水情测报方案08-26-两个断面测流 工程方案.doc

项目编号 项目编号 密级 密级 柬埔寨甘再水电站柬埔寨甘再水电站 水情自动测报系统水情自动测报系统 工程方案工程方案 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 二二 一五年八月十六日一五年八月十六日 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 柬埔寨甘再水电站柬埔寨甘再水电站 水情自动测报系统水情自动测报系统 审审 定 定 审审 核 核 校校 核 核 编写人员 编写人员 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 3 目目 录录 一一 概述概述 5 1 1 1 1 1 1 概概概况况况 5 1 1 1 2 2 2 水水水情情情自自自动动动测测测报报报系系系统统统建建建设设设的的的必必必要要要性性性 6 二二 指导思想与建设任务指导思想与建设任务 8 2 2 2 1 1 1 指指指导导导思思思想想想 8 2 2 2 2 2 2 建建建设设设任任任务务务 9 三三 建设目标 设计原则与设计依据建设目标 设计原则与设计依据 10 3 3 3 1 1 1 建建建设设设目目目标标标 10 3 3 3 2 2 2 设设设计计计原原原则则则 10 3 3 3 3 3 3 设设设计计计依依依据据据 10 四四 系统技术方案系统技术方案 12 4 4 4 1 1 1 系系系统统统站站站网网网分分分布布布 12 4 4 4 1 1 1 1 1 1 站站站网网网布布布设设设原原原则则则 12 4 4 4 1 1 1 2 2 2 遥遥遥测测测站站站网网网布布布设设设 12 4 4 4 2 2 2 系系系统统统组组组成成成 14 4 4 4 3 3 3 系系系统统统配配配置置置 16 4 4 4 3 3 3 1 1 1 雨雨雨量量量测测测量量量站站站 16 4 4 4 3 3 3 2 2 2 水水水位位位测测测量量量站站站 17 4 4 4 3 3 3 3 3 3 气气气象象象测测测量量量站站站 18 4 4 4 3 3 3 4 4 4 传传传输输输变变变换换换设设设备备备 19 4 4 4 3 3 3 5 5 5 监监监控控控室室室 20 五五 洪水预报软件开发洪水预报软件开发 23 5 5 5 1 1 1 洪洪洪水水水预预预报报报设设设计计计 23 5 5 5 2 2 2 洪洪洪水水水预预预报报报 23 5 5 5 2 2 2 1 1 1 S S SS S SA A AR R RR R R 模模模型型型的的的基基基本本本原原原理理理 23 5 5 5 2 2 2 2 2 2 数数数学学学模模模型型型参参参数数数选选选定定定 26 5 5 5 2 2 2 3 3 3 实实实际际际洪洪洪峰峰峰率率率定定定 27 六六 系统的土建设计系统的土建设计 28 6 6 6 1 1 1 雨雨雨量量量测测测量量量站站站土土土建建建要要要求求求 28 6 6 6 2 2 2 水水水位位位测测测量量量站站站土土土建建建要要要求求求 28 6 6 6 3 3 3 气气气象象象测测测量量量站站站土土土建建建要要要求求求 30 6 6 6 4 4 4 监监监控控控室室室设设设备备备要要要求求求 30 七七 计划项目工期计划项目工期 31 八八 概算概算 32 8 8 8 1 1 1 概概概算算算编编编制制制依依依据据据 32 8 8 8 2 2 2 编编编制制制说说说明明明 32 8 8 8 3 3 3 总总总投投投资资资 33 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 4 南京水利科学研究院简介南京水利科学研究院简介 南京水利科学研究院建于 1935 年 原名中央水工试验所 是我国最早成立的综合性 水利科学研究机构 2001 年被确定为国家级社会公益类非营利性科研机构 主要从事基 础理论 应用基础研究和高新技术开发 承担水利 交通 能源等领域中具有前瞻性 基础性和关键性的科学研究任务 兼作水利部大坝安全管理中心 水利部水闸安全管理 中心 水利部应对气候变化研究中心 水利部基本建设工程 质量检测中心 水利部水文 仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心 历经 80 年的发展 南京水科院已发展成为拥有 40 多个具有鲜明特色和优势的专业 研究方向 在国内外具有重要影响的水利科研机构 现设水文水资源研究所 水工水力 学研究所 河流海岸研究所 岩土工程研究所 材料结构研究所 大坝安全与管理研究 所 水利部农村电气化研究所 水利部南京水利水文自动化研究所 农村水利科学研究 推广中心 生态环境研究中心 海洋资源利用研究中心等研究机构和南京瑞迪建设科技 有限公司等研发机构 建有水文水资源与水利工程科学国家重点实验室和国家级国际联 合研究中心 以及水利 交通 能源行业 9 个部级重点实验室 技术研发中心 工程技 术研究中心 承办并定期公开出版 8 种学术期刊 包含英文期刊 建有院本部科研及 科技创新基地 铁心桥水科学与水工程实验基地 滁州水文实验基地和国家防汛抗旱总 指挥部办公室防洪演练基地 杭州农村电气化与再生能源研发基地 当涂科学试验及科 技开发基地 无锡河湖治理研究基地 南京水科院秉承 勤奋 严谨 求实 创新 的科研精神 坚持 科学 规范 诚 信 卓越 的质量方针 组织开展重大科学技术问题研究 取得了一大批重要研究成果 以黄文熙院士 严恺院士 窦国仁院士 沈珠江院士 张建云院士等为代表的科技工作 者为我国的水利 交通 能源的建设做出了重要贡献 自 1978 年全国科技大会至 2014 年底 南京水科院获得国家和省部级科技进步奖 571 项 其中国家级奖励 76 项 出版专 著 400 多部 获国家发明和实用新型专利 348 项 全院现有科研人员 1300 余人 其中中 国工程院院士 英国皇家工程院外籍院士 1 名 国家有突出贡献中青年专家 国家特 支计划 百千万工程领军人才等国家和部省级人才 70 余名 具有高级以上职称 670 多人 是国家创新人才培养示范基地 荣获 全国专业技术人才先进集体 称号 南京水科院 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 5 是国家首批相关学科博士 硕士学位授予权单位 现设有水利工程一级学科博士点及 12 个学科硕士点 设有水利工程博士后流动站 至今已培养博士 硕士研究生以及博士后 600 余人 南京水科院已与 80 多个国家和地区的高等院校和科研院所建立了良好合作关系并拥 有直接进出口权 一一 概述概述 1 1 1 1 1 1 1 1 概概概概况况况况 Kamchay 河流域位于柬埔寨王国西南部的 Kampot 省 是一条典型的山区性河流 发 源于 Bokor 高原附近的山峰 自河源开始的 5 km 6 km 河流向东 在 Popok Vil 河水 流经 40m 45 m 高瀑布 然后向北 继续流过 20km 当与 Veal Tohm 河交汇后 它以 90 折向东 从那里开始 方向逐渐地朝南改变 约 11 km 后与左支流 Malou Trieng 汇 合 从汇合处向下约 30km 处 Kamchay 河与 Kraphit 河汇合 然后改变名称 叫 Kampong Bay 河 在该河段 水流缓慢向南 经过下游的 Kampot 镇 在那里形成一个三 角洲 流入泰国湾 从源头到与 Kampong Bay 河汇合口处 河流总长约为 77 km 流域面积 822km2 河 流的平均比降约为 2 工程坝址位于 Kamchay 河与 Kraphit 河汇合处上游 8 4km 处 坝址以上流域面积 709km2 流域内大部分地区覆盖着密集的热带雨林 在地势较低地区雨林遭到严重破坏 造 成现在库区的植被主要由次级植被竹子组成 从 Kampot 镇到坝址下游约 4 5km 的 Tuk Chhur 水文站处有一条公路相通 从 Tuk Chhur 水文站到坝址的道路为碎石路面 甘再工程位于 Kamchay 河上 Kamchay 河 也称作 Perk Toek Chhu 位于 Elephant 山脉南端 在 Kampot 省境内 Phnom Penh 的西南 河流流域大约位于纬度 10 40 11 05 和经度 103 50 104 10 之间 Kamchay 河与 Kraphit 河汇流后 称做 Kampong Bay 河 Prek Kampot 直接流入 Siam 湾 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 6 已经在 Kampong Bay 河上开发了一个重要的地区性游览区 位于反调节堰以下 Kampot 以北约 15km 工程区以南下游约 2km 处的山脚处 离甘再电站工程最近的城镇是省会城市 Kampot Kampot 的人口大约有 3 3 万人 Kampot 市的居民用水从 Kampong Bay 河抽取 取水口位于游览区的下游即反调节堰以下 甘再工程由甘再首部枢纽碾压混凝土大坝 电站引水进水口 引水隧洞及调压井 地面厂房 下游反调节堰枢纽及电站和首部枢纽坝后小电站等几部分组成 反调节堰电 站利用 PH1 电站厂房下游的反调节堰所聚集的水头发电 是 PH1 电站的反调节电站 枢 纽布置格局为河床式电站 甘再水电站首部枢纽水库为不完全年调节水库 甘再电站是电力系统中的骨干电站 其运行以调峰运行为主 日内发电流量很不均匀 在一年当中来水最枯的月份里 发电 机组每天仅运行 4 小时 如果对水轮机出流没有反调节措施的话 那么 在一天中其余 的 20 小时里 反调节堰以下河段就会出现断流 这样的话 就会影响到 Toek Chuu 娱乐 区 反调节堰至河流入海口仅十几公里 因此断流会引起海水倒灌 含盐海水渗入地下 水中 影响当地居民 特别是省会城市贡布市居民饮用水 反调节堰是为 PH1 电站的发电流量进行反调节 以满足下游河道用水要求而设立的 因此反调节堰的主要任务是对 PH1 电站的发电流量进行反调节 保证反调节堰以下河段 每天 24 小时内保持相对均匀的水流 同时利用反调节堰所聚集的水头发电 反调节堰以下河道两岸有大片农田和果园 可利用反调节堰水库引水灌溉 因此 反调节堰的任务除对 PH1 电站的发电流量进行反调节和发电外 还兼顾灌溉 综上所述 甘再项目的主要任务是发电 兼顾城市供水及灌溉 其中城市供水及灌 溉任务由反调节堰承担 甘再电站 PH1 和坝后小电站 PH3 的任务是发电 1 1 1 1 2 2 2 2 水水水水情情情情自自自自动动动动测测测测报报报报系系系系统统统统建建建建设设设设的的的的必必必必要要要要性性性性 甘再水电站是当地电力系统中的骨干电站 承担着电力系统调峰的重要任务 同时 其下游有 ToekChuu 娱乐区 并且电站下游的反调节堰至河流入海口仅十余公里 若反调 节堰下断流会引起海水倒灌 将导致含盐海水渗入地下水中 会影响当地居民 特别是 省会城市贡布市居民饮用水保障 因此 各兴利目标和利益攸关方均对甘再水电站调度 运行的科学性 合理性提出了较高的要求 同时 甘再水电站位于东南亚热带季风性气候区域 雨季降水量十分丰富 故在雨 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 7 季水库枢纽大坝及附属设施易遭遇暴雨洪水 为保障水库枢纽自身以及下游地区人民的 生命财产安全 相关管理部门加强了水库的日常管理过程中 在汛期 特别是在暴雨等 恶劣天气情况下 管理人员对水库进行现场巡视 以掌握水库重点位置的即时汛情 制 定防洪应急措施 但长期水电建设管理实践早已证明 完全依靠人工进行管理 无法即时准确的获取 水电站枢纽相关的水雨情信息 故很难有效保证防洪 发电调度决策及时性和有效性 同时也给相关管理人员带来了人身安全的巨大隐患 为了及时有效掌握水电站枢纽相关 的水雨情信息 动态监控了解水利工程运行情况 合理调配和使用水量水力资源 提高 防洪 兴利综合调度能力 充分发挥水利水电工程的综合效应 必须要有先进 实用 可靠的水雨情自动测报系统 众多实践已经证明 基于现代信息技术和自动控制技术的 水雨情自动测报系统已经具有比较成熟的开发建设模式 积累了许多成功的经验 不仅 可以增加水利水电工程运行管理的科技含量 有效降低日常管理中的财力和人力资源消 耗 是提高水利工程管理的现代化管理水平和经济社会效益的必备基础 因此为进一步保障甘再水电站工程的安全 同时最大程度上发挥其发电 城市供水 和灌溉的作用 提高水库和水电站综合运行效益 建设甘再水电站水情自动测报系统的 建设已经迫在眉睫 在该工程控制流域 建立一个可靠 准确 实用 先进 开放 安 全 易于维护管理的水情自动测预报系统 可以在准确监测获取水电枢纽控制流域主要 河流实时的气象水文信息的基础上 并实现对入库水量等重要水文信息的预报 不仅可 为水库的安全渡汛和下游防洪提供保证 而且是优化该工程调度管理 更好地发挥工程 的发电 供水及防洪等综合效益的前提 二二 指导思想与建设任务指导思想与建设任务 2 2 2 2 1 1 1 1 指指指指导导导导思思思思想想想想 根据 水库洪水调度系统设计与开发规则 的要求 为保障系统设计的指导性和可 操作性 并能保持相对稳定 甘再水电站水情自动测报系统建成后 将会是一套先进 可靠 实用 高效的系统 具有以下特性 1 可靠性 选用经国际 ISO9000 标准质检认证的厂家设备和技术成熟 市场占有量大 信誉 好的产品 软 硬件与多重保护设计 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 8 冗余设计 电磁兼容设计 完善的故障保护功能 良好的技术支持 2 实用性 友好的人机界面 清晰 实用 易于操作 兼容性 能与 大坝安全自动化系统 水库办公自动化系统 连接 能与公 用电话网连接 能与各级防汛指挥系统连接 扩展性 系统具有可扩展性 包括扩展雨量水位遥测站点 建立分中心等 可以不断进行应用开发 完善补充系统功能 3 经济性 实行水库优化调度 合理利用水资源 实现最好的经济效益和社会效益 提高运行管理人员的管理水平和工作效力 4 先进性 先进的系统设计 采用市场上最先进 最可靠的设备 采用具有发展潜力的软件平台 采用便于操作 技术先进的开发工具 以上措施可以确保本系统实现现场无人值守 监控室少人值班 系统安全可靠运行 满足水库防汛 预报和调度的需要 2 2 2 2 2 2 2 2 建建建建设设设设任任任任务务务务 本工程的建设任务如下 1 新建甘再水电站水情自动测报系统 实现水雨情数据的自动采集 传输和存储管 理 数据传输至水库办公楼 提供主要数据的报表 实现上级部门和水库水情数据的共 享 2 系统采用无线的方式进行组网 系统规模为 1 17 即 1 个监控室 17 个遥测站 其中 17 个遥测站里面有 8 个雨量站 8 个水位站 和 1 个气象观站 3 新建水库中心数据接收系统 接收测站采集 传输的实时降水 水位 气象数据 水雨情数据信息在格式和结构与水电站已建监控系统兼容 在此基础上实现实时数据的 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 9 浏览和历史数据的查询和综合报表功能 4 充分利用水情自动测报系统的数据 开发水库洪水预报模型 实现甘再水电站的 实时洪水预报和调度 5 建设控制室配备服务器 电脑 UPS 等配套设施 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 10 三三 建设目标 设计原则与设计依据建设目标 设计原则与设计依据 3 3 3 3 1 1 1 1 建建建建设设设设目目目目标标标标 甘再水电站水情自动测预报系统的总目标为 建立一个质量可靠 准确 实用 先 进 开放 安全 易维护的水情自动测预报系统 实时准确地监测 传输水库上游的干 支流以及区间的降水 水位和蒸发能力等各类水雨情信息 将水雨情实时监测信息与流 域洪水预报模型结合 实现对入库流量的实时预报 为水库防洪和水电站的优化调度提 供信息保障 更好地发挥工程的防洪 发电 供水等综合效益 3 3 3 3 2 2 2 2 设设设设计计计计原原原原则则则则 本方案设计遵循的原则是 1 规范化原则 项目的设计 执行 管理严格遵循现有的国家标准 行业 标准 并根据自身特色 制订适合于本项目的地方标准规范 2 可靠性原则 项目中的系列核心设备能保证长期稳定运行 3 先进性原则 采用国际上先进的技术 保证项目建成后整体达到国际先 进 国内领先水平 4 可扩展性原则 在项目设计时充分考虑到将来扩充的可行性 项目中将 预留为后期进行扩展的接口 随着项目的建设发展 我们也为项目中软硬件设备的更新 升级做好了准备 5 经济性原则 在保证项目功能完善 先进 可靠的基础上 尽量降低项 目的成本和运行 维护费用 6 实用性原则 功能强大 设计人性化 易于被普通用户掌握 操作和使 用 7 易维护性原则 项目基本上可以处于免维护工作状态 维护简单 易于 管理 3 3 3 3 3 3 3 3 设设设设计计计计依依依依据据据据 本设计方案依据的主要规范和标准有 1 SL61 2003 水文自动测报系统规范 2 DL T5051 1996 水情自动测报系统设计规定 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 11 3 SL34 92 水文站网规划技术导则 4 SL T102 1995 水文自动测报系统设备基本技术条件 5 SL T180 1996 水文自动测报系统设备 遥测终端机 SL T182 1996 水文自动测报系统设备 前置通信控制机 6 水库洪水调度系统设计与开发规则 7 SL199 97 水文自动测报系统通信电路设计规定 8 GB11830 89 水文自动测报装置 遥测水位计 9 SL250 2000 水文情报预报规范 10 GB11831 2002 水文自动测报装置 遥测雨量计 11 水文设备管理规定 1993 年 12 水文测量规范 水利行业标准 SL 58 2014 13 电力行业标准 电网水调自动化系统要求及验收细则 14 电力行业标准 DL T316 2010 电网水调自动化系统功能规范 四四 系统技术方案系统技术方案 4 4 4 4 1 1 1 1 遥遥遥遥测测测测站站站站网网网网分分分分布布布布 4 4 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 站站站站网网网网布布布布设设设设原原原原则则则则 水雨情遥测站的布设应满足水情自动测报系统建设要求 在保证洪水预警 预报精 度的前提下 做到既科学合理 又经济可行 为此确立下述布站原则 1 雨量站网应能反映暴雨在水面和垂直方向上的变异特性 即采集到的实时雨 量信息在空间上具有代表性 实现对洪水主要来源地区的雨量信息的覆盖 在洪水预警 预报模型基本适合本流域雨洪特性的条件下 雨量信息的准确 获取是能取得较高预警 预报精度的关键 2 尽量考虑流域水系特征 确定控制遥测水位站的位置及监测方式 如在入库 站 坝上站 坝下站 大支流汇入口处的布设控制站等 3 考虑到资料的一致性 连续性及经济应尽量使用现有站点 4 注意交通方便 便于维护管理 规避或降低安全隐患 4 4 4 4 1 1 1 1 2 2 2 2 站站站站网网网网布布布布设设设设 方方方方案案案案 依据上述原则 甘再水电站水雨情遥测站网布设如下图 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 12 图图 4 1 1 甘再水电站遥测站网布设甘再水电站遥测站网布设 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 13 图中红色圆形符号表示雨量站 编号为 雨 1 雨 8 共计 8 个 图中红色三角形符号表示水位站 编号为 水 1 水 8 共计 8 个 图中红色方形符号表示气象站 编号为 气 1 共计 1 个 水位站建议布设 8 个 a a 由于坝前水位很重要 大坝坝前布置两个两个水位站 一个水 位站走网络传输 测量结果到中心站服务器 另一个为备用水位站 备用水位站走有线 连接到 PH3 控制室 实时显示坝前水位 以便在网络出现问题时 能起到第二套测量坝 前水位的目的 b b 大坝下游布置一个水位站 c c PH1 发电尾水布置一个水位站 d d PH2 坝 附近布置两个 坝上下游各布置一个水位站 e e 在水库尾水上游主干流 Kamchay 河流和 Malou Trieng 支流各布置一个 位置以交通方便 不受水库库尾回水影响 且断面形态 比较稳定之处为宜 共 8 个水位站 4 4 4 4 2 2 2 2 系系系系统统统统组组组组成成成成 根据上述的站网布设 本系统组成为 1 17 即 1 个监控室 16 个遥测站 包括 8 个 雨量站 8 个水位站 1 个气象遥测站 各个站点测量的最终数据通过 GPRS 北斗卫星 数据传输系统 Ethernet 组网的方式传输至监控室 监控室可以通过广域网实时的浏览 水各个遥测站数据 系统 16 个遥测站中 对于无 GPRS 信号覆盖的站点有 5 个 其中雨量站 3 个和水位 站 2 个 将采用北斗卫星数据传输系统将遥测站数据接入广域网 对安装在大坝且无 GPRS 信号覆盖的遥测站因距离控制室距离近 通过从控制室引出光纤将遥测站数据接入 控制室 Internet 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 14 移移动动GPRS公公网网 雨量站水位站 Internet 监控室 服务器 用户界面 遥测站 GPRS 传输方式示意图 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 15 遥测站北斗卫星数据传输方式示意图 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 16 气象站雨量站水位站 光光纤纤 调调制制解解调调器器 光光纤纤 调调制制解解调调器器 光光 纤纤 网网线线 网网线线 串串口口服服务务器器 Internet 监控室 服务器 用户界面 遥测站光纤传输方式示意图 4 4 4 4 3 3 3 3 系系系系统统统统配配配配置置置置 根据系统通信组网的原理 该系统有监控室和遥测站两部分组成 遥测站主要配置 数据采集单元 传感器 水位计 雨量计 气象传感器 太阳能板 电池以及防雷 设备设施 监控室主要配置水情应用软件 数据接收软件 计算机等 监控室需提供固 定 IP 各部分的组成及相应的功能 技术指标及特点等如下 4 4 4 4 3 3 3 3 1 1 1 1 雨雨雨雨量量量量测测测测量量量量站站站站 雨量监测的目的是及时掌握水库上游降水分布 是预报入库水量的基本信息 也是 开水库调度的重要指标 雨量站由雨量计 太阳能板 电器防雨罩保护箱 内置电池 太阳能充电控制器 GPRS 终端 采集器 不锈钢安装支架组成 雨量站系统结构简单 安装方便 传感器 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 17 不需要进行任何设置 即连即用 主要功能有雨量传感器的测量数据自动采集和无线传 输 测量数据存贮 计算机通讯 测量数据管理 测量结果输出 雨量遥测站按设定的采样周期时间采集雨量数据 当雨量发生变化后 实时采集雨 量数据 向监控室发送雨量和电源状态等信息 4 4 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 水水水水位位位位测测测测量量量量站站站站 甘再水电站所在流域的水位测量站的监测目标有两类 一类是水库所在流域重要河 道水位监测 这类监测的止的主要是为了反映控制断面水情信息 并可为推算水库上游 入库流量提供数据基础 另一类是水库坝上水位的监测 及时掌握库水位 可以获取水 库运行状态 实时掌握水库库容 并综合上游入库流量 水电站泄洪能力等参数 库水 电站调度决策提供最直接最重要的基础数据 水位测量站采用硅压式扬压力计测量水位 其工作原理是当被测水压荷载作用在扬 压力计上时 将引起硅压传感器变形 变形量经数字电路采集调制后 由电缆传输至读 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 18 数装置 硅压式扬压力计采用外壳接地及双绞屏蔽附通气管电缆 有效提高了仪器抗干 扰和防雷击的能力 水位测量站按设定的采样周期时间采集水位 当水位在设定的时间间隔内发生一定 的变化后 采集水位传感器的数据 然后向监控室发送水位和电源状态等信息 水位测量站示意图 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 气气气气象象象象测测测测量量量量站站站站 甘再水电站气象测量站观测的气象要素主要包括水面蒸发 气温 风三类 这几类 要素反映大气状态的基本物理量 表征了大气的基本热力 动力状况 并且可为洪水文 模型的构建提供基本的输入信息 其中 水面蒸发是反映大气蒸发能力的要素 通过水 面蒸发传感器测量 其工作原理采用高精度的称重原理测得蒸发皿内液体重量 再计算 出液面高度 气温是观测空气冷暖程度的物理量 通过双金属温度计等仪器观测 风用 安装在风向杆上的电接风向 风速仪测量 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 19 气象测量站示意图 气象测量站包括数据采集模块可以将传感器数据通过串口服务器和光纤调制解调器 转为光信号传输至监控室 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 4 4 蒸蒸蒸蒸发发发发传传传传感感感感器器器器 水面蒸发传感器是用于测量液面蒸发量的仪器 水面蒸发传感器采用高精度的称重 原理测得蒸发皿内液体重量 再计算出液面高度 因此在多种环境下均可使用 如液体 或结冰均可测量 解决了使用超声波原理测量液面高度时出现的结冰时测量不准 没有 水时容易损坏传感器 精度低等缺点 水面蒸发传感器由底座 三脚架 蒸发皿 防鸟刺组成 其信号输出为 4 20ma 模 拟信号 使用时需要将模拟信号转换为数字信号以进行处理和传输 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 20 蒸发器实物图 4 4 4 4 3 3 3 3 5 5 5 5 传传传传输输输输变变变变换换换换设设设设备备备备 传输变换设备为遥测站设备与控制中心服务器之间通讯的桥梁 根据现场不同环境 条件 需要用到的传输变换设备有北斗通讯终端 RTU 光纤调制解调器 串口服务器等 设备 1 1 北斗通讯终端 北斗通讯终端 北斗 卫星导航系统时中国自主研发的卫星导航系统 具有定位 通信功能 是 继美国的 GPS 俄罗斯的 GLONASS 之后 第三个区域成熟的卫星导航系统 它改变了我 国长期缺少高精度 实时定位手段的状况 打破了美国和俄罗斯在这一领域的垄断地位 利用北斗系统 实现对 GPRS 系统无法覆盖的区域的遥测点检测 它具有覆盖范围广 信 息自主传播 信息传输速度快 保密性好等优点 北斗一号 系统时一种新型 全天 候 区域性的卫星导航定位系统 北斗终端同时具有收发功能 用于接收中心站通过卫 星转发来的信号和向中心站发送定位 通信或定时申请信号 北斗一号采用集中式信号 处理 定位 通信和双向定时都必须通过中心站进行 由中心站判断用户请求的业务类 型 并执行相应的操作 北斗终端配有通信接口 用于同外设进行信息交换 北斗终端 具有通用的数据接口 即 RS 232 标准接口 9 针 以便于与外部设备进行数据通信 2 2 北斗接收型终端 北斗接收型终端 雨量遥测站和水位遥测站的数据通过卫星通讯终端发送到卫星地面站 地面站将数 据处理存储后在通过卫星将数据发送到北斗接收型终端 北斗接收型终端通过 RS232 串 口输出数据 数据通过串口服务器转为网络信号接入监控室服务器 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 21 3 3 RTURTU RTU 同于将雨量站 水位站 气象站的监测数据转换为满足北斗通讯系统需要的短 报文格式 RTU 同时控制北斗终端的数据发送 遥测站点工作状态监测等工作 4 4 光纤调制解调器 光纤调制解调器 光纤调制解调器用于将光信号转为以太网电信号 光纤调制解调器由发送 接收 控制 接口 及电源等部分组成 以太网数字信号以二进制串行信号形式提供发送的数 据 经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分 经调制电路调制成线路要求的信号向线 路发送 接收部分接收来自线路的光信号 经滤波 反调制 电平转换后还原成数字信 号以太网接口 光调制解调器是一种类似于基带调制解调器的设备 和基带调制解调器 不同的是接入的是光纤专线 是光信号 5 5 串口服务器 串口服务器 气象站控制 通讯电路采用串口信号和 GPRS 信号与其它设备通讯 在现场应用中 没有 GPRS 信号 只能使用串口与其它设备通讯 但光纤调制解调器不能直接将串口信号 转为以太网信号 需要使用串口服务器将串口信号转为网络信号 串口联网服务器让传 统的 RS 232 422 485 设备立即联网 利用基于 TCP IP 的串口数据流传输的实现来控制 管理的设备硬件是专为串口转以太网设计连接的桥梁 串口服务器提供串口转网络功能 串口服务器能够将 RS 232 485 422 串口转换成 TCP IP 网络接口 实现 RS 232 485 422 串口与 TCP IP 网络接口的数据双向透明传输 使得串口设备能够立即具备 TCP IP 网络 接口功能 连接网络进行数据通信 极大的扩展串口设备的通信距离 4 4 4 4 3 3 3 3 5 5 5 5 监监监监控控控控室室室室 监控室是水情自动测报系统的心脏 所有数据都汇集到此 监控室完成对各个站点 数据的存储 分析 预警 显示等功能 1 1 桌面客户端 桌面客户端 用户界面客户端可部署于安装了 Windows 操作系统的 PC 中 适用于监控中心的实时 监测数据 客户端可向服务器索取过去某一段时间内所有的水情信息数据和预报信息 并绘制成变化曲线显示 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 22 图图 4 3 64 3 6 桌面客户端桌面客户端 2 2 手机客户端 手机客户端 手机客户端可安装于 Android 和 IOS 操作系统中 适用于监控中心的实时监测数据 手机客户端向服务器索取过去某一段时间内所有的水情信息数据和预报信息 并绘制成 变化曲线显示 在水情自动测报系统监测到异常状况时 服务器会及时向手机客户端推 送消息 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 23 图图 4 3 64 3 6 手机客户端手机客户端 3 3 服务器 服务器 服务器主要完成信息的收集 整理后进入综合数据库 并提供信息服务 根据收集 的信息完成预测预报 调度决策 调度指挥 服务器提供数据库管理功能 可以对数据 库中的信息进行查询 修改 增删 并负责维护数据库共享时的安全性 站点设置及系 统参数设置 可以动态设置站点的信息 如站名 站号 位置 类型 雨量参数 水位 参数等 也可动态设置系统参数 如遥测端口地址 端口是否开启 MODEM 通讯参数 是否上网运行等 服务器具有故障告警 越限告警功能 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 24 4 4 4 4 4 4 4 4 水水水水位位位位流流流流量量量量补补补补充充充充测测测测量量量量 为构建入库洪水预报模型 需获取甘再水电站水库枢纽入库流量数据 但由于河道 情况比较特殊并考虑技术经济的可行性 不能建立常规的流量观测站 只能开展河道水 位遥感 因此 项目拟通过获取河道水位 流量关系 根据水位推测相应流量要素 从而 获取甘再水库入库流量要素信息 为构建入库河道水位 流量关系曲线 需要在水库上游的两条主要支流河道上开展水 位 流量要素的补充测量 为获取相对理想的水位 流量曲线 需参照 水文测量规范 水利行业标准 SL 58 2014 等的要素 水文测量规范在年内典型时段 如洪水期涨水 前后 针对高 中 低不同等级的水位 进行若干次观测 以获取实际数据 由于对 于入库河道和山区洪水情况缺乏全面了解 采用自动流量测验设备进行补充勘测时 根 据河道断面形态和流速大小考虑以下不同的情况 船只可以达到的情况 船只走航 WINRIVER 测量 测量流速同时自动算出流量 一般单个断面至少测两次 一个来回 5 米左右水深的水域只能用 1200K 或 600K 的 ADCP 需有底跟踪 船只不能到达的情况 可以用三体船小船搭载 ADCP 两岸搭建支架 在对岸上对拉 拉船即可完成 ADCP 实时测量数据通过无线电传输到电脑 因此这种配置须有电台或者无线蓝牙等无线 传输模块 5 米左右的水域 只能用 1200K 或 600K 的 ADCP 需有底跟踪 船只走航 WINRIVER 测量 测量流速同时自动算出流量 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 25 图 1 ADCP WKH600 五五 洪水预报洪水预报软件开发软件开发 5 5 5 5 1 1 1 1 洪洪洪洪水水水水预预预预报报报报设设设设计计计计 洪水预报与调度在时程上包括五个阶段 1 信息采集处理阶段 主要完成信息的收集 整理后进入综合数据库 并提供信 息服务 2 预测预报阶段 主要完成洪水预报 3 调度决策阶段 在实时雨水工情和灾情及其发展趋势的预测预报的基础上 基 于实时工程运用现状 完成洪水预报调度系统的集成和决策 依据决策目标和可使用的 防洪手段设计出实现决策目标的可行方案 4 调度指挥阶段 发布调度指令 组织人力料物进行工程抢护 实施各种应急措 施 估算灾害损失等 5 信息反馈阶段 据调度决策的具体实施效果 反馈给预报预测阶段的防洪形势 分析以及调度决策阶段的系统决策 以助于通过会商 进行方案调整 实施 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 26 5 5 5 5 2 2 2 2 洪洪洪洪水水水水预预预预报报报报模模模模型型型型 甘再水电站设计阶段的水文资料来源和洪水设计 全部是用 SSARR 模型计算出来的 因此 用 SSARR 模型来预报入库洪水过程比较适合 与此同时 由于甘水电站属于湿润 性地区 而对于湿润性气候区域 国内开发的三水源新安江模型也是极为成功的模型 特别是在与甘再水电站具有较强气候水文相似性的广东 福建等地区的流域广泛应用 5 5 5 5 2 2 2 2 1 1 1 1 S S S SS S S SA A A AR R R RR R R R 模模模模型型型型 SSARR Streamflow Synthesis And Reservoir Regulation 模型是美国陆军工程师兵团于 60 年代初发展起来的一种降雨 径流水文模型 主要应用于大流域水资源规划 洪水预 报等 该文模型自问世以来 已在欧美等国进行了广泛的应用验证 并继续得到改进完善 尤其是近 10 20 年 该模型又有了长足发展 在世界各地确一系列非常成功的应用 SSARR 模型是一种概念河流水文预报数学 它认为降雨径流模型实质上是一个曲线 流域模型 在流域内的降雨输入可以转化为径流 土壤含水量的增加和流域蒸发损失三 部分 某一个计算的径流 RGP 为流域面平均降 AWP 的百分数 ROP 可表示为下式 RGP ROPxAWP SSARR 模型原理结构图如下 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 27 模型首先要根据流域的土壤含水量求得径流系数 由此算出产生的径流总量 然后再进行地表 水 浅层流和基流的划分 最后再通过汇流计算求得流域出口流量 需要理清下面的关系 找出参数值 径流系数与土壤含水量的关系 径流系数与土壤含水量的关系 经分析研究 二者之间的关系 可以用以下两式表达 ROP a b SMI Wm c 1 logROP SMI Wm 1 0 2 其中ROP 径流系数 SMI 流域土壤含水量 mm Wm 流域田间最大持水量 mm a b c 常数项系数 径流总量即可由下式求得 RGP ROP P 3 其中 RGP 时段径流总量 mm P 时段降雨量 mm 基流计算基流计算 基流渗透指数由下式表达 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 28 BII t 1 BII t 24 RG BII t PH TSBII PH 2 4 其中BII t 1 t 1 时刻基流渗透指数 mm 24h BII t t 时刻基流渗透指数 mm 24h RG RGP PH 时刻流量 mm h TSBII 滞后时间 h PH 选定时段大小 h 基流占径流总量的比例由下式算得 BFP BFPc e K BII 5 其中 BFP 基流占径流总量的百分比 BFPc 基流占径流总量的最大比例 K 常数项系数 基流量按下式即可求得 BFLOW BFP RG 6 其中 BFLOW 基流量 mm h 地表水和浅表水地表水和浅表水 地表水及浅层水之和计算如下 RGS RG 1 BFP 7 二者之间的划分基于以下假设 1 地表水 RS 至少占二者总和 RGS 的 10 2 当浅层流达到其最大入流 KSS 时 余下的将以 KSS 值的 2 倍入流地表水 即 RS 0 1 0 2 RGS KSS RGS 当 RSKSS 时 RSS KSS 时 RS RGS RSS 其中RGS 地表水与浅层流之和 mm h RS 地表水入流 mm h RSS 浅层流入流 mm h 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 29 KSS 最大浅层流入流 mm h 水量平衡方程水量平衡方程 流域水量平衡方程式由下式求得 SMI t 1 SMI t P t RGP t EEO t 8 EEO t SMI t Wm d EM t 9 其中SMI t t 时刻土壤含水量 mm SMI t 1 t 1 时刻土壤含水量 mm P t t 时段降雨 mm EEO t t 时刻流域实际蒸发 mm EM t t 时刻最大水面蒸发 mm d 常数项系数 当土壤含水量达到枯萎系数时 SMI 0 当达到最大田间持水量时 SMI Wm 河道汇流河道汇流 河道汇流由一阶线性水库模型求得 Q t Q t 1 e 1 KK I t 1 e 1 KK 10 其中Q t Q t 1 t 及 t 1 时刻断面出口流量 I t t 时刻入流量 KK 滞留系数 地表水 浅层流及基流分别各自平行独立地用 10 式进行汇流计算 参数 KK 则相应 地演变为 KK1 KK2和 KK3 5 5 5 5 2 2 2 2 2 2 2 2 新新新新安安安安江江江江模模模模型型型型 新安江模型是河海大学赵人俊教授提出和发展的一个流域水文模型 是中国少有的 一个具有世界影响力的水文模型 新安江模型是分散性模型 可用于湿润地区与半湿润 地区的湿润季节 当流域面积较小时 新安江模型采用集总模型 当面积较大时 采用 分块模型 它把全流域分为许多块单元流域 对每个单元流域作产汇流计算 得出单元 流域的出口流量过程 再进行出口以下的河道洪水演算 求得流域出口的流量过程 把 每个单元流域的出流过程相加 就求得了流域的总出流过程 单元新安江模型是一个分水源 分阶段 具有分布参数的完整的概念性降雨径流模 型 适用于湿润与半湿润地区 具有概念清晰 结构合理 调参方便和计算精度较高等 优点 模拟计算主要分为单元划分 蒸散发 产流 分水源和汇流 5 个阶段 涉及到的 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 30 参数要更多一些 1 蒸散发计算蒸散发计算 流域蒸散发在流域水量平衡中起着重要的作用 植物截留 地面填洼水量及土壤蓄 水量的消退都耗于蒸散发 蒸散发的计算成果正确与否将直接影响模型产流计算成果 在新安江模型中 流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性 而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层 用三层蒸散发模型计算蒸散发量 参数有流域平均张力水容量 mm 下层张力水容量 mm 深层张力水UMLM 容量 mm 蒸散发折算系数和深层蒸散发扩散系数 计算公式如下 DMKCC 11 WMUMLMDM 12 WWUWLWD 13 EEUELED 14 EPKCEM 式中 W 为总的张力水容量 mm WU 为上层张力水蓄量 mm WL 为下层张力水蓄量 mm E 为总的蒸散发量 mm EU 为上层蒸散发量 mm EL 为下层蒸散发量 mm ED 为深 层蒸散发量 mm EP 为蒸散发能力 mm 产流计算产流计算 产流计算中采用蓄满产流模型 蓄满是指包气带的土壤含水量达到田间持水量 蓄 满产流是指 降水在满足田间持水量以前不产流 所有的降水都被土壤所吸收 降水在满足田间持水量以后 所有的降水 扣除同期蒸发量 都产流 其计 算式为 15 RPEWWM 式中 流域平均蓄水容量 mm WM 蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区 在该类地区 一场较大 的降雨常易使全流域土壤含水量达蓄满 倘若一场降雨不能使全流域蓄满 或一场降雨 过程中 全流域尚未蓄满之前 流域内也观测到有径流 这是由于前期气候 下垫面等 的空间分布不均匀性 导致流域土壤缺水量空间不均匀的结果 因为 在其他条件相同 情况下 缺水量小的地方降雨后易蓄满 先产流 因此 个流域的产流过程在空间上 是不均匀的 在全流域蓄满前 存在部分地区蓄满而产流 般可由流域蓄水容量曲线 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 31 表征土壤缺水量空间分布的不均匀性 新安江模型用流域蓄水容量曲线也反映了流域包气带缺水容量分布特性 流域蓄水 容量曲线是将流域内各地点包气带的蓄水容量 按从小到大顺序排列得到的一条蓄水容 量与相应面积关系的统计曲线 如图所示 图中纵坐标为各地点包气带蓄水容量值 WM 为其中最大值 一般都以 mm 表示 横坐标为面积的相对值 是全流域WMM fFF 面积 为流域内包气带蓄水容量小于或等于的面积 曲线所围的面积为全流f WMWM 域平均的蓄水容量 蓄水容量曲线可由如下指数方程近似描述 16 11 b WM WMM 图图 包气带蓄水容量曲线包气带蓄水容量曲线 一般情况下 降雨前的初始土壤含水量不为零 在初始土湿为条件下 降雨量 W 的产流量可由下列计算式求得 PE 在全流域蓄满前为 17 1 1 b PEa RPEWWMWM WMM aPE WMM 在全流域蓄满后为 18 RPEWWM aPE WMM 水源划分水源划分 按蓄满产流模型计算出的总径流量R中包括了各种径流成分 由于各种水源的汇流 规律和汇流速度不相同 相应采用的计算方法也不同 因此 必须进行水源划分 新安 江模型用水箱概念模型来描述和分水源 汇流计算汇流计算 柬埔寨甘再水电站水情自动测报系统 工程方案 南京水利科学研究院 32 汇流分三个阶段进行 坡地汇流 河网汇流和河道汇流 坡地汇流是水体在坡面上 的汇集过程 坡地汇流采用线性水库方法 地表径流在坡地汇流阶段时间很短 可以忽 略不计 地面汇流的坡地汇流时间不计 直接进入河网 则地面总入流为 19 QS tRS tU 式中 U 为单位转换系数 U 流域面积 3 6 h t 表层自由水以 KI 侧向出流后成为壤中流 进入河网 但是土层较厚 表层自由水可 以深入深层土 经过深层土的调蓄作用 才进入河网 深层自由水也用线性水库模拟 其消退系数为 CI 壤中流总入流计算公式为 20 11QI tCIQI tCIRI tU 地下径流的坡地汇流采用线性水库模拟 其消退系数为 CG 出流进入河网 表层自 由水以出流系数 KG 向下出流后 再向地下水库汇流 地下水总入 21 11QG tCG QG tCGRG tU 5 5