华小军
（中国三峡总公司 金沙江开发有限责任公司筹建处，四川 成都 610042）
摘要：本文从金沙江下游4个梯级水电站至下而上相互衔接、分期开发、下游枢纽工程的运行期和上游枢纽工程的施工期相互联系的特点考虑，根据金沙江流域水文气象、地形地理条件、通信条件以及现有水情测报条件，研究了金沙江水情自动测报系统规模、信息采集方式、数据传输组网方式、系统结构、工作体制、可靠性措施、运行管理模式，实现整个系统统一规划、统筹考虑、共建共管、资源共享；通过总结系统建成后的运行情况以及横江2007年的大洪水、新市镇暴雨后的岩崩等实例，分析了系统效益，包括经济实用、便于协调管理、满足各水电站枢纽工程施工期水情预报及工程施工安全度汛需要并兼顾运行期要求，有效地减少了洪水和山洪灾害对工程施工造成的破坏和损失，大幅提高了地方水文部门的水情测报自动化水平，很好地履行了一个企业的社会责任，有利于社会和谐发展。
关键词：水情自动测报系统 信息采集 数据传输通信 洪水和山洪灾害 自动化水平
为开发利用金沙江丰富的水能资源，实现我国西电东送的战略目标，在金沙江下游将规划建设乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4级以发电为主、兼顾防洪和灌溉的大型梯级水电站。为了实时收集水雨情信息，及时地提供可靠的水文情报预报，为施工期工程安全度汛、施工调度提供科学依据，减少洪水和山洪灾害对工程施工造成的破坏和损失，建设金沙江下游梯级水电站水情自动测报系统（以下简称系统）是十分必要的。系统的建设可大幅提高地方水文部门的水情测报自动化水平，很好地履行一个企业的社会责任，有利于社会和谐发展。
1 站网布设及系统规模
1.1站网布设
系统的建设范围为金沙江石鼓、小得石～宜宾区间。系统遥测站网布设原则为：统筹考虑金沙江下游梯级水电站建设对水情预报的长远要求，重点满足溪洛渡、向家坝工程施工期24～48h预见期水情预报的需求；满足控制暴雨洪水及水情预报方案编制需要；尽量利用国家和地方现有的水文基本站网；节省投资、便于管理。因而在确定系统站网时应考虑如下方面：
（1）各水电站控制河段应布设若干水文站，掌握干支流的水情变化过程。为满足4个梯级水电站48h预见期水情预报的总体要求，在金沙江干流石鼓以下河段和雅砻江、安宁河、龙川江、普渡河、牛栏江、黑水河、美姑河、他留河、桑园河、鱼泡江、西溪河、蜻蛉河、大汶溪、横江等重要支流上布设水文（水位）控制站，掌握干支流的水情变化过程。
为水电站施工期水文预报服务、枢纽运行积累资料，为复核工程的相关设计成果提供基础资料，建设乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝等4个水电站专用水文站，观测项目包括水位、流量、雨量、水温、蒸发、泥沙。
溪洛渡～向家坝区间河道落差大，泥沙含量高，局地暴雨造成洪水峰高量大，突发性强，目前两坝间基本无水文资料，对相关项目原设计洪水标准进行复核存在难度。应考虑在该区间的主要支流增设水文测站。
（2）在近坝区布设较密雨量站网以增长预报预见期和保证预报精度。在金沙江石鼓～宜宾区间干支流，对于站网密度大的经济较发达地区和河谷地区，由于其区域面积不大，产流量相对有限，对干流洪水预报影响不大，只需控制适度的站网密度；对于支流上游水库流域，由于受水库蓄泄影响，流域产汇流规律已早破坏，可重点掌握水库蓄泄调度情况，库区降雨情况仅需作一般性了解；对于干流区间、支流中下游，按照均匀分布原则，现有条件较好的“面雨量站”均纳入本系统；对站点过稀区域或局部空白区新增部分雨量站点。在近坝区应布设较密雨量站网，以增长预报预见期和保证预报精度。
（3）坝区布设临时水位站，为防汛抢险提供依据。在各枢纽工程坝区20km范围内布设若干水位站，以控制施工区水面线和横比降；在各工程主要部位，如围堰上、围堰下，导流洞进、出口，坝上、坝下布设专用水位站，实时掌握水位变化情况。
1.2工程规模
经过分析论证，系统遥测站网由32个水文站、3个水位站、123个雨量站、专用水位站12个组成。由于金沙江流域部分区域具有明显的“立体气候”特征，降雨分布受地形的影响较大，空间分布不均匀，雨量站网偏稀。今后可根据不断积累的资料和作业预报的检验情况，从满足工程施工期水情预报需求出发对遥测站网逐步予以补充和完善。
系统中心站设在溪洛渡水电站，分中心站分别设在乌东德、白鹤滩、向家坝水电站。考虑到本系统建设范围广、站点多，且遥测站点的建设是在水文部门现有水文站点的基础上完成，根据站点的分布情况，按测站的隶属关系，在系统建设范围内设9个遥测站运行维护分中心和1个运行维护协调中心。综上所述，系统建设规模为1个中心站、3个分中心站、9个遥测站运行维护分中心、1个运行维护协调中心、170个遥测站。
2 通信组网方案
系统位于青藏高原、云贵高原和四川盆地西部边缘，属高原地貌区。遥测站主要分布于云南、四川两省，雨量遥测站大多处于偏远地区，经济发展不平衡，因此，系统组网通信方式应从系统水情信息传输需求的实际出发，结合流域内自然条件、现有通信资源、供电条件等具体情况，综合考虑各种通信信道的可靠性、传输质量、系统投资、运行和管理等方面因素，予以确定。
2.1通信方式分析比较
为了解系统所在区域可利用通信资源情况，掌握各测站可用信道的通信质量，对系统拟建遥测站进行站点查勘和信道测试。经现场测试，海事卫星C、北斗卫星、GSM、GPRS、程控电话（PSTN）等信道的通信成功率分别为：海事卫星99.4%、北斗卫星100%、GSM短信81.6%、GPRS通信40.5%、PSTN通信79.7%。
综合分析各种信道的特点，并考虑现场测试情况，本系统通信方式确定如下：
（1）卫星通信具有传输质量好，传输距离不受限制，覆盖面积大，受地形、气候的影响小，组网灵活等优点。尽管卫星终端设备成本和系统运行费用相对其它通信方式而言较高，但从长江上游其它流域已建的水情自动测报系统的运行，其可靠性和实时性远高于其它信道。目前常用的有海事卫星C和北斗卫星，而北斗卫星通信以其容量大、传输速度快、通信费用相对其它卫星较低廉等特点在大规模水情自动测报系统应用更具有明显的优势。另从信道测试结果可以看出，本系统所有站点的北斗卫星信道的通信质量均满足要求。因此，在本系统中北斗卫星通信方式为数据传输的首选通信信道。
（2）PSTN通信具有传输速率快、传输容量大等优点。对已经安装程控电话的水文、水位站，并经测试PSTN通信质量满足要求，则采用PSTN作为备用信道。
（3）采用GSM短消息传输水情数据，通信信道的信噪比、误码率等通信的性能指标由GSM网络的性能指标和通信协议得到保证，可以免去很多数据传输过程中的数据校验、检错、纠错工作，数据通信的可靠性得到提高。因此，对于PSTN信道不满足通信要求的水文、水位站以及重要雨量站，则采用GSM短消息通信作为备用通信信道。
2.2系统组网方式的确定
根据站点信道测试结果，综合考虑测站可利用信道的实际情况，及水文、水位站的水情信息在水文预报中的重要性，本系统遥测站至中心站的通信信道配置原则为：水文、水位站及华弹以下流域的雨量站配置主备双信道，且具有自动切换的功能；华弹以上流域的雨量站配置单信道。
系统通信的组网方案为：水文、水位站采用北斗卫星/PSTN或北斗卫星/GSM双信道通信方式，互为备份，自动切换；华弹以下流域的雨量站采用北斗卫星/GSM双信道通信方式，互为备份，自动切换；华弹以上流域的雨量站采用北斗卫星通信方式。
3 工作体制
水情自动测报系统常用的工作体制有自报式、应答式和混合式。根据系统需求，本系统采用具有现地和远地编程功能的定时自报、事件自报、查询应答相结合的工作体制。
4 系统结构及流程
考虑系统建设运行维护经济合理，对系统的组成结构和信息流程进行了分析论证，确定系统总体结构如图1所示，信息流程如图2所示。卫星通信系统具有一发多收的功能，实现遥测站发送数据，中心站、分中心站及运行维护分中心都能同时接收的总体要求。即系统中心站、分中心站能实时接收所有遥测站的水雨情信息，设在地方水文部门的运行维护分中心也能实时接收所辖测站的水雨情数据。
系统的信息主要包括雨量、水位、流量（人工置数）。当水雨情发生变化或定时时间到时，各水情遥测站自动采集水情信息，通过卫星通信、程控电话（PSTN）或GSM短信通信组成数据传输网自动发送。中心站和分中心站可实时接收全系统的信息，经处理后存入实时数据库，供预报服务子系统和其它信息服务系统调用，中心站可对测站进行监控。分中心站和中心站通过网络实现信息交换和资源共享，当中心站出故障时，分中心站能接收所辖遥测站的信息，分中心站可作为中心站的异地数据备份中心。遥测站运行维护分中心接收所辖测站的信息，经处理后存入实时数据库，据此可监视分析遥测站的运行状态。
5 信息采集技术
（1）雨量观测。雨量观测实现自动采集、现场存储、有线近距离传输。雨量遥测站按有人看管、无人值守的模式运行。根据本系统流域内的年平均降雨量和雨强变化特性，雨量传感器均采用分辨力为0.5mm翻斗式雨量计。
（2）水位观测。水位观测应实现自动采集，固态存贮、近距离传输等功能。根据现场查勘和分析论证，凡能建水位测井或已有水位测井且能利用的水文、水位站，水位采集的方法均采用浮子式水位计，其余测站则采用气泡压力式水位计。根据气源供应的条件，选用外接气源气泡压力式水位计，或气泵气泡压力式水位计。
（3）流量测验。系统中水文站的流量测验仍采用测站现有的测验设施及方法按测站水情特性进行施测，通过人工置数设备，将实测流量置入测站遥测终端存贮并传输至遥测站运行维护分中心、分中心站和中心站。
6 遥测站测报控一体化技术
为保证系统可靠、有效地运行，遥测站的建设必须应用最新的自动测报技术、现代通信技术和远地编程控制技术，采用测、报、控一体化的结构设计。以遥测数据终端（SCADA或RTU）为核心，实现信息的采集、预处理、存储、传输及控制指令接收和发送等测控功能。测报控一体化遥测站主要由传感器、遥测终端、通信设备、人工置数器和供电电源等部分组成，其结构如图3所示，具有水位雨量自动采集、定时自报、自动加报、应答查询、现场固态存储、人工置数、现场显示、现场或远地编程等功能，能在恶劣条件下正常工作。
7 可靠性措施
衡量水情自动测报系统可靠性的主要指标为：系统设备的平均无故障工作时间（MTBF）和系统畅通率。影响系统可靠性的主要因素为接地、防雷、电源、通信信道可靠性。
7.1避雷接地
由于直接雷击的能量巨大，对设备造成的危害大，测站采用避雷针和避雷地网分流（泄流）技术，将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
各站点均建设接地地网和安装避雷针，使仪器箱、天线、太阳能电池板在避雷保护范围内。遥测站的接地电阻应小于10Ω，中心站、分中心站、运行维护分中心的接地电阻应小于5Ω。
7.2防雷
测站设备常遭受感应雷而损坏。一般情况下，感应雷没有直击雷那么猛烈，但它的发生的机率比直击雷大得多。一次雷击可以在比较大的范围同时发生过电压现象。感应高电压通常通过电力线、电话线等金属导线传输很远，使雷害面积扩大。本系统在测站设备防感应雷方面采取的具体措施如下：
（1）水位、雨量信号线采用镀锌钢管护套后埋入地下敷设，避免高空悬挂。信号线的屏蔽层与遥测终端的接地线相连接。
（2）在遥测终端的水位、雨量信号输入口安装信号避雷器。
（3）采用PSTN信道进行数据传输时，安装电话信号避雷器并保证避雷器良好接地，保障信道畅通与设备的安全。对多雷区的遥测站需安装多级电话信号避雷器。
（4）采用超短波（VHF）通信信道传输数据时，安装同轴避雷器，防止通过天馈线引入的雷击。
（5）太阳能充电线与充电控制器间安装直流电源避雷器。
（6）交流供电线应安装泄放电流大、响应速度快的避雷器，避雷器的泄流能力不小于10KA。
7.3供电
（1）遥测站供电。为保证在“有人看管、无人值守”的运行模式下遥测站设备能在雷电、暴雨、停电的恶劣条件下可靠、正常地工作，遥测站采用太阳能浮充蓄电池直流供电。蓄电池容量要保证在45d连续阴雨天的情况下能维持设备正常供电，太阳能板功率要保证在连续45d阴雨天后能在10～20d内将电池充足。遥测站所需的电池容量和太阳能板功率根据设备用电情况及当地年日照时数综合确定。
（2）中心站、分中心站及遥测站运行维护分中心供电。中心站、分中心站及遥测站运行维护分中心的数据接收通信设备均采用交流电浮充蓄电池供电方式，计算机网络设备采用UPS不间断电源交流供电方式，以保证停电时能接收数据。其它设备采用交流电供电，应具有瞬态电压抑制措施。
7.4信道可靠性
已建系统实践证明，通信信道采用双信道互为备份并实现自动切换是保证系统信息传输畅通率的根本措施，所以本系统通信信道采用双信道互为备份并实现自动切换的设计方案。
8 初期运行效益
金沙江下游梯级水电站水情自动测报系统建成后，其运行管理采用遥测站点运行维护按隶属关系分区委托地方水文部门、中心站和分中心站委托有资质的单位运行、建设单位统一协调管理的模式。自系统投入运行以来，根据收集到的资料统计，系统的畅通率≥95％，实现遥测站的水雨情信息10分钟内传送到中心站、分中心站及运行维护分中心，能及时了解掌握流域内各测站的水雨情变化情况，了解暴雨中心位置和降雨强度的变化，为各水电站枢纽工程施工安全度汛和地方防汛提供了及时的水雨情信息，取得了较好的防洪效益和经济效益。
8.1为工程施工调度提供科学的决策依据
金沙江下游梯级水电站水情自动测报系统建成后，能实时准确地收集坝址以上24h汇流时间所有测站和48h汇流时间重要测站的水雨情信息，为工程施工期洪水预报提供实时数据保障，增长了洪水预报预见期，在围堰施工、导流洞施工、工程截流、大坝浇筑等重要阶段的施工防汛中发挥作用，为施工调度提供科学的决策依据，减少洪水和山洪灾害对工程施工造成的破坏和损失，确保工程施工进度，并根据工程坝址实时监测资料对工程设计的水文条件进行复核，为电站建成后的运行管理积累资料。
8.2在山洪灾害防御中发挥了重要作用
2007年8月横江发生近20年一遇的大洪水，金沙江下游梯级水电站水情自动测报系统在抗洪抢险及山洪灾害防御中发挥了积极的作用。系统收集到的雨情信息显示，2007年8月16日，木杆雨量站2:00-8:00六小时降雨量达163.0mm，而附近除豆沙关水文站日降雨量超过20.0mm外，其余站点均未降雨或降雨量小于10.0mm。某地方水文部门根据系统收集的雨情信息分析得出，此雨情属典型的单点暴雨，立刻组织技术力量编写了水情快报，将此重要雨情信息上报地方政府和云南省防办，云南省防办当即判断该地区可能发生泥石流，及时启动当地的防灾避灾预案，并布置抢险救灾工作，有效地减少了人民生命及财产损失。
8.3为防汛工作提供了信息保障
金沙江下游梯级水电站水情自动测报系统提高了地方水文部门在金沙江流域的水雨情监测的自动化水平，为地方防汛部门在金沙江流域防汛抗灾中提供了信息保障。2007年7月24日～25日，溪洛渡～向家坝区间普降大暴雨，溪洛渡水电站辅助道路工程新市镇隧道处发生山体边坡岩崩事故。系统收集到的雨情信息显示，新市镇附近欧家村站和龙山村站24日8:00～25日8:00降雨量达119.6mm和136.0mm，其中龙山村站25日0:00～1:00小时降雨量达28.6mm，达到暴雨标准。水文部门将此信息及时传送到地方政府，地方政府得知信息后迅速组织居民疏散，从而避免了人员伤亡。
