小清河雨水情自动测报系统技术设计及应用

　　 小清河是山东省唯一一条穿越省会城市的大型河道，担负着承泄济南市区洪水的艰巨任务，具有灌溉、行洪、排涝、航运、供水、养殖等功能。小清河流域面积10336km²，全长237km。支流众多，一级支流46条。多年平均降水量619.7mm。

　　小清河流域经济发展迅速，人口密集，是山东省重要的粮棉油基地及工业基地，整个流域内产生较大强度的降雨频率较高，防汛抗洪任务很重。但目前流域内干流上只有5处常设水文站，河道干流上的6座节制闸仅有2座设有简单的雨水情遥测设备，流域内158座水库中也只有8座有雨水情测报系统。现有的水情信息采集、传输网络及调度系统水平低、手段落后、设施差，不适应防汛抗洪的需要。

　　山东省小清河雨水情自动测报系统设计正是基于山东省防汛指挥系统方案，在省防办及各市防指已建设的防洪调度自动化系统的基础上，结合小清河流域防洪调度需求确定的。遥测系统内的雨水情遥测站将收集的雨水情数据报各市小清河管理处与中继站，各市小清河管理处及时汇总、处理，同时各中继站及时将数据处理后报山东省小清河管理局。省局进行资料汇总、处理后，再与省防办联网，统一进行小清河洪水预报及防洪调度。

　　一、小清河流域雨水情自动测报系统概况

　　小清河雨水情自动测报系统总体规划为1个中心站、5个分中心站、114个遥测站及若干个中继站，具有雨水情信息采集、防汛数据处理及调度决策自动化等三部分功能。根据分期实施的原则，第一期建设任务主要完成小清河干流雨水情自动测报系统1个中心站(山东省小清河管理局)，5个分中心站（济南、滨州、淄博、东营、潍坊小清河管理处）、21个遥测站的组网设计、设备采购和系统安装调试。

　　小清河雨水情自动测报系统第一期工程建成后实现以下目标：

　　（1）建成由1个中心站、5个分中心站、1个中继站和21个遥测站组成的水位、闸位、雨量数据自动采集、传输处理、（存）人（数据）库和数据检索系统。系统将实现流域内实时雨水情信息3分钟内到达中心站、各分中心站的目标。中心站、分中心站数据经处理、入库后，可根据需要通过计算机局域网或广域网进行数据互传，满足系统内各用户信息共享的需求。

　　（2）建成重要站具备有线、无线通信信道相互备份的自动测报系统，实现无线信道路由的自动选择。

　　（3）预留系统扩展接口，系统功能设置和设备配置按照全系统114个遥测站容量设计。

　　二、系统设计方案

　　1．系统通信组网设计

　　根据柴庄一金家堰、博兴一东营、博兴一王道闸、博兴一寿光、王道闸一寿光、王道闸一东营等通信信道的测试结果，确定金家堰中继站与金家堰闸位水位雨量站合并兼作中继站，刁镇作为中继站，王道闸遥测站和博兴分中心兼作为中继站，柴庄、水牛韩闸遥测站兼作为备用中继站。根据电测结果及Motorola技术特点，山东省小清河雨水情自动测报系统应用Motorola技术组网示意见图1。

图1 山东省小清河雨水情自动测报系统组网图

　　2．系统工作体制

　　（1）遥测站一般采用自报式，即以报汛站主动随机（或定时）方式同时向中心站、分中心站发送信息的工作体制。

　　（2）重要遥测站具备查询应答功能，即由中心站主动定时（或随机）呼叫报汛站，报汛站响应中心站查询，实时将数据发送给中心站。

　　（3）6个重要遥测站（金牛闸、柴庄闸、水牛韩闸、金家堰闸、金家桥闸、王道闸）具有自报式和查询应答式两种工作方式。

　　3．数据共享

　　中心站及分中心站按照《国家防汛指挥系统设计大纲》要求建立标准雨水情数据库。除了通过超短波通信网将各分中心要求的数据传送到各有关分中心和省中心站并写人数据库外，各分中心和省中心相互之间还可以通过计算机广域网方便快捷地进行数据的近/远程查询、相互传输，实现各地数据库出错之后的修复，实现数据资源共享，以充分发挥系统的防汛效益。

　　4．系统功能

　　山东省小清河雨水情自动测报系统采用查询应答和自报兼容方式工作。以自报式为主，查询应答式为辅。通常情况下，遥测站主动向中心、分中心发送上次成功发送之后采集的所有闸位、水位、雨量、电源电压数据，6个重要遥测站能响应中心站召测发送数据。

　　（1）中心、分中心站功能
　　在整个系统的中心、分中心站安设FIU设备，这是Motorola技术的主要设备，FIU中开辟数据缓存区，利用512KRAM存储原始数据。FIU负责接收各测站传送的数据和下发中心站命令，FIU与计算机之间通过RS-232C连接。中心、分中心交流电源输入端设计了两级电源避雷器、交流净化稳压电源等抗雷电和抗干扰设备。

　　为方便进行数据共享，应建立各分中心站雨水情数据库，以利于通过计算机局域网或计算机广域网方便快捷地进行数据的近远程查询、传输，实现各地数据库出错之后的修复、数据资源共享，以充分发挥系统的防汛效益。数据库表结构参照国家防汛指挥系统建设领导小组制定的NFCS-DSS-10《实时水雨情表结构》。

　　（2）上位机监控软件基本功能
　　中心站能定时或随时手动召测6个重要遥测站信息。召测时间间隔在上位机设置，间隔为0.5、1、2、4、6、8、12、24小时任选。每日8时必须有一次召测，定时召测功能在该系统中可以不使用。随时接收本区遥测站的水情数据。全区时钟同步，修改站点数量及测站有关特征参数。把遥测信息形成原始数据文件存储，报文分解、检错、分类处理、加水位基值、雨量乘0.5以及向本地装载数据库（或数据文件）。根据数据接收情况判断各站运行状态，显示各测点工作状态。

　　（3）中继站功能
　　以通信网络方式转发中心站召测命令和有关遥测站数据。每日必须采集报告4次（8、14、20、2时）本站电池电压。配置交流充电控制器浮充200AH/12V蓄电池。在交流充电器前端接人电源避雷器、隔离变压器。

　　（4）遥测站功能
　　① 浮子水位雨量站基本功能要求
　　通过传感器和RTU，自动采集雨量及水位；当水位在规定时间间隔（6分钟）内产生变量或雨量变化0.5mm时，RTU自动存储数据，数据分三种类型存储：其一，历史数据存储（按最大区域设置），作为整编备份数据存储，采用笔记本电脑下载；其二，原始数据存储，该数据作为自报数据缓冲区，数据为上次发送成功之后到当前的所有变化数据；其三，当前数据存储，存储当前最新水位、当前总累计雨量。每日8时必须采集存储一次所有被测参数。

　　② 闸位水位雨量遥测站基本功能要求
　　数据采集存储：通过传感器和RTU，自动采集雨量、水位和闸位；当水位在规定时间间隔（6分钟）内产生变量或雨量变化0.5mm时，RTU自动存储数据，数据分三种类型存储：其一，历史数据存储（按最大区域设置），作为整编备份数据存储，采用笔记本电脑下载；其二，原始数据存储（含闸位），该数据作为自报数据缓冲区，数据为上次发送成功之后到当前的所有变化数据；其三，当前数据存储，存储当前最新水位、当前总累计雨量和闸位。

　　在规定时间间隔（6分钟）内采集闸门开度值，若产生变化量则打包发送。每日8时必须采集存储一次所有被测参数。

　　三、系统管理

　　系统建成后，运行管理的中心任务是保证系统正常运行，能迅速准确地为各级防汛指挥部门及有关单位提供流域内的雨水情信息，为各级防汛抗旱指挥部门的防汛决策提供可靠的依据。为了实现这一目标，确定如下运行管理方案：系统建成验收后，按照谁建设谁管理的原则，凡属市小清河管理处进行土建的中继站、分中心站、测站，由市小清河管理处管理；凡建在水文站的站点由水文部门负责管理。省局出台相应的管理规范、技术标准及业务范围。各站点应配备专职管理人员和技术人员，制定相应的管理制度，确保系统正常运行，信息畅通无阻。与省局应做到信息互传、资源共享。

　　四、工程经济评价

　　该系统工程防洪减灾效应因河系复杂，难以全面准确、定量地估算。小清河流域内经济发达，省会济南工业门类齐全，是山东省政治、经济、文化、交通中心；流域内寿光县蔬菜生产发展迅速，是我国最大的蔬菜生产集散地；中部淄博市是新兴的工矿及石油化工城市，资源丰富，是我国重要的石油化工基地。仅依据历年来洪涝灾害的损失等情况估算防洪减灾效益约为3亿元。

　　建立雨水情预报系统和防洪调度自动化，可以有效地避免不必要的人力、物力等损失，大大提高工作效率，为科学、及时地进行小清河洪水防洪调度提供了坚实基础，为进一步搞好小清河工程现代化管理奠定了基础，其社会效益是难以用货币来衡量的。建立雨水情调度系统对于保障沿河人民生命财产，发展经济，实现富民兴鲁，具有重要的政治意义和经济意义。　■

（作者单位：马吉刚为武汉大学博士研究生，吴恒清为水利部淮河水利委员会，赵蛟、鄢冬为山东省小清河管理局）
责任编辑 唐 瑾