàn)狀，建設(shè)小型水庫(kù)雨水情防洪自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)具有非常重要的意義，可以全面提升小型水庫(kù)防汛預(yù)警的快速反應(yīng)能力，切實(shí)加強(qiáng)安全監(jiān)管能力。

一、總體框架結(jié)構(gòu)

水文建設(shè)信息化的主要功能包括：（1）采集數(shù)據(jù)功能。通過數(shù)字?jǐn)z像測(cè)量、遙感、全球定位系統(tǒng)、自動(dòng)型水文站等有關(guān)設(shè)施，實(shí)時(shí)對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集數(shù)據(jù)應(yīng)快捷，且數(shù)據(jù)的采集應(yīng)擁有現(xiàn)時(shí)性與廣泛性。（2）傳輸數(shù)據(jù)功能。利用通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等的建立，完成數(shù)據(jù)快速傳輸、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)功能。利用數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，來處理存儲(chǔ)海量信息，并將地理坐標(biāo)作為參照系。（3）模擬仿真功能。基于對(duì)基本數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過數(shù)學(xué)模型與虛擬顯示科技等的運(yùn)用，以對(duì)演變流域環(huán)境、運(yùn)行水利工程等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與仿真。（4）具有決策資質(zhì)的功能。此功能依托于內(nèi)容較為全面的知識(shí)庫(kù)，以對(duì)各種數(shù)學(xué)模擬方案結(jié)果展開優(yōu)化研究，并從中選取較優(yōu)方案，進(jìn)而對(duì)水資源利用調(diào)度、防洪調(diào)度及環(huán)境保護(hù)等予以決策性支持。

二、技術(shù)線路

（一）系統(tǒng)路線

根據(jù)安徽省小型水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)要求，與省級(jí)雨水情測(cè)報(bào)平臺(tái)能無(wú)縫銜接，方便升級(jí)改造，新建水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)站信息系統(tǒng)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線總體框架圖

1.站址布設(shè)、擇優(yōu)方案

應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，結(jié)合安徽省小型水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)要求，水位觀測(cè)范圍應(yīng)高于0.2m，低于死水位0.5m。布設(shè)水庫(kù)雨情、水位站，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按觀測(cè)、維修方便優(yōu)先原則首選棧橋式安裝方式，施工難度大的水庫(kù)采用簡(jiǎn)易島式安裝方式。同時(shí)在地形穩(wěn)定、便于引測(cè)和保護(hù)、方便檢驗(yàn)的地方，埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)，安裝人工觀測(cè)水位設(shè)施。

2.設(shè)備選型、測(cè)報(bào)終端

采取雨量、水位合一模式建設(shè)自動(dòng)測(cè)報(bào)終端，主要由水位傳感器、雨量傳感器、遙測(cè)終端、通信終端、太陽(yáng)能電池板、充電控制器、蓄電池等組成。

3.信息入庫(kù)、資源共享

雨水情測(cè)報(bào)站按安徽省水文局統(tǒng)一編碼，采用移動(dòng)公網(wǎng)、衛(wèi)星（公網(wǎng)未覆蓋區(qū)域）數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心平臺(tái)實(shí)現(xiàn)硬件資源的集中管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)防汛抗旱的資源集中分配，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與平臺(tái)資源的統(tǒng)一托管與集中維護(hù)，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和整合。采取集總接收模式，在信息中心按規(guī)定流程入庫(kù)，同步與市、縣互聯(lián)互通、信息共享。

（二）自動(dòng)監(jiān)測(cè)站組成

小型水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)以遙測(cè)終端機(jī)為核心，站點(diǎn)配置水位計(jì)、雨量計(jì)、通訊設(shè)備、供電設(shè)備以及防雷接地模塊，實(shí)現(xiàn)雨水情信息的自動(dòng)采集和傳輸。安徽省目前大部分已建雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水位計(jì)主要采用浮子水位計(jì)，雨量計(jì)采用的是翻斗雨量計(jì)，供電設(shè)備主要采用太陽(yáng)能蓄電池供電方式。

三、數(shù)據(jù)采集及傳輸流程

（一）數(shù)據(jù)采集

遙測(cè)站采用自報(bào)或自報(bào)-確認(rèn)體制工作模式采集相關(guān)數(shù)據(jù)，遙測(cè)站針對(duì)每一類傳感器設(shè)定獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信工作策略。

通常遙測(cè)站的數(shù)據(jù)采集終端處于休眠工作狀態(tài)，通信模塊處于待機(jī)狀態(tài)，每當(dāng)設(shè)定的時(shí)間或有觸發(fā)事件時(shí)，遙測(cè)站的數(shù)據(jù)采集終端自動(dòng)觸發(fā)為工作模式，采集終端通過指令控制通信模塊，發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。完成發(fā)送后，遙測(cè)站重新返回低功耗值守狀態(tài)。

遙測(cè)站采用自報(bào)-確認(rèn)通信體制。測(cè)站發(fā)送出數(shù)據(jù)以后，等待接收方返回確認(rèn)信息，如果未收到確認(rèn)信息，測(cè)站會(huì)自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)接收方可靠收到數(shù)據(jù)。采用自報(bào)-確認(rèn)的機(jī)制既能保證了數(shù)據(jù)發(fā)送的及時(shí)性，又能保證數(shù)據(jù)的無(wú)錯(cuò)接收，同時(shí)測(cè)站的耗電會(huì)大大降低。

數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

（二）信息傳輸流程

測(cè)站編碼：水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建成后，由安徽省水文局以縣為單位按照國(guó)家水文標(biāo)準(zhǔn)《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》（SL330-2011）進(jìn)行站點(diǎn)統(tǒng)一編碼。

（三）通信方式

水雨情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站所采集的數(shù)據(jù)通過無(wú)線公網(wǎng)信道直接傳輸至省級(jí)統(tǒng)一接收平臺(tái)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享至其他數(shù)據(jù)平臺(tái)。無(wú)線公網(wǎng)主要采用GPRS/GSM通信或4G 通信，對(duì)于可能有特殊要求的站點(diǎn)可以增加衛(wèi)星信道作為備用信道。

（四）通信協(xié)議

自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的傳感器（水位計(jì)、雨量計(jì)）與遙測(cè)終端機(jī)的接口及數(shù)據(jù)通信協(xié)議、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站與省中心平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議要嚴(yán)格按照《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL651-2014）執(zhí)行。

四、關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)

（一）傳感器

從穩(wěn)定性與維護(hù)便捷性考慮，遙測(cè)站傳感器采用浮子式水位計(jì)與翻斗式雨量計(jì)的自動(dòng)測(cè)報(bào)架構(gòu)，同時(shí)為減輕維護(hù)工作量，浮子式傳感與雨量傳感器共用一套R(shí)TU 及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。為便于運(yùn)行維護(hù)管理，傳感與信息發(fā)送除了水文要素信息外，還需要有電壓信息。當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施施工條件受限時(shí)，為了兼顧浮子式傳感的穩(wěn)定性與監(jiān)測(cè)量程，可以考慮“浮子+”模式，即保證中高水位穩(wěn)定又實(shí)現(xiàn)低水位監(jiān)測(cè)，并在共測(cè)量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)互相檢驗(yàn)。

1.遙測(cè)終端

遙測(cè)終端是小型水庫(kù)水雨情數(shù)據(jù)采集、處理的核心，因此必須能滿足《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（SL61-2015）和《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL651-2014）的有關(guān)規(guī)定。終端機(jī)應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)校時(shí)功能，支持手機(jī)短信遠(yuǎn)程校時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行精度月漂移不超過2min，應(yīng)能設(shè)定頻次定時(shí)自報(bào)、水位超限加報(bào)、雨量自動(dòng)報(bào)汛和查詢應(yīng)答兼容的工作體制。遙測(cè)終端應(yīng)可靠、低功耗，并且應(yīng)能在無(wú)人值守的條件下長(zhǎng)期工作。

2.供電電源

部分小型水庫(kù)地處偏遠(yuǎn)，沒有供電局的供電，因此研究設(shè)計(jì)采用“太陽(yáng)能+蓄電池直流浮充”供電方式。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)供電設(shè)計(jì)的原則是“連續(xù)陰雨天工作時(shí)間須不少于30 天”。在日照期間太陽(yáng)能給蓄電池充電，在夜間或連續(xù)陰雨期間使用蓄電池存儲(chǔ)的電能。監(jiān)測(cè)站電池容量配置綜合考慮各種設(shè)備的功耗及其當(dāng)?shù)貧夂驐l件等因素，設(shè)計(jì)采用20W太陽(yáng)能板+38AH蓄電池。

（二）防雷與接地

根據(jù)監(jiān)測(cè)站周圍環(huán)境因素、設(shè)備對(duì)雷電電磁脈沖的抗擾度以及測(cè)站設(shè)備的重要性，應(yīng)綜合采取外部防雷和內(nèi)部防雷等措施。

1.外部防雷方案

在遙測(cè)站建筑物頂端安裝合適的避雷針，可以有效地保護(hù)天線、雨量計(jì)和太陽(yáng)能電池板等室外設(shè)備。參照相關(guān)防雷規(guī)范要求，防雷接地電阻應(yīng)不大于4Ω，避雷針要與設(shè)備絕緣。

2.內(nèi)部防雷方案

所有傳輸線纜、電子設(shè)備均由PVC 絕緣層實(shí)現(xiàn)與直擊雷防護(hù)系統(tǒng)之間的隔離，既可以防護(hù)落地雷的電位反擊對(duì)電子設(shè)備的損害，又可以防護(hù)直擊雷釋電不及時(shí)造成的感應(yīng)電壓對(duì)電子設(shè)備的損害。

（三）系統(tǒng)集成方案

水雨情站點(diǎn)統(tǒng)一接入到省級(jí)水雨情采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水雨情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)接收。同時(shí)將水雨情站點(diǎn)集成接入省級(jí)水雨情站點(diǎn)運(yùn)維平臺(tái)，可通過平臺(tái)訪問實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及站點(diǎn)參數(shù)的遠(yuǎn)程管理。

1.防汛抗旱數(shù)據(jù)庫(kù)集成

實(shí)現(xiàn)防汛抗旱數(shù)據(jù)統(tǒng)一在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。整合現(xiàn)有防汛抗旱相關(guān)數(shù)據(jù)資源，新建運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫(kù)、平臺(tái)運(yùn)行支撐庫(kù)等。

2.信息數(shù)據(jù)交換和共享

通過水文數(shù)據(jù)共享中心發(fā)布水文的相關(guān)信息，并提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)；通過數(shù)據(jù)服務(wù)代理，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問接口和基礎(chǔ)服務(wù)的調(diào)用接口；建設(shè)交換共享目錄，逐步擴(kuò)大交換與共享的信息范圍和內(nèi)容；建立數(shù)據(jù)共享與交換管理機(jī)制，規(guī)范共享與交換流程，保證共享與交換數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)交換共享進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高共享與交換服務(wù)效率和管理水平。

3.小型水庫(kù)信息集成

小型水庫(kù)遙測(cè)站采用自報(bào)式、查詢—應(yīng)答式兼容的混合式工作體制。

自報(bào)式：根據(jù)量級(jí)和需求由中心設(shè)定自報(bào)時(shí)間，在報(bào)汛站設(shè)備控制下采用增量自報(bào)、定時(shí)自報(bào)及限時(shí)自報(bào)三種方式。

查詢/應(yīng)答式：由中心設(shè)定自動(dòng)定時(shí)巡測(cè)或隨機(jī)召測(cè)，報(bào)汛站自動(dòng)響應(yīng)，當(dāng)報(bào)汛站接受中心的查詢（召測(cè)），能實(shí)時(shí)采集水文數(shù)據(jù)并發(fā)送給中心。

五、主要應(yīng)用

（一）水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)

小型水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)包括雨量、水位、通信等設(shè)施。全縣有194 座小型水庫(kù)實(shí)現(xiàn)了雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)的全面覆蓋。

（二）預(yù)報(bào)預(yù)警

開發(fā)洪水預(yù)報(bào)模型和參數(shù)校正模型，依據(jù)水雨情信息、氣象信息，快速預(yù)報(bào)入庫(kù)信息和水庫(kù)水位信息。在GIS 界面上，可視化顯示模型計(jì)算的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)時(shí)雨水情，以便對(duì)站點(diǎn)與設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行比對(duì)，從而獲得預(yù)警信息，確定預(yù)警等級(jí)；相關(guān)工作人員則根據(jù)預(yù)警信息和等級(jí)來確定是否啟動(dòng)防洪預(yù)警。

各水庫(kù)實(shí)時(shí)雨水情數(shù)值超過設(shè)定閾值時(shí)將會(huì)自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警分為4 個(gè)級(jí)別，以不同的顏色顯示和閃爍提醒；按級(jí)別由高到低依次列表顯示水庫(kù)名稱和超限值，點(diǎn)擊后定位到GIS 地圖上并顯示出來。

（三）移動(dòng)應(yīng)用

通過智能移動(dòng)終端可以開展小型水庫(kù)移動(dòng)信息的采集、信息上報(bào)、遠(yuǎn)程會(huì)商等巡查工作。同時(shí)，該終端還具有查詢雨水情、工情、預(yù)警信息、視頻圖像、氣象預(yù)報(bào)、衛(wèi)星云圖以及臺(tái)風(fēng)路徑等功能。

六、結(jié)語(yǔ)

通過開展長(zhǎng)豐縣小型水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)的研究，解決了遙測(cè)站設(shè)施安裝、設(shè)備安全防護(hù)、數(shù)據(jù)擁堵、資源共享、防洪預(yù)警發(fā)布以及信息安全等技術(shù)方面的難題，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，使得項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展順利，縮短了項(xiàng)目建設(shè)工期。該系統(tǒng)集信息自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)展示、預(yù)報(bào)預(yù)警、分析決策和移動(dòng)應(yīng)用為一體。自2020年建成以來，系統(tǒng)歷經(jīng)了汛期的應(yīng)用，為全省小型水庫(kù)在防汛調(diào)度、安全運(yùn)行、水資源管理等方面發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益■