河流流域水库自动化管理论文

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奎屯河流域源于天山支脉依连哈比尔尕山，流域面积为1945km2，属高山融雪和降水补给类型的干旱区内陆河流。气候干燥属于典型的大陆性气候，年均气温6.9℃，年降水量110~200毫米，年蒸发量1500~2000毫米，夏季极端最高气温达43.1℃。其特点是河流水量随气温的高低而涨落，冬季水小，夏季水大，其中6、7、8月占45%，多年平均来水量为11.61亿m3。奎屯水库位于天山北麓、准噶尔盆地缘，古尔班通古特沙漠西面、是奎屯河上的一座拦河水库，l954年建成，设计库容3500万m3，1984年进行加固扩建，库容增至5000万m3，设计水位3l6.90米，均质土坝，坝顶高程319.00米，最大坝高9.8米、坝顶宽度4米、坝长11.6公里，奎屯水库有东、西两座泄水闸，东闸尺寸2.9×2.9米、闸底高程311.11米、最大泄水流量：25m3／s，西闸尺寸2.5×2.5米。闸底高程308.35米、最大泄水流量：26m3／s均为平板钢闸门。奎屯流域水库除了以灌溉为主，还兼有重要的防洪任务的调节水库。因此，及时掌握奎屯河流域水库水位、库容、闸位及引水渠、溢水渠水位、流量、闸位等信息是非常重要的。

为满足水库防洪调度的需要，提高运行管理水平和经济效益，建成了水情自动化测报系统及洪水预报调度系统。系统采用了超短波传输数据等一系列成熟的高科技技术，提高了奎屯水库水文信息采集、传输、处理和调度决策的准确性和时效性[1]，确保灌区工程安全运行和汛期防洪。

1系统设计原则

奎屯水库水情自动测报系统的设计原则如下[2]：

（1）、系统稳定性、可靠性较高，采用较成熟的产品、精度高，性能稳定，系统结构的开放性数据库的兼容性，应用软件的可移植性，具有强大的决策功能。

（2）、实用性强，能及时的让水管机构掌握水库的水位、库容及进库、泄出流量的实时数据。以便于水管机构对玛纳斯河水资源的合理利用，提供可靠的信息，同时还可以进行历史数据的查询，及通过历史曲线的观察，更快地掌握玛纳斯河的规律性。

（3）、实时性与兼容性，实时反映各水库及渠道的水位及闸位的高度；测报系统在不改变水库原有的操作的情况下，系统一旦出现故障，水库按原操作运行，便于管理及维护。

（4）、多样性，系统可实现多种功能，在完成整个实时测报外，还具有参数存储、越限报警、即时打印、报表打印、故障打印等其他科室功能。

（5）、扩展性，预留数据接口，便于奎屯河自动化管理发展的需要，且维修方便，易操作等原则。

2水情自动测报系统组成

新疆建设兵团农七师奎屯河流域奎屯水库水情自动测报及防洪调度系统以农七师水利局为防洪调度中心，奎屯河流域水利二处布设分中心，建有将军庙、新龙口、西泄水闸及车奎调节渠等9个遥测监控站。中心站包括中心监控工作站、SQLSERVER数据库以及建立在以太网基础上MIS系统。水情自动测报系统的所有遥测数据由遥感设备及前置机实时收集后，前置机软件对数据进行解码、纠错、合理性检测，以开放式数据库的形式存储，供查询、统计、显示和打印，最终通过共享方式提供给后台主机进行洪水预报和调度决策。系统组成框图及遥测站布置图如图1、图2所示。

奎屯水库分中心

图2奎屯水库遥测站布置图

Fig.2Planofthetelemeteringstationsdisposal

3系统工作原理及功能

3.1系统工作原理

水位传感器和闸位传感器采集到数据并上传到RTU(RemoteTelemetryUnit)，RTU经过汇总和逻辑处理后，采用水利部规定频点的无线超短波传输方式或通过有线MODEM将数据上传，超短波数字传输电台可以在不加中继的情况下通信。中心监控站读取实时数据并进行实时监控，将实时数据写入SQLSERVER水文数据库，用户管理信息系统（MIS）基于以太网可浏览及修改数据库中的各种数据。

3．2遥测站功能

遥测站由遥测终端机、电源（太阳能系统、蓄电池和直流稳压电源）组成。主要用于水库的水文数据采集、存储和传输控制，与无线电台、微波系统或有线信道连接完成对水位、雨量和其它水文数据的传输。主要技术指标为：水位测量范围：0-10m；水位测量精度：小于5mm；水位变率范围：0-40厘米/分钟；连续不间断工作时间（MTBF）大于100000小时。适应的环境条件：温度范围（-22℃~55℃）；相对湿度：98%；电源：交流电压（380V/50Hz,220V/50Hz）,直流电压（10V~14V）。基本功能如下所述：

（1）设置功能。包括站号、测站类型、自动和增量定点报数间隔、增量随机自报报值、时钟和传输数据方式设置。

（2）数据采集和存储功能。采集各现场设备的水文数据，采用5位LED数码显示及自适应采集水位（当水位在所设定的范围内无变化时，按设定的时间间隔发送数据，当水位变化超过设定的变幅时，则实时发送数据）。

（3）具有信道侦听，遇忙禁发，减少阻塞及电源切换和充电控制等功能[3]。

3.3中心站功能

中心站是全系统的信息收集和调度中心，遥测站采集到水文数据并经长距离传送后在此进行处理、存储，并做出洪水预报和洪水调度方案。中心站由数据采集处理机（前置机）、洪水预报主机（后台机）、无线调制调解器、打印机、交流稳压器及不间断电源（UPS）等主要硬件设备构成。

中心站前置机主要功能有：

（1）系统初始化：对新建系统的站号、站名、测站属性、水位计类型、水位基值、水位上限、水位下限及终端机等参数进行初始化设定。

（2）通信状态显示：监视与遥测站的通信状况，显示原始信息及处理后的有关水文数据，动态报警显示和查看报警。

（3）实时数据显示：接收到各遥测站的实时数据后，前置机进行正误性判别，消去误码．实时测报和存储各个遥测站点的水位、流量和库容等水情信息并以表格的形式显示出来；流域图则显示出流域及各测站的动态水情，包括该站的时段降雨总量、平均雨量、最大雨量等参数。

（4）数据查询：可按单站、多站、查询起止时间、不同时段来查询上述记录及历史曲线及历史数据查询。

（5）系统管理：由时间设置、测站参数设置、系统参数设置等几个子模块构成，其特点是可远程修改各测站相关参数，完成中心站对遥测站的实时管理。

（6）打印输出：可按时间和测站号(或测站名)的组合打印输出附设、水位、通信记录数据等报表。

（7）窗口管理：可同时运行多个窗口，并进行水平平铺、垂直平铺。

（8）电子地图方式显示流域灌区全貌和实时数据。

（9）从监控中心工作站自动读取水位、闸位、库容、流量数据，并根据用户设定从数据库中读取某时间段内的水位、库容、闸位、流量数据生成各种日报表、月报表、年报表。

（10）设置所有用户访问数据库的权限。

（11）支持访问水库调度运行计划及调度方案，支持访问闸门量水、断面量水水位流量关系表及方程。

中心站后台主机的主要功能有：

后台主机与前置机可以通过局域网互联，共享数据，实现奎屯河水库群的洪水预报和调度功能。局域网采用10兆比特以太网络，C/S（客户/服务器）工作方式，最大可带16台计算机，覆盖玛管处决策机构及职能科室。

后台主机主要由预报、调度和检索3部分组成。

预报部分采用自适应修正系统模型和日水量平衡的概念性模型，在系统控制下完成奎屯水库入库洪水的预报。为增强预报的交互性，系统提供了大小洪水预报方案的选择、误差系列校正法和基流设定等交互功能。

调度部分的功能是：

（1）洪水预报过程会商调整；

（2）实时洪水调度演算；

（3）按水位控制和调度原则进行调洪演算，给出相应调度方案。

奎屯水库是重要的防洪水库，其调度是分级的，水库水位或入库洪水超过某种限制时，调度权归上级防汛指挥部门。指令调度模型只考虑泄洪设备的泄洪能力约束，通过调洪演算给出相应调度方案。

为使预报作业人员对流域的降雨水情有一个总体的把握，系统为用户提供了等雨量线图、水位和入库流量过程线、水量自动计量，以及基于有关数据库表格的检索和一系列报表生成、打印功能。

4数据库设计[4]4.1数据库功能

数据库主要功能为存储水情信息数据、水库工况及相关的水利技术文档，实现数据的查询、检索和索引等功能。数据库是系统所有应用软件的核心模块，支持客户机/服务器（Client/Server）结构，支持并行处理技术及面向目标的综合信息查询，且安全可靠，稳定性高。

4.2数据库内容

奎屯水库水情自动化测报系统数据库内容主要有：

（1）站点数据水情管理信息系统中的最为重要的数据，用于各应用系统中，包括各个站点的信息数据、工程资料、引水渠和泄水渠或溢洪道的基本数据（设计尺寸、高程、流量等）。

（2）文本数据包括各类技术资料、水情自动测报系统有关的规定、政策法规文件、收发文件、各类档案和技术标准等。

（3）监测数据遥测站点的日常水情监测资料，如水位、流量、累计流量等。

5系统技术特点

奎屯水情自动测报系统功能较完善，由于使用的仪器和软件均为成熟的品牌，系统可靠性良好、工作稳定；主要特点简述如下：中心站采用工控机，24小时不间断实时监测；数据传输通过智能可编程控制器RTU，对数据进行逻辑处理后，利用超短波数传电台通信；传感器精度较高，压力传感器精度可达到1厘米；实时监控，SQLSERVER数据库的数据操作及历史数据查询；方便的防洪会商及水库调度运行决策；基于以太网的C/S服务；方便的报表生成和打印功能；系统的扩展性非常好。

6系统的运行情况和效益分析

6.1系统的运行情况

奎屯河水库群水情自动测报系统已经运行两年。根据水文自动测报系统规范的要求，在实际需要设定的时段内，9个遥测站向中心站发送水文数据，以中心站收到的正确数据来计算，系统畅通率为96．4％，运行状况良好。

6．2效益分析

建设水情自动化测报系统不仅为安全度汛和优化调度提供可靠的保障，还具有较好的经济效益和社会效益。如经济上可以节约管理经费，降低管理人员的劳动强度[5]。系统投入运行后，管理人员由原来1人管1闸变为1人管多闸，不再需要上闸启闭闸门和跑上跑下看水位、记录数据、计算流量，且数据的精度和准确性较人工记录完整可靠。同时，系统的运行有利于加强用水管理，提高水库的管理水平，实现水情信息的无纸办公、闸门自动化等，在兵团及自治区范围内起到示范性作用。

7结语

综上所述，在奎屯河流域水库建立自动化测报系统，具有以下优点：

（1）系统的应用，规范了水利管理工作，使各种水管资料从原始数据录入到最终形成档案资料，对水库、渠系、工程资料查询实现了自动化，工作效率和质量大大提高减少了调水损失，争取了调度时间，降低水库的防洪风险度。

（2）减轻了工人的劳动强度，运行测报系统后，原本由各基层分别上报的实时数据，集中到了监测系统中心控制室和各领导部门的计算机的屏幕上，增强了实时性，使操作人员和领导干部随时了解水库水文的实时数据。

（3）数据的可靠性和实时性大大增强了，并方便管理，测报系统对水库进行全方位的监控，实时数据每两分钟上传一次，使领导机构能快捷地了解水库的实时信息，对水资源的合理利用和分配提供可靠的依据；

（4）维护方便，根据数据的显示情况便可判断出故障的原因，便于检修人员掌握准确情况，缩短了检修时间；

（5）杜绝了人情水、关系水等人为因素造成的水资源的浪费和流失。

（6）奎屯河流域水情自动测报系统的建立为水库的安全度汛和优化调度提供了可靠的保障，提高了水库的防洪效益和经济效益。同时，也为兵团、自治区推广建立水情自动测报系统探索了一条新的途径，积累了一些成功的经验。

参考文献

[1]郭生练编.水库调度综合自动化系统[M].武汉水利水电大学出版社.1999.17-19

[2]孙增义，吴跃.水情自动测报技术基础及应用[M].北京：中国水利水电出版社，1999

[3]舒大兴，钱钢.YDZ-YL300型智能兼容水情遥测终端设备的研制[J].水利水电技术，2001，32（7）

[4]何新林等.新疆玛管处夹河子水库洪水调度系统报告之一[M].新疆石河子.2001

[5]刘桂宏，孙健.灌区灌溉管理监控自动化系统的开发和应用[J].灌溉排水.2001.3.65-68