长丰县小型水库雨水情防洪自动测报系统建设

徐志宏

安徽省长丰县在册小型水库有194 座，小（1）型水库18 座，小（2）型水库176 座。小型水库是全县防洪工程体系和水利基础设施的重要组成部分，在防洪、蓄水灌溉、城乡供水、生态保护和水产养殖等方面发挥着重要的作用。

为了提高小型水库及下游地区防洪避险的能力，除了采取工程措施以外，必须加大非工程措施的建设力度，积极引进现代化管理装备，运用现代通信和计算机网络等高新技术来促进防汛工作。针对小型水库防汛的迫切需求，结合长丰县水库的现状，建设小型水库雨水情防洪自动测报系统具有非常重要的意义，可以全面提升小型水库防汛预警的快速反应能力，切实加强安全监管能力。

一、总体框架结构

水文建设信息化的主要功能包括：（1）采集数据功能。通过数字摄像测量、遥感、全球定位系统、自动型水文站等有关设施，实时对水文数据进行采集。采集数据应快捷，且数据的采集应拥有现时性与广泛性。（2）传输数据功能。利用通信网络系统等的建立，完成数据快速传输、数据处理与存储功能。利用数据库的建设，来处理存储海量信息，并将地理坐标作为参照系。（3）模拟仿真功能。基于对基本数据的实时采集，通过数学模型与虚拟显示科技等的运用，以对演变流域环境、运行水利工程等进行动态模拟与仿真。（4）具有决策资质的功能。此功能依托于内容较为全面的知识库，以对各种数学模拟方案结果展开优化研究，并从中选取较优方案，进而对水资源利用调度、防洪调度及环境保护等予以决策性支持。

二、技术线路

（一）系统路线

根据安徽省小型水库雨水情自动测报系统技术要求，与省级雨水情测报平台能无缝衔接，方便升级改造，新建水库自动测报站信息系统路线如图1所示。

图1 技术路线总体框架图

1.站址布设、择优方案

应根据现场勘察情况，结合安徽省小型水库雨水情自动测报系统技术要求，水位观测范围应高于0.2m，低于死水位0.5m。布设水库雨情、水位站，根据现场实际情况，按观测、维修方便优先原则首选栈桥式安装方式，施工难度大的水库采用简易岛式安装方式。同时在地形稳定、便于引测和保护、方便检验的地方，埋设水准点，安装人工观测水位设施。

2.设备选型、测报终端

采取雨量、水位合一模式建设自动测报终端，主要由水位传感器、雨量传感器、遥测终端、通信终端、太阳能电池板、充电控制器、蓄电池等组成。

3.信息入库、资源共享

雨水情测报站按安徽省水文局统一编码，采用移动公网、卫星（公网未覆盖区域）数据传输方式。数据存储中心平台实现硬件资源的集中管理，实现对防汛抗旱的资源集中分配，实现实时数据存储与平台资源的统一托管与集中维护，实现资源的合理分配和整合。采取集总接收模式，在信息中心按规定流程入库，同步与市、县互联互通、信息共享。

（二）自动监测站组成

小型水库雨水情自动测报系统以遥测终端机为核心，站点配置水位计、雨量计、通讯设备、供电设备以及防雷接地模块，实现雨水情信息的自动采集和传输。安徽省目前大部分已建雨水情自动监测站点水位计主要采用浮子水位计，雨量计采用的是翻斗雨量计，供电设备主要采用太阳能蓄电池供电方式。

三、数据采集及传输流程

（一）数据采集

遥测站采用自报或自报-确认体制工作模式采集相关数据，遥测站针对每一类传感器设定独立的数据采集和数据通信工作策略。

通常遥测站的数据采集终端处于休眠工作状态，通信模块处于待机状态，每当设定的时间或有触发事件时，遥测站的数据采集终端自动触发为工作模式，采集终端通过指令控制通信模块，发送采集到的数据。完成发送后，遥测站重新返回低功耗值守状态。

遥测站采用自报-确认通信体制。测站发送出数据以后，等待接收方返回确认信息，如果未收到确认信息，测站会自动重发数据，保证数据接收方可靠收到数据。采用自报-确认的机制既能保证了数据发送的及时性，又能保证数据的无错接收，同时测站的耗电会大大降低。

数据采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程图

（二）信息传输流程

测站编码：水雨情自动监测站点建成后，由安徽省水文局以县为单位按照国家水文标准《水情信息编码标准》（SL330-2011）进行站点统一编码。

（三）通信方式

水雨情自动监测站所采集的数据通过无线公网信道直接传输至省级统一接收平台，然后通过互联网将数据共享至其他数据平台。无线公网主要采用GPRS/GSM通信或4G 通信，对于可能有特殊要求的站点可以增加卫星信道作为备用信道。

（四）通信协议

自动监测站点的传感器（水位计、雨量计）与遥测终端机的接口及数据通信协议、自动监测站与省中心平台之间的数据通信协议要严格按照《水文监测数据通信规约》（SL651-2014）执行。

四、关键技术研究与设计

（一）传感器

从稳定性与维护便捷性考虑，遥测站传感器采用浮子式水位计与翻斗式雨量计的自动测报架构，同时为减轻维护工作量，浮子式传感与雨量传感器共用一套RTU 及太阳能供电系统。为便于运行维护管理，传感与信息发送除了水文要素信息外，还需要有电压信息。当基础设施施工条件受限时，为了兼顾浮子式传感的稳定性与监测量程，可以考虑“浮子+”模式，即保证中高水位稳定又实现低水位监测，并在共测量程内实现互相检验。

1.遥测终端

遥测终端是小型水库水雨情数据采集、处理的核心，因此必须能满足《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2015）和《水文监测数据通信规约》（SL651-2014）的有关规定。终端机应具有网络自动校时功能，支持手机短信远程校时，内部时钟运行精度月漂移不超过2min，应能设定频次定时自报、水位超限加报、雨量自动报汛和查询应答兼容的工作体制。遥测终端应可靠、低功耗，并且应能在无人值守的条件下长期工作。

2.供电电源

部分小型水库地处偏远，没有供电局的供电，因此研究设计采用“太阳能+蓄电池直流浮充”供电方式。监测站点供电设计的原则是“连续阴雨天工作时间须不少于30 天”。在日照期间太阳能给蓄电池充电，在夜间或连续阴雨期间使用蓄电池存储的电能。监测站电池容量配置综合考虑各种设备的功耗及其当地气候条件等因素，设计采用20W太阳能板+38AH蓄电池。

（二）防雷与接地

根据监测站周围环境因素、设备对雷电电磁脉冲的抗扰度以及测站设备的重要性，应综合采取外部防雷和内部防雷等措施。

1.外部防雷方案

在遥测站建筑物顶端安装合适的避雷针，可以有效地保护天线、雨量计和太阳能电池板等室外设备。参照相关防雷规范要求，防雷接地电阻应不大于4Ω，避雷针要与设备绝缘。

2.内部防雷方案

所有传输线缆、电子设备均由PVC 绝缘层实现与直击雷防护系统之间的隔离，既可以防护落地雷的电位反击对电子设备的损害，又可以防护直击雷释电不及时造成的感应电压对电子设备的损害。

（三）系统集成方案

水雨情站点统一接入到省级水雨情采集系统，实现水雨情监测数据自动接收。同时将水雨情站点集成接入省级水雨情站点运维平台，可通过平台访问实现站点运行状态数据以及站点参数的远程管理。

1.防汛抗旱数据库集成

实现防汛抗旱数据统一在数据库存储。整合现有防汛抗旱相关数据资源，新建运行管理数据库、平台运行支撑库等。

2.信息数据交换和共享

通过水文数据共享中心发布水文的相关信息，并提供数据下载服务；通过数据服务代理，为业务系统提供数据访问接口和基础服务的调用接口；建设交换共享目录，逐步扩大交换与共享的信息范围和内容；建立数据共享与交换管理机制，规范共享与交换流程，保证共享与交换数据质量，对交换共享进行实时监控，提高共享与交换服务效率和管理水平。

3.小型水库信息集成

小型水库遥测站采用自报式、查询—应答式兼容的混合式工作体制。

自报式：根据量级和需求由中心设定自报时间，在报汛站设备控制下采用增量自报、定时自报及限时自报三种方式。

查询/应答式：由中心设定自动定时巡测或随机召测，报汛站自动响应，当报汛站接受中心的查询（召测），能实时采集水文数据并发送给中心。

五、主要应用

（一）水库自动测报系统

小型水库自动测报系统包括雨量、水位、通信等设施。全县有194 座小型水库实现了雨水情自动测报的全面覆盖。

（二）预报预警

开发洪水预报模型和参数校正模型，依据水雨情信息、气象信息，快速预报入库信息和水库水位信息。在GIS 界面上，可视化显示模型计算的预报结果和实时雨水情，以便对站点与设定的预警值进行比对，从而获得预警信息，确定预警等级；相关工作人员则根据预警信息和等级来确定是否启动防洪预警。

各水库实时雨水情数值超过设定阈值时将会自动报警。报警分为4 个级别，以不同的颜色显示和闪烁提醒；按级别由高到低依次列表显示水库名称和超限值，点击后定位到GIS 地图上并显示出来。

（三）移动应用

通过智能移动终端可以开展小型水库移动信息的采集、信息上报、远程会商等巡查工作。同时，该终端还具有查询雨水情、工情、预警信息、视频图像、气象预报、卫星云图以及台风路径等功能。

六、结语

通过开展长丰县小型水库雨水情自动测报系统技术的研究，解决了遥测站设施安装、设备安全防护、数据拥堵、资源共享、防洪预警发布以及信息安全等技术方面的难题，为系统设计、项目实施奠定了技术基础，使得项目建设进展顺利，缩短了项目建设工期。该系统集信息自动采集、数据管理、业务展示、预报预警、分析决策和移动应用为一体。自2020年建成以来，系统历经了汛期的应用，为全省小型水库在防汛调度、安全运行、水资源管理等方面发挥了重要的作用，取得了良好的社会效益和经济效益■