水库水文自动测报系统设计中需关注的问题

王玉华，赵 溦

（1.水利部水文局，北京 100053；2.河海大学，江苏 南京 210098）

0 引言

我国水文自动测报技术的开发和研制始于20世纪 70年代中期，在过去30余 a 的发展历程中，水文自动测报系统的技术和建设取得了巨大进步，进入21世纪以来，水文自动测报系统扩展了功能和服务范围，传感器和通信技术得到进一步提升，遥测信息通过网络实现快速传输和共享。在不同的历史时期，所建系统快速采集数据，为防汛和水利工程调度提供了决策依据，发挥了重要作用，取得了明显的社会经济效益。但是，在技术、设计、建设、运行管理等方面都还存在一些问题，有必要深入、全面进行总结。随着水利信息化的发展和要求，水文自动测报系统的建设已经成为水利水电工程设计和建设的组成部分。

DL/T5020-93《水利水电工程可行性研究报告编制规程》[1]和 DL/T5021-93《水利水电工程初步设计报告编制规程》[2]明确要求，在水利水电工程可行性研究阶段需编制水库工程水文自动测报系统规划，初步设计阶段编制水库水文自动测报系统总体设计。为了满足设计深度要求，《水利水电工程水文自动初步系统设计手册》[3]对水库工程水文自动测报系统设计提出了技术要求。

但查阅近年来水库水文自动测报系统的设计报告，发现有些报告存在深度不够的问题，因此在水库工程水文自动测报系统设计工作中，还有许多问题需要关注和明确。

1 项目区基础条件的明确

在设计报告的编制过程中，应明确项目区的基础条件，主要是工程所在地的基本情况，包括以下内容：

1）地理条件。包括工程区位置、流域形状、海拔高程、流域的干支流分布、植被情况等。

2）气象条件。包括降水量和降水成因，暴雨的发生时期，最大降水量的统计值，蒸发量统计值，气温年内分布，连续阴雨天数，光照条件等。

3）现有水文站网内水文站、水位站和雨量站的分布。需要明确现有水文站观测断面和主要特征，断面形态和水沙条件，最高水位、最大流量、含沙量。

4）流域内工程的基本情况。需明确水库分布、规模，蓄水总量，总集水面积，水库工程的防洪要求，调度对预报的要求等。

5）工程区及附近现有测报系统情况。包括站点布置，通信方式，中心站位置，以及上级信息网络条件和信息交换等要求。

6）信息传输通信条件。包括公共移动通信网覆盖情况，以及公共移动通信网未覆盖区域可采用的通信方式。

2 系统管理机制体制的明确

水库一般由现地管理单位和上级管理部门共同管理。大部分水库的任务主要是防洪，有些则兼顾农田灌溉和城镇供水等。测报系统设计时需考虑水库本身及下游防洪保护对象需求，还要完成供水和灌溉渠道或管道的引水及分水量监测计量。相关管理部门可能包括防汛、灌渠和城镇供水管理等部门，需分清层次和管理范围，还要注意系统之间的衔接问题。如四川省小井沟水库水文测报系统设计，水库管理机构设在自贡市，在自贡市设1个管理中心，在坝区设1个分中心，由于系统涉及水库工程和灌区管理，遥测站有防洪调度需要的水位站和雨量站，还有灌区管理的渠道水位站。

如果有几个不同的分中心，且与上级部门有通信和功能需求，应明确信息流程，并估算信息量和带宽要求，如视频和控制信息的带宽及保证率要求高，数据处理存储上应考虑数据量和数据库的布置。通信设备如果存在问题，需提出解决方案，配置相应设备。

3 系统建设方案设计时需关注的问题

3.1 根据需求确定系统任务和规模

水库工程任务不同，对水文自动测报系统的要求也不同。一般情况下，为大中型水库防洪调度服务的水文自动测报系统建设是不可少的。防洪为主的工程对水文预报的精度和预见期更为关注，要有针对性地进行系统设计。

系统任务根据水库任务制定，以防洪为主的水库，系统建设任务为防汛调度服务；兼有灌溉、供水任务的水库，系统建设任务包括输水及分水水量的自动计量，并建设灌区管理系统等。

系统的建设规模包括遥测站和中心站的数量，以及土建工程量、设备软件配置数量。

3.2 合理确定遥测站布置

水库自动测报系统的遥测站一般包括：雨量站、水位站、流量站。应根据系统功能、流域暴雨洪水特性、现有测站分布情况及交通环境条件，进行站网布设。站网布设应遵循以下基本原则：

1）遥测站网应满足洪水预报的要求，并充分考虑工程施工期洪水预报特点和运行期洪水预报调度的要求；

2）水文站均应兼测雨量；

3）雨量站密度可参照 DL34-92《水文站网规划技术导则》[4]的规定，站点要求分布均匀，在集水面积较小，流域降水量分布不均的情况下应加密站点布设；

4）重要河段，应有水文、水位站控制；

5）测站尽可能设在交通、生活便利的地方，便于建设和维护管理。

四川省小井沟水库集水面积587km2，雨量站密度为73km2/站，由于上游没有布置水文站，采用设计暴雨推求设计洪水的方法，因此为满足测报精度需要加密布置雨量站；辽宁省石佛寺水库集水面积164786km2，由于辽宁省境内支流有4座大型水库，部分水库已经建有测报系统，站网布设时考虑水库出库、现状主要水文站和区间雨量监测，安排了28个遥测站，其中非控区间的雨量站密度按300km2/站控制。

3.3 合理确定遥测站设备配置

遥测站雨量、水位、流量监测设备要考虑使用条件，根据可行的测验方式配置相应设备。

雨量站的自记雨量计一般采用翻斗式雨量计，根据当地降雨强度选择分辨力，一般选择 0.5或1.0mm。如小井沟水库考虑防洪兼顾灌溉，雨量计分辨力采用 0.5mm；石佛寺水库是防洪工程，关注大暴雨和特大暴雨，雨量计分辨力采用 1.0mm。

水位观测有浮子式、压力式、非接触超声波或光电方式，与断面形态、水位变化、基础条件、泥沙和河床稳定性相关，北方地区还要考虑结冰影响等因素，具体问题需具体处理。

水库坝上水位站以浮子式方式最为常见，水位井的建设一般需结合大坝主体工程设计和施工。量程为水库死水位至防洪高水位。

明渠流量可采用在线多普勒剖面流速仪自动观测，管道供水采用管道流量计测量。

3.4 比选确定通信方式

水情遥测系统常用的通信方式有超短波，PSTN，GSM（GPRS），卫星通信等，通信方式的比选是十分重要的，要考虑信息的重要性和实效性。防洪的重要信息是上游的洪水流量、特大暴雨的信息，一般发生在恶劣天气，一般的站可采用超短波、GSM（GPRS）等通信方式，特别重要的站考虑卫星通信。

近年来大量的遥测雨量站使用公共移动通信GSM 或 GPRS，在部分省区曾经出现通讯塔断电等造成区片降雨信息无法及时传输的问题；在发生地震、泥石流等灾害时，由于移动通信中断，降水信息无法传送等情况，选择通信方式时应引起重视，必要时应增加备用通道。

例如石佛寺水库枢纽一期工程水情自动测报系统为在恶劣环境条件下能满足通信要求，对信息的时效性要求很高，采用超短波结合卫星通信的方式，保证遥测信息的传输；小井沟水库测报系统库区以防洪保坝为目标，遥测雨量站和水位站信息传输采用卫星通信，灌区的计量时效性和紧迫性不高，水位信息传输采用 GSM 信道传输。

3.5 合理确定遥测站和中心站的用电负荷

遥测站大多采用太阳能浮充电池供电，需要考虑项目区光照和最大连续阴雨天时间。考虑地区差别，不宜套用其他地区的设计结论。如贵州等地连续阴雨天可能持续 20～30d，北方干燥地区则很少有超过10d 的，因此需了解当地的连续阴雨天的长度，考虑用电功耗，合理确定太阳能蓄电池的功率、容量。

系统较大的中心站，如具有测报楼、防汛会商、大屏幕显示、会议设备等，应测算供电负荷要求。

3.6 分析设备配置性价

系统设计时比较突出的问题是只求先进和高档，不计成本，尤其是中心站计算机网络设备、大屏幕、会商设备等。如某水库灌区项目，每个闸门都设计多普勒流量计，中心的显示屏尺寸超过会商室可视区域，这样会造成较大浪费。因此在设计时，要求总体功能和系统的先进性，而不是单件设备的高档。如服务器要根据任务提出功能要求，有一定冗余，显示屏满足基本要求等。

流量、水位等观测设备的选型要进行性价分析，以满足系统功能要求，应考虑当地的气象条件，选择经济实用、安全可靠、便于维护的产品。在多沙河流不能使用声学多普勒剖面流速仪（ADCP），在游荡性河道不宜采用浮子式水位计观测。在实际设计报告中，不考虑使用条件，照搬其他测报系统的情况并不鲜见，为此在相关设计时要尽量避免产生这种情况。

3.7 提出有针对性的洪水预报方案

水库洪水预报成果的质量直接影响水库的安全和调度质量，因此水库入库洪水预报方案的制定是十分重要的。预报方案要考虑水库集水区域的下垫面条件和暴雨特点，考虑上游水利工程的影响，有针对性的开展研究，选择适合本地特点的预报模型。

有些水库虽然提出了预报的基本原则和方法，但没有深入研究预报的控制断面、预见期和精度要求。如小井沟水文自动测报系统，设计报告中预报和调度方案只做了简单描述，对预报方案的制定及软件的功能要求不明确，工程量及费用测算也没有体现。这样的预极方案显然不是很完善，还要进一步深化。

4 结语

水库水文自动测报系统的设计是系统建设的依据，在水库工程的前期工作中需要不断加强。目前，部分设计院的设计人员缺乏水文基础设施的设计经验，对水文测报系统的设计没有深刻认识，这样容易造成设计报告没有针对性，设计深度不能满足相应要求。因此，要求设计人员要了解水库工程的任务和需求，掌握水文遥测和通信技术的发展情况，考虑当地的气象、水文、地理、交通、供电、通信等基础条件，提出针对水库工程特点的设计方案。

[1] 中华人民共和国电力工业部和水利部.DL/T5020-93水利水电工程可行性研究报告编制规程[S].北京：中国水利水电出版社，1993: 6

[2] 中华人民共和国电力工业部和水利部.DL/T5021-93水利水电工程初步设计报告编制规程[S].北京：中国水利水电出版社，1993: 7

[3] 水利部水利水电规划设计总院，中水东北勘测设计研究有限责任公司.水利水电工程水文自动测报系统设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2008: 1-6.

[4] 中华人民共和国水利部.SL34-92水文站网规划技术导则[S].北京：中国水利水电出版社，1992: 10.