（水利工程专业论文）王屋水库水文自动测报系统研究.pdf

摘要 王屋水库位于烟台市石良镇，黄水河中游，能够调节径流、发展渔业，为工农业生产提供丰 富的水资源等多种用途，而且对调节流域气候和生态平衡起到覆要作用，是集防洪、灌溉和城市 供水为一体的综合利用的大i i 型水库，流域内的地形为山区和丘陵，【ij 地占7 0 ，丘陵占3 0 ；多 为风化岩石，植被稀疏，绿化不好，多为光秃f 陵和山地，流域内水士流失严重，水t 流失面积 1 2 0 k m 2 ，约占总流域面积的3 5 。汇流速度快，该水库建成后有效的调肖了流域的水资源时空 分配，一定程度上缓解了水资源短缺问题，改善了流域的生态环境，带动了龙口市及烟台市的经 济发展，起到了不可替代的重要作用。 随着气候条件的变化，加上遇到枯水年份，本流域的降雨量偏少，使得州台地区干旱少雨， 缺水最严重的时候，烟台市居民生活用水都必须定量供应，此问题由基层反映到省及中央机关， 引起了有关部门的高度重视。水资源的短缺，已经造成了流域生态环境的恶化，严重影响_ 居民 正常生活，制约了地方经济的发展，王屋水库水文自动测报系统的建成，将有效的提高洪水资源 的利用率和抗洪能力，改善流域的生态环境，缓解水资源短缺，改善人民的生活条件，创造良好 的的投资环境，带动龙口市乃至烟台市地方经济的发展。 ( 1 ) 利用超短波通讯技术，王屋水库水文自动测系统建成后，将缩短水文信息收集的时间，提 高水文资料的精度和a t 靠性，将增加洪水预报的预甩期，捉高洪水预报的精度和速度，为更好的 利用洪水资源提供科学依据。带来的防洪效益、水产养殖、水力发电、生态环境和投资环境的改 善等，将极大的促进地方经济的发展，维护社会的稳定，产生巨大的经济和社会效益。 ( 2 ) 王屋水库水文自动测报系统的建成，为建设现代化水文，打下坚实的基础，加快我省水文 现代化的发展速度，改善一线水文的工作和生活条件，将有力的推进我省水文事业的发展。 关键词：王屋水库、水文自动测报、系统研究 ，1 b s t r a c t t h ew a n g w ur e s e r v o i rl o c a t ea ts h i l i a n gt o w no fy a n t a ic i t y a st h et u n e o fh u a n g s h u ir i v e r ，i tc a ns a v er i v e r sr u n o f f ，d e v e l o pf i s h e r y ，o f f e rr i c h w a t e rr e s o u r c et oi n d u s t r ya n da g r i c u ll u r ee c t i ta t s op l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nr e g u l a t i n gt h en l i m a t ei nt h er i v e rb a s i n ，i ti st h ec o l l e c t io nf l o o d p r e v e n t i o n ，l h e r r ig a t o n ，ih ec i t yw a t e ts u p p y inab o d yc o m p r e h e n s i v e u t i1iz a t i o nb i gi ir e s e r v o i r i nt h eb a s i nt e r r a i ni st h em o u n t a f l o t l sa r e a a n dt h ek n o ll ，t h em o u n t a i n o u sr e g i o na c c o u ek sf o r7 0 ，t h ek n o l la c c o u n t s f o r3 0 ：m a n yist h ed e c a y e dr o c k ，t h ev e g e t a t i o ns p a r s e ，a f f o r e s t sn o tw e l l ， a r em a n yf o rt h eb a r ek n o t la n dt h em o u n t a i n o u sr e g i o n ，i nt h eb a s i ns o il e r o s i o ni ss e r i o u s ，s o i le r o s io na r e a12 0 k m 2 ，a p p r o x j m a t e l yc o m p o s e st h et o t a l d r a i n a g ea r e a3 5 t h ea f f l u xs p e e di sq u i c k ，a f t e rt h i sr e s e r v o i rc o m p l e t e s ， t h ee f f e c t i v ea d j u s t m e n tb a s i nw a t e rr e s o u r c e ss p a c ea n dt i m ea s s i g n m e n t ，i n t h ec e r t a i nd e g r e ea l l e v i a t e dt h ew a t e rr e s o u r c e ss h o r tq u e s t i o n ，i m p r o v e dt h e b a s i ce c o t o g i c a lo n v i r o n m e n t ，h a sl e dt h el o n g k o uc i t ya n dy a n t a i se c o n o m i c a l d e v e l o p m e n t p l a y e dt ot h ev it e lr o l ew h i c b c o u l dn o tb es u b s t i t u t e d a l o n gw i t ht h ec l i m a t i cc o n d i t i o n sc h a n g e ，m e e t si na d d i t i o nt h ew a t e r l e s s y e a r ，t h i sb a s i nr a i n f a l a m o u nca r ef e w ，c a u s e st h ey a n t a ia r e aa r i df e wr a i n ， l a c k st h ew a t e ri sm o s ts e r i o u s ，t h ey a n t a ii n h a b i t a n td o m e s t i cw a t e ra l lm u s t t h er a t i o n i n g ，t h i sq u e s t i o nb yt h eb a s i cu n i tr e f l e c tt ot h ep r o v i n c ea n d t h ec e n t r a lg o v e r n m e n ta g e n c i e s ，c a u s e dt h ed e p a r t m e n tc o n c e r n e dt ot a k e h i g h l y t h ew a t e rr e s o u r c e ss h o t t a g e ，h a sa l r e a d yc r e a t e dt h eb a s i ne c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tw o r s e n i n g ，s e r i o u s l yh a sa f f e c t e dt h ei n h a b i t a n tn o r m a l1i f e ，h a s r e s t r i c t e dt h ep l a c ee c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t h ew e n g w ur e s e r v o i r sa u t o m a t i c s y s t e mo fh y d r o l o g i cd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nc o m p l e t i n g ，e f f e c t i r e w i l le n h a n c et h ef l o o dr e s o u r c e su s i n gf a c t o ra n dt h ef l o o d f i g h t i n ga b i l i t y t h ei m p r o v e m e n tb a s i ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，w i l la ll e v i a t et h ew a t e r r e s o u r c e st ob es h o r t ，i m p r o v e sp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o n ，w i l lc r e a t et h e g o o di n v e s t m e n te n v i r o n m e n t ，w i l ll e a dt h el o n g k o uc i t ya n de v e nt h ey a n t a i c i t ye c o n o m yd e v e o p m e n t ( 1 ) u s i n gt h eu l t r a s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a f t e rt h ew a n g w u r e s e r v o i r sa u t o m a t i cs y s t e mo fh y d r o l o g i cd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n c o m p l e t e s ，w i 儿r e d u c et h et i m eo fc o l l e c t i n gw a t e ri n f o r m a t i o n ，w i l le n h a n c e t h eh y d r o l o g i c a d a t at h ep r e cjs i o na n dt h er e l i a b i l i t y ，w i l li n c r e a s et h e f l o o df o r e c a s t j n gt h ef o r e s i g h tt i m e w i l le n h a n c et h ef l o o df o r e c a s t i n gt h e p r e c i s i o na n dt h es p e e d ，w i l lb et h eb e t t e ru s ef l o o dr e s o u r c e sp r o v i d e st h e s c i e n t i f i cb a s i s b r i n g st h ef l o o dp r e v e n t i o nb e n e f i t ，t h ea q u a c u l t u r e ，t h e h y d r a u l i ce l e c t r o g e n e r a t i n g ，t h ee c ojo g i c a ie n v i r o n m e n ta n dt h ei n v e s t m e n t e n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n ta n ds oo n ，t h ee n o r m o u sp r o m o t i o np l a c e e c o n o m y d e v e l o p m e n t ，w i l lm a i n t a i ns o c i a lt h es t a b i l i t y ，w i l lh a v et h eh u g ee c o n o m y a n d t h es o c i a le f f i c i e n c y t h et h ew a n g w ur e s e r v o i r sa u t o m a t i cs y s t e mo fh y d r o l o g i cd a t ac o l l e c t i o n a n dt r a n s m i s s i o n c o m p l e t i n g ， f o rt h ec o n s t r u c t i o n m o d e r n i z a t i o n h y d r o l o g y ，b u i l d st h e s o l i df o u n d a t i o n ，s p e e d su po u rp r o v i n c eh y d r o l o g y m o d e r n i z a t i o nt h ed e v e o p m e n ts p e e d ，i m p r o v e sah y d r o l o g yt h ew o r ka n dt h e l i v i n gc o n d i t i o n ，p o w e r f u la d v a n c e m e n to u rp r o v i n c eh y d r o l o g ye n t e r p r i s e d e v e l o p m e n t k e y w o r d ：胃a n g w lr e s e r v o i r ；a u t o m a t i cs y s t e mo fl d r o l o g i cd a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n ；s y s t e mr e s e a r c h 王屋水库水文自动测报系统研究 工程硕士论文 1 1 研究的意义 第一章绪论 水利是国民经济和社会发展的命脉，电是国家实现现代化的支撑和保障。随着国 民经济的高速发展，社会对水资源的要求越来越高。水利的任务不单是防洪治水，更 重要的是利用现代化信息技术，管好水、用好水，实现水资源的科学利用，保障国民 经济的可持续发展。 一方面，中国是严重缺水的国家。水资源短缺形势非常严峻，如何充分的利用水 资源，是值得每个人思考的课题。研究水资源问题，首先就要做好水资源的监测，合 理调节水资源的时空分配，兴水利，除水害，最大限度地实现洪水的资源化，缓解水 资源短缺带来的经济和社会问题，给人民造福。 另一方面，中国又是一个多洪水灾害的国家。自古黄河决堤无数，大小洪水连年 不断，如：1 9 5 4 年长江中下游武汉地区，1 9 5 8 年黄河下游地区，1 9 6 3 年、1 9 7 5 年海 河及淮河上游地区，发生的大洪水造成了巨大的经济损失；1 9 8 9 年的辽河大水和1 9 9 1 年的华东大水形成了重大的自然灾害；1 9 9 8 年长江和松花江、嫩江流域都发生了大面 积的特大洪水，造成了自解放以来，历史上罕见的水灾。洪水的成因很多，除了生态 环境遭到破坏和现有防洪工程尚不足以抗衡特大暴雨洪峰外，报汛不及时，水情不明 也是导致灾情加重的重要原因。在1 9 9 8 年的特大洪水中，长江流域水情自动测报系 统对洪水预报和防洪调度发挥了巨大作用。而嫩江流域由于缺少测报系统，对上游来 水的判断缺乏科学实时的依据，加重了灾情损失。洪水情报于我们水文工作者的测验 数据，如何提高我们的测验水平，为防汛抗旱服务是我们水文工作者的责任。 如今，社会经济带动各行各业的迅猛发展，水利行业作为，国民经济的基础行业， 必须紧跟社会发展需要，防汛和抗旱形势越发严峻，1 9 9 8 年大洪水，造成长江流域和 松花江、嫩江的损失惨重，同样干旱也制约了区域经济的发展，南水北调工程相继开 工，水文事业越发受到社会重视，对于水文工作者来说，随着现代化计算机技术和通 信技术的发展，传统的测验手段已经难以适应时代的需要，采用现代化的水文自动测 报技术实现水文自动监测，是水文事业的发展方向。随着经济和社会发展，先进的水 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 文自动监测设备被研发出来，逐步建立起 来的水文自动测报系统，对防汛抗旱和水 资源的可持续利用有重要意义。 水文自动测报系统应利用遥测、通 信、计算机和网络等技术，完成流域或测 区内固定及移动站点的降水量、蒸发量、 水位、流速、流量、含沙量、潮位、风向、 风速和水质等水文气象要素以及闸门开 度等数据的采集、传输和处理。水文自动 测报系统的建设将实现水文自动测报的 信息化，提高测验的精度、报汛的速度 和准确性，增加洪水预报的预见期和预 报精度，实现洪水的优化调度，有利于 防汛和实现洪水资源化，进一步推进水 文事业的发展。 1 2 水文观测的要素和方法 目前，水文监测的要素主要包括降 水量、水位、闸门开高、流量等。降水 量是一定时间内降落到平面的累计水深； 降水量观测是在选定的观测场地使用普 通雨量器、自记雨量计和翻斗雨量计等进 行降水量观测； 测定降水量的基本仪器是雨量器。 普通雨量器的外部是一个不漏水的铁筒， 里面有承水器、漏斗和储水瓶，另外还配 有与储水瓶口径成比例的量杯。有雨时， 雨水过漏斗流入储水瓶。量雨时，将储水 瓶取出，把水倒入量杯内。从量杯上读出图卜3 双翻斗雨量计 2 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 的刻度数( 毫米) 就是降水量。冬季降雪时，要把漏斗和储水瓶取走，直接用承雪口和 储水筒容纳降水。测定降水量时，把储水筒取出带到室内，待筒内的雪融化后，倒在 量杯里，再读取降水量数字。自记雨量计外观和普通雨量计一样，里面有一个机 械时钟和一个虹吸装置，通过虹吸装置上的记录笔，在自记纸上记录降雨量的大小， 当降雨量达到l o m m 自动虹吸一次，机械时钟带动自记纸转动，能够保证记录笔在记 录纸上的相应时间上记录降水量。翻斗式雨量计由盛水器、上翻斗、计量翻斗、 计数翻斗、和汇集漏斗、调节螺钉、干簧管等构成。在测量过程中，随着翻斗间歇翻 倒动作，带动开关，发出一个个脉冲信号，将非电量转换成电量输出。雨水由盛水器 汇集，通过装有小圆护网的小漏斗及其下端的引流管注入上翻斗。工作原理是当上翻 斗盛积的水量达到一定的数量值时，上翻斗翻倒，另一半翻斗开始盛雨，翻倒雨水经 过汇集漏斗流入计量翻斗。当计量翻斗雨量积到单位测量值降水时，计量翻斗翻倒， 把雨水倒入计数翻斗，使计数翻斗翻动一次。计数翻斗中部装有一块小磁钢，磁钢上 端有干簧管。当计数翻斗翻动时，磁钢对干簧管扫描，使干簧接点因磁化而瞬间闭合 一次，送出一个电路导通脉冲。相当单位降雨量。 图卜4 水位安装图 水位是水面相对于某一基面的高程。所采用的基面，一为绝对基面，一般以国家 规定统一的水准基面为标准；另一种为假定基面，即在尚未接测至绝对基面的地点， 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 采用低于河床最低处作为标准。水位观测( w a t e rs t a g eo b s e r v a t i o n )对水位的 观测和记录。水位资料是水利建设、防洪抗旱活动的重要依据，同时，也是航运、海 港、城市给水、水材浮运、水力发电、工矿交通等国民经济所必需的基本资料。在进 行其他项目如流量、水温、冰情观测时，同时观测水位作为水流情况的标志。水位观 测是水文测验的基本项目。 水位观测设备，常用的有水尺及水位计两类。传统的观测方法是人工看水尺，用 水尺直接观测时，一般水尺读数加已知水尺零点高程即得水位。 水位计( w a t e rs t a g er e c o r d e r ) 能自动记录水位变化过程的仪器。目前常用的 水位计有浮予式水位计、压阻式水位计、气泡式水位计、超声波水位计、雷达式水位 计、激光水位计等) 。浮予式水位计：利用浮子跟踪水位升降，以机械方式直接传动 记录。用浮于式水位计需有测井设备( 包括进水管) ，适合岸坡稳定、河床冲淤不大的 低含沙河段。浮子式水位计在中国应用较广。压力式水位计：根据压力与水深成正比 关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位汁。当传感器固定在水下某一测 点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位。该仪器适用于 不便建测井的地区。压阻式水位计是压力式水位计的一种，工作原理是当：压力传感 器里面的硅晶片在受到压力变化时，发生形变，从而导致硅晶片的电阻变化，引起通 过硅晶片的电流发生变化，建立压力和电流变化的关系，通过检测通过硅晶片的电流 来推算水压，从而得到水位值，这种水位计的精度比较高，使用时防止硅晶片震动、 雷击和高电压。 气泡式水位计：将一根上端装有压力传感器和气源的管子插入水中，以恒定流向 管子里通入少量空气或惰性气体，压力传感器即可测出管内气体压力，此值与管子末 端以上水头成正比，通过记录系统转换成水位。该仪器的压力传感器不直接与水体接 触，可不建测井，特别适用水体污染严重和腐蚀性强的工业废水等场合。国外应用气 泡式水位计较普遍。超声波式水位计：应用声波反射的原理来测量水位。分为水介式 和气介式两类。声波在介质中以一定速度传播，当遇到不同密度的介质分界面时，声 波立即发生反射。水介式是将换能器安装在河底，垂直向水面发射超声波；气介式是 将换能器固定在空气中某一高处，向水面发射超声波。两种形式均不需建测井。水介 式声速受水温、水压及水中浮悬粒子浓度影响，在测量过程中要对声波校正，才能达 到测最精度。气介式要对气温影响进行校正，其优点是不受水中水草、泥沙等影响。 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 中国在2 0 世纪6 0 年代初提出水位自记化要求，至8 0 年代初已有半数以上测站使用 日记自记水位计。 在我国的江、河水文测验工作中，流量测验是最主要、最基本的工作之一，是国 家防汛抗旱、防止水源污染的耳目，随着经济和社会发展的对水资源量需求的不断增 加，流量测验更显重要。目前在江河的过水流量测验中其测量方法大都是采用机械转 子流速仪测量水的流速，再根据所测的过水断面血积计算出流量来。而在流速的测量 方法上大部分是采用几十年来直使用的传统方法：转予流速仪接上讯晌器( 或电铃) 人工计数、计时、再手r 计算出流速。 根据转子流速仪的特性，机械转子流速仪的计算公式为： v = k n t 4 c = k n a t + c ( 米秒) 式中：n = n a ，为在测量时间，l 内转子流速仪的总转数，n 为信号数，a 为每信号的 转数；k 、c 、a 对每一个流速仪都为一固定常数。 1 3 水文自发动测报系统的研究背景 1 3 1 建设现状 7 0 年代后期世界水情遥测技术虽已有相当发展，8 0 年代才成熟起来而广泛应 用。它综合_ 水文，电讯和计算机技术的新近成果，用以解决洪水预报和水资源利用 这样的国民生计的大课题。 水情自动遥测技术是逐渐发展成熟起来的。日本研究该类系统始于6 0 年代，7 0 年代其产品进入国际市场，其时日本技术尚不够先进，仍然采用中小规模集成电路， 美围产品稍晚于日本，直到1 9 7 6 年，美国s m 公司在与美国气象局合作下才研制了 一套比较完善的水情自动遥测设备在加州使用，1 9 8 3 年世界气象组织向我国黄河防 洪工作提供的技术援助中，有一次就是s m 公司生产的水情遥测系统。随着微机技术 的发展和普及，8 0 年代以来世界各国的水情遥测技术发展很快。不仅在产品质量上有 了很大的改进，而且测报品类和测报规模都大大地扩展了。 在水情数据传输方面，除了采用v h f u h f 地面通信方式外，较为普遍地采用 卫星数据通信，随着电话的普及，有线数据通信也逐渐增加，雷达测雨和传感器技术 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 的发展，使测报方法和测报品类也趋于多样化。 日本在1 9 8 6 年已建成雷达测雨和水情数据的在线处理系统，系统中采用了卫星 中继。美国也大量采用了卫星水情数据通信和雷达测雨系统。西欧、俄国、加拿大等 国也建立了不少水情遥测系统，其中法国的水情遥测技术比较发达，在水情数据通信 中较多的采用电话传输网进行通信。 我国水情遥测系统研制始于7 0 年代中期，早期受日本产品影响较多，采用应答 式体制，无线电频率较低。1 9 7 7 年水科院新研制的用于怀柔水库和黄石水库的遥测 系统就属于此类。我国最早期也有过自报式雨量遥测装置，但缺陷较大。最早期的这 些产品虽已被更新，但起到了历史性的作用。8 0 年代中期以后，受美国产品影响较 大，多为自报式。早期知名度较高的系统有：黄龙滩、永定河、鲁布格、梧溪及长委， 黄委和淮河流域等各种大小系统。另外还有丹江口，东北丰满，自山等一些引进系统。 近几年来我国相继又建造了一些较大的水情自动遥测系统，例如大化，水口，万安， 凤滩和五强溪等系统。 我国早期的防洪预报工程，大部分都是单独系统，没有形成更大区域性的防洪调 度网络，所用的大多数据通信频段都是超短波( v h f u h f 为国家指定水利水文专业 通信的2 3 0m h z 频率段) ，用超短波通信组网的水情自动遥测系统己取得相应的成功。 对于霄达测雨，卫星中继水情数据遥测系统在我国也初具规模，总之在不久的将来这 些先进的技术肯定会被全面应用到我国的水情测报系统中来。 截止1 9 9 9 年4 月，全国已建和在建的水文自动铡报系统达4 8 2 处，由8 4 3 个中 心站( 含分中心站) 、1 4 6 0 个水文站( 含降水量及水位等参数) 、11 9 7 个水位站、4 6 1 2 个雨量站组成。属于水利系统管理使用的3 9 4 处，占总数的8 1 8 ( 其中属水文系统管 理的5 0 处，占1 0 4 ) ；属电力系统管理的8 6 处，占1 7 8 ；属其它部门管理的2 处， 占0 。4 。4 8 2 处系统中投产使用情况良好的3 5 3 处，占7 3 2 ；使用情况一般的9 6 处，占1 9 9 ；较差的2 l 处，占4 4 ；另1 2 处在建。 除台湾省未统计外，全国各省、自治区、直辖市及流域机构都建有水文自动测报 系统，其中福建、山东、湖北、浙江四省最多，分别为5 8 处、5 3 处、4 6 处和4 l 处。 水文自动测报系统数据传输方式有无线( 超短波、短波、微波) 、有线、卫星及混 合组网等。本次统计的4 8 2 处中，超短波传输的4 5 5 处，占9 4 4 ；短波和微波传输 的4 处，占0 8 ；有线传输的4 处，占0 8 ：卫星传输的9 处，占1 9 ；混合组网 工屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 的1 0 处，占2 1 。 1 3 2 建设水平 水文自动测报系统的建设经历了二卜多年的发展过程。系统通信方式由最初的超 短波发展到今天的利用短波、超短波、微波、卫星、有线共用网组网的通讯方式，以 支持更加复杂的组网模式和自报应答或兼容的工作方式：系统的稳定性和可靠性有 了很大提高，随着元器件质量的提高和计算机技术的发展，其关键设备遥测终端的质 量也大幅度提高，平均无故障工作时间( m t b f ) 己从原来的3 0 0 0 小时上升到8 0 0 0 小时， 有的设备已突破3 0 0 0 0 小时，其它设备的质量也碍到不同程度的提高；系统的功能也 由最初的降水量、水位信息，发展到今天的可满足传输降水量、水位、流速、流量、 蒸发量、水质、闸门开启度、风速、风向、温度、湿度、气压等多种参数的丰富的传 感器接口。用户不仅可以进行硬件现场编程，也可进行远程控制，极大地方便了系统 维护，中心站软件支持用户进行二次开发，可以生成各种符合用户要求的图形系统和 报表系统，部分系统采用n t 网络方式，利用流行的数据库查询软件，可以方便地与 用户信息管理系统连接。 1 4 系统和设备调研 1 4 1 淮河正阳关以上流域水文自动测报系统 1 9 8 9 年建成淮河正阳关以上流域水文自动测报系统，并通过水利部鉴定。 系统由4 个数据处理中心( 河南、安徽省水利厅、淮委及水利部水利信息中心) 、 5 个分中心站( 驻马店、信阳、潢川、阜阳与六安水文局) 、2 8 个中继站和8 6 个遥测 站构成的四级网络组成。 1 9 9 6 年以x 2 5 为通信线路建成了淮河正阳关以上流域水文自动测报系统计算机 广域网络，采用分布式数据库技术传输处理遥测数据，各分中心建立了基于w i n d o w s n t 平台的本地s q ls e r v e r 遥测数据库；淮委数据处理中心建立了全区遥测数据库； 豫、皖两省水利厅数据处理中心各建立了本省辖区数据库，各分中心和数据处理中一t l , 之间均可以互相检索数据。 在网络及数据库环境下开发了接口软件和应用检索软件。接口软件和应用检索软 王屋水库水文自动测报系统研究 工程硕士论文 件包括通信接口模块、信息加工模块、数据库接口模块、远程写库模块、水情报表检 索模块、雨情报表检索应用模块、当前信息检索模块、图形检索模块及数据库管理模 块。 1 4 2 沂沭河流域水文自动测报系统 沂沭河遥测系统由摩托罗拉公司负责建设完成，包括：临沂中心站、7 0 个雨量站、 2 5 个水位雨量站、1 0 个墒情站、蒙山中继站、i o 个大型水库分中心、莒县分中心及 9 县市区组成的计算机网络和临沂中心站及流域内大型水库洪水测报软件。 遥测通讯网特点：任何一个测站都具有存储转发功能，当某一个控制分中心站或 中继站发生故障时，任何一个在存储转发通讯范围内的测站均可以替代原分中心站或 中继站进行存储转发，所属测站或其他任何需要的测站可组成网状通讯结构，保证某 一个通讯节点的损坏不会影响整个通讯网。为保证组网方式的灵活，许多站点应依据 需要安装全向天线。 测站特点：系统采用自报式，即随即自报、定时自报、状态报告、现场显示、现 场设置、应答功能和存储功能；并在必要时能设定为自报、应答兼容。每当雨量变化 一个计量单位( 1 m m ) ，或水位变化一个计量单位( 1 c m ) 且与上次发送间隔大于6 m i n 时， 向中心站发送当前数据。传输的内容有时标、站号、当前时间的雨量累计值、当前的 每- - 亥l j 钟的经过过滤的瞬时水位、遥测站状态( 雨量每变化0 5 r a m 存储) 。 仪器特点： 夺平均无故障时间2 2 5 0 0 0 h 。 夺工作温度一3 0 。c + 6 0 ，外壳防护满足i p 6 5 标准，可以直接工作与各种恶 劣环境。 夺使用无线通信系统，整个系统只需要一个无线频点。 夺r t u 中后备电池可以保证现场交流电断电以后仍能正常工作，并将停电信息 上传给中心站。 夺中心站既可以轮询r t u 现场参数，现场异常时r t u 还可以主动向中心站告警。 夺可以对r t u 进行空中远距诊断、维护、编程，在中心站就可以实现现场诊断 与维护。 夺r t u 具有存储转发功能，它可以择优选择通讯路由，确保通讯的可靠性。 8 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 1 4 3 黄河三门峡小浪底区间水情自动测报系统 由黄委水文局组织设计和建设，由黄委水文局下属的河南水文水资源局负责运行 和管理。系统设有3 个中心站，分别为数据接收中心、备用数据接收中心、情报预报 中心，3 9 个遥测站。 该系统每年运行四个月，年运行费约6 0 0 7 0 0 元站( 不含维护管理费) 。超短波 与卫星混合组网，在技术上合理，但在运行中费用比仝部用卫星更大。一个中继站出 故障，必须去4 人以上，两台车检修。 1 4 4 河海大学水文水利自动化研究所 山东威海市水利局的水情防汛系统由北京菜公司1 9 9 7 年组建的4 0 个遥测站中， 由于种种原因，有近乎一半的遥测站点不能正常工作。2 0 0 0 年由河海大学水文水利自 动化研究所更换了其中的1 8 个。更换后的这1 8 个站点，仅仅每年进行正常的维护工 作以外，至今运行正常。 i 3 4 1d i l 3 07 1 0 0 远t 中心控制终端( c t u ) c t u 是一种低功耗、高可靠、智能型的无线远传数据解码及多口通讯控制终端装 置。它可用于水文、水上等监测系统中，0 站，能够白动、实时地接收远传终端装置或 f 级中继终端装置发送柬的无线信号，并进行解码向计算机传送数据。 i ) i n o7 1 0 0 具有信道侦听功能，能自动判断无线通道、主机、备份机之间通讯的 数据流向，不同通信规约，实时地切换通信通道，使双机热备份配置式中心站的计算 机通讯接口软件无需控制通讯通道的切换，串行口有线和无线通道自动共享，增强应 用软件的通用性和可移植性。 1 3 4 2d i n o7 3 l o 型遥测数传终端装髓( r t i ) r t u 是一种低功耗、高可靠性、优良操作性的多功能、远距离数据采集传送装置， 它是d i n o - 7 3 0 0 遥测终端的高集成度和可靠性的改进型产品。 d i n o 一7 3 1 0 取消了扩展总线，单机支持双水位和1 个雨量传感器，专用于水情自动 遥测系统，对于双水位水情遥测站的建设成本更低、可靠性跟高。 d i n o - 7 3 1 0 对数据进行处理、存储，并利用无线、有线信道，采用定时自报或实 时自报的方式，向中心站发送数据。 王屋水库水文自动测报系统研究 工程硕士论文 1 4 5 黄委小浪底水情自动疆l 报系统 黄委水文局承建，海事卫星设备采用i n m a r s a t c 海事卫星数据站，超短波采用模 拟电台，发射功率2 0 w ，遥测终端采用长委研制的s c a d a 数据采集器，该采集器具有可 编程功能，对测站所完成的功髓可通过编程来实现，水位计全部采用黄委永文局自己 研制的超声波水位计。电源系统采用国产太阳能板，蓄电池选用铅酸免维护蓄电池。 1 4 6 太湖流域遥测系统 太湖流域测报系统建设资金是世界银行贷款，根据世界银行贷款规定，设备必须 选用国外产品，太湖测报系统采用系统总集成，通过招标方式，由加拿大“索克马” 公司承建，遥测终端设备采用加拿大的“r u ”数据采集器，该采集器具有可编程功能， 测站所需的功能均能通过计算机编程来实现，超短波电台采用美国产数字电台，传输 速率9 6 0 0 k b p s ，水位计采用浮子式水位计。测站采用太阳能板浮充的蓄电池供电方式， 由于设备耗电相比国内产品较大使测站选用的太阳能板和蓄电池容量较大。 1 4 7 飞来峡测报系统 水科院承建，系统终端设备采用摩托罗拉公司的m o s c a d 数据采集器，电台采用摩 托罗拉公司的超短波模拟电台，发射功率2 0 w 左右，卫星设备选用i n m a r s a t c 海事卫 星设备，水位计采用压力式或浮子式水位计，设备耗电相对大一些，所需配备的太阳 能扳和蓄电池容量要大一些。设备运行稳定可靠。 1 4 8 北京水利自动亿研究所 北京水利水文自动化研究所是我国从事水情自动测报系统集成及生产制造的有 代表性的几家单位之一，在国内处于主导地位，该所研制的测报系统在国内得到了较 多的应用，设备经过多年的不断改进，设备的质量和工艺水平同国内同等产品相比较 好。是国内用户反映较好的厂家之一。 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 1 5 调研总结 通过我们实地考察，发现除了不同生产厂家的设备质量和性能上的原因外，还有 导致已建水文遥测系统不能正常运行的其它原因，这些对我们的很有借鉴意义。 夺 主要是管理跟不上，好多地方只注重建设，不重视管理，几乎所有项目都是 一次性投入。还有很多项1 7 1 是建设单位和使用单位分离，即建设单位负责建设，与使 用单位的实际脱钩，造成系统已建起来就注定是形象工程，只管看不管用。某些建设 单位争取经费后，把项目建设完成，交付给谁使用不明确，即使说给谁使用，往往不 符合实际应用的需要，没有相应的技术培训和责任追究机制，电没有后续的系统维护 费用，甚至有的项目建设完成还没交付，就发现设备被别人偷走了。因此，使系统建 成后，无人管理维护，系统自然运行不起来。 夺 有些系统在建设时，没有考虑到当地特殊的地理环境，或者没有引起承建方 和建没单位的足够重视，造成系统建成后不久就陷入瘫痪状态。调查中还发现，由于 某些地区地处山区，地下含有大量的金属，雷击频率很高，设备容易遭雷击损坏，使 系统不能正常运行。 夺 后续技术服务跟不l 。其中某些单位建设的压力水位计遭雷击，经与某自动 化研究所协商，前后联系几个月才答应上门维修，上王往往凶为配件没带令，为后不彻 底，维护费用电较高。 夺 建设费用高，运行维护量大。在沂沭河流域应用后，由于功耗大，太阳能板 几乎把房顶全部覆盖，即使这样仍然出现许多遥测站点因亏电不能正常运转。所以不 满足水文遥测站的需要，当时也有人提出功耗太高的问题，据说该建设单 f f d , i 一划已经 改进好设备，在以后的建设项目中使用新设备，降低功耗。 夺 直接接收能够达到建设标准的，就不要建设中继站，非建不可得，不易中继 过多，否则，中继瘫痪可能造成系统瘫痪，且维护不便。 夺 不能满足资料整编的需要。以前好多省份建设的遥测项目，几乎都不满足资 料收集的要求，主要是系统建设质量、维护费用、技术支持或系统设计跟不上。 从对已建遥测项目的调查情况来看，要想使遥测系统的运行正常，且满足水文资 料收集的需要，选择性能先进可靠的设备非常重要，但系统维护也是不容忽视的。 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 第二章水文自动测报系统设计 水文自动测报系统应利用遥测、通信、计算机和网络等技术，完成流域或测区内 固定及移动站点的降水量、蒸发量、水位、流速、流量、含沙量、潮位、风向、风速 和水质等水文气象要素以及闸门开度等数据的采集、传输和处理。 2 1 系统的组成 图2 - 1 系统功能框图 1 2 中 心 站 王屋水库水文自动测报系统研究t 程硕士论文 水文自动测报系统一般具有：遥测站、中继站、遥测通讯网和遥测中心站。各个 组成部分的作用简单介绍如下： 1 遥测站( r t u ) 在遥测终端控制下，自动完成被测参数的采集，将取得的数据经 预处理后存入存贮器，并完成数据传输。在r t u 设计时，要尽可能地降低功耗，因 为一般遥测站点的位置比较偏僻，交通不便，在恶劣条件下电源很难保证；另外，应 该考虑到遥测站的升级功能，为今后系统的维护和升级奠定基础。 遥测站的类型：自报式a u t o m a t i cr e p o r t i n gm o d e 被测要素值发生变化或 定时等事件触发，遥测站主动发送数据的工作制式。查询一应答式i n q u i r e a 1 2 s w e fm o d e 遥测站响应查询指令发送数据的工作制式。混合式m i xm o d e 包含 自报式和查询应答式两种遥测方式的工作制式。 遥测站点一般具有：遥测传感器、遥测终端、太阳能板、天馈线和避雷接地。 遥测传感器是完成系统需采集的各种参数的原始测量，并将测量值变换成机械或 电信号输出。使遥测终端实现无人值守，自动监测。 遥测终端是和遥测传感器配合，能够显示、查询测量信息，并将遥测信息通过遥 测通讯网发送到中心站或中继站。 太阳能板是负责给遥测终端提供能量的设备，遥测站点比较分散，一般比较偏僻， 供电条件不好，且容易受到雷击，一般使用电阳能供电，能在一定程度上，减少雷击 概率，提高系统的适应能力。， 天馈线是天线和馈线，为了遥测终端向外发送遥测信息使用的，天馈线的型号很 多，可以根据需要须用不同的天线和馈线类型，以满足系统的需要。 避雷接地在遥测系统中是不可缺少的重要环节由于遥测站地处偏僻，特别是 中继站，建在山顶或开阔地带，很容易遭受雷击或感应电流损坏，好的避雷接地能够 提高系统运行的保证率。 2 中继站对使用某些通信方式( 如短波、超短波等) 传输遥测数据的大型遥测系 统中，或者地形条件特殊的情况下，需要架设中继站。中继站具有存储转发无线遥测 数据的功能，能够确保遥测站与中心站之间可靠的数据传输。当使用移动通信方式传 输数据时，因为直接利用了移动通信运营商的专用网络，故无需自己架设中继站。 中继站具有中继机、天线、馈线、太阳能板和避雷接地。中继机具有接收并存 储转发，是为接收因为地势和距离原因，使中心站直接接收效果不好遥测数据而设立 王屋水库水文自动测报系统研究工程硕士论文 的。建站时，中继站不要中转的站数太多，因为当中继遭到雷击等原因损坏，会造成 系统大面积瘫痪。 其他设备功能列雨量站。 3 遥测通信网遥测通信网是遥测站与中，t l , 站问数据传输的通道，可靠、高效、 标准的网络通信协议和网络管理功能是非常重要的。可以采用多种通信方式构建系统 的遥测通信网，如有线、短波、超短波、移动通信、电力载波以及不同通信方式的组 合等。 4 遥测中心站遥测中心站一般设在防汛调度中心，主要功能是管理和监测各遥 测站，通过遥测通信网收集来自各遥测站的遥测数据，并使用相应的信息处理软件， 对接收到的数据进行解调、存储和处理，为中心站计算机网上的各种水利应用软件和 中心站系统服务器提供有效的数据等。 遥测中心站主要设备有后台微机、接收机、天馈线、太阳能板和避雷接地等。 实时接收上游遥测站的信息，并实现遥测数据的存储、打印、查询、统计检索，通过 后台机洪水预报软件实现洪水的实时预报调度n 2 2 超短波通讯网的基本原理 无线通讯远距离传输发射站必须对数字信号进行调制，接受端必须对信号进行解 调，这样才能完成远距离数据通讯。信号调制有两种：一种是调频方式( f m ) ，一 种是调幅方式，由于调幅方式的抗干扰性和稳定性不如调频方式，故目前一般较少采 用，大多采用调频力式。 2 2 1 数字调频信号 数字调频或称移频键控( f s k ) ，是利用载波振荡的频率变化来传递信息的。数 字调频系统在起伏干扰作用下，其抗干扰性能优越于数字调幅系统，而且