摘要：张峰水库水情自动测报系统设计方案，是结合当地的实际情况和特点，并借鉴其他工程的先进经验比较确定的。通过理论分析、实地电测等多方面论证，证明测站布局合理、网络通信可靠、整体方案可行。它对工程未来运行中的确保防洪安全、科学调度用水具有重要的意义，其方案设计和论证方法对类似的水利工程设计和建设具有一定的参考和指导作用。关键词：张峰水库水情自动测报方案论证一、概况1.工程概况山西省张峰水库工程是以城市生活和工业供水、农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大Ⅱ型工程。水库位于沁水县沁河中游的干流上，粘土斜心墙坝高72.2m，总库容3.94亿m3，工业及城市年供水量1.63亿m3。2.流域概况沁河发源于山西省沁源县，在河南省武涉县汇入黄河。干流全长485km，流域总面积13532km2，张峰以上多年平均天然年径流量4.79亿m3。沁河流域地处我国东部季风区暖温带半湿润地区的西缘，大陆性季风显著。多年平均降水量一般在550～750mm之间，受欧亚大陆季风和热带海洋气团影响，暴雨频繁发生在4～10月。径流年内和年际变化大，洪水行进快、来势猛。张峰水库以上现有水文测站28处，其中水文站3处，雨量站25处，均属国家基本站网。二、建设水情自动测报系统的意义及目标1.建设意义张峰水库工程是控制调度沁河流域的大型骨干枢纽工程，根据当地径流年内、年际变化较大和洪水频繁、来势凶猛的特点，为确保供水、人畜饮水、防洪、发电等多项任务的顺利完成，在水库上游设置了水情自动测报系统，以准确掌握流域的来水情况，迅速预报上游的洪水，对水库的大坝安全以及水资源的科学调配非常必要。2.建设目标水情自动测报系统是应用通信、遥测和计算机等先进技术，快速、准确、及时的采集处理各类水文信息，实时发布洪水预报的先进手段。张峰水库水情自动测报系统的建设目标，是达到能及时收集有关水雨情信息，为水库安全防洪、资源调度提供比较准确的预报信息和决策依据，提高水库管理工作的自动化程度。三、系统方案设计1.总体方案水情自动测报系统由中心站、中继站及遥测站及其他相关部分组成，张峰水库水情自动测报系统中心站设在水库管理局水情中心，各遥测站采集的水文数据信息通过各中继站发往中心站，中心站接收到水文数据后，由计算机进行处理，以一定的格式形成数据文件，及时作出水情预报和进行水库防洪与兴利调度，并按要求形成水情图表，打印输出各种成果。2.系统覆盖范围通过对实测洪水资料分析，同一洪峰在张峰站出现的时刻比上游孔家坡站出现时刻均滞后10小时以上，对张峰水库来说仍有充分时间进行预报方案的制定，因此孔家坡以上不设遥测雨量站。本测报系统覆盖范围为张峰至孔家坡区间，集水面积为3632km2。3.预报方案配置预报方案的配置，既要满足工程对预报精度和预见期的要求，又要符合流域水文特性和站网资料的条件。由于本系统控制区间属半湿润气候区，汛期雨量丰沛，植被良好，属蓄满产流区。根据现有站网资料及条件，本系统运行期拟配置降雨径流预报方案，该方案包括API（经验性）和新安江模型两种预报模型。4.遥测站网的布设根据科学合理、经济可行，尽量做到用最少的遥测报讯点来满足洪水预报所需精度的站网布设原则，结合本流域暴雨洪水特性和现有水文、雨量站的实际情况，经对系统覆盖范围内的站网进行查勘、筛选和论证，确定遥测站网由16个遥测站组成。其中雨量站12个，水位雨量站3个，水位站1个。孔家坡至张峰区间流域拟设遥测站，见表1。张峰水库水情自动测报系统遥测站布设图见图1。5.通信方式及组网目前，国内外水情自动测报系统中的通信方式大体上有超短波、微波、卫星、短波、移动通信、有线通信六种。各种通信方式均有其优缺点，其中移动通信设备简单、投资少、施工方便，但通过现场测试，好村、安上、段峪、王村、新庄、卫村及王河测站移动通信基本属于盲区，因此移动通信在本次设计中不被采纳。超短波通信具有设备简单、投资少、可靠性高、传输稳定和施工方便等优点，也是目前国内外水情自动测报系统中广泛应用的一种通信方式，故本测报系统采用超短波通信方式。根据遥测站网的分布，布设中继站3座（罗山中继站、三不管岭中继站和界牌岭中继站）。16座雨量（水位）站、3座中继站和张峰中心站组成了一个完整的通信网络。6.其他设计本系统遥测或报送的水文要素有雨量、水位、流量和蒸发量。工作体制采用投资少、设备简单、可靠性高、耗电量小、可满足工程要求的自报式工作体制。同时，为满足系统运行和数据处理功能的要求，应配置操作系统软件、系统通信软件、洪水预报及调洪作业软件、多媒体演示软件、各种表格和图形显示软件、打印和绘图软件、编程语言软件以及为满足向上级部门传送数据的要求而配置的远程数据传输软件等。四、站网布设的合理性分析1.遥测水位站论证本系统设立水位站4座：孔家坡水位（兼雨量）站，根据该站水位～流量关系线成果由水位推得相应流量，以充分掌握上游来水情况；南泉湾水位（兼雨量）站，作为张峰水库的入库控制站，以掌握入库水量情况；水库坝上水位（兼雨量）站，以掌握水库库水位变化情况；水库坝下水位站，根据该站水位～流量关系线成果，以掌握水库出库水量情况。2.遥测雨量站论证采用站网地区分布合理性、流域面雨量代表性两种方法，论证遥测雨量站网的合理性或代表性。（1）遥测站网地区分布合理性论证。从流域图上看，系统范围内孔家坡至张峰区间原有16个站点，雨量站的分布不甚合理。基于此，遥测雨量站应重点考虑在暴雨频发地区布设，以便掌握每个区域的降水情况。依据水库防洪要有较高精度的要求，站网密度应控制在200km2/站～400km2/站之间。根据分布均匀以及在每个较大支流和分叉处、暴雨频发地区都布设雨量站的原则，结合本流域的自然地理、暴雨特性、海拔高程等条件，本方案共布设了15个遥测雨量站（利用原雨量站8座，新增7座）。在地区分布上来看，雨量站网密度为242km2/站，整体布设均匀、周到、合理。（2）流域面雨量代表性论证自有雨量资料以来至2000年，孔家坡至张峰区间流域内共发生大暴雨16场。参考邻近流域资料，绘制出16场暴雨的流域面雨量线图，假定用等雨量线法计算得出的流域面平均雨量作为标准值。用以下三种方法计算，比较拟设遥测站对流域面平均雨量的代表性。对于现有雨量站，比较泰森法和算术平均法的计算精度；对于拟设遥测雨量站，比较泰森法和算术平均法的计算精度；用现有站泰森法误差值与遥测站泰森法误差值比较。计算成果见表2。由上表可以看出，本次选择的遥测站面雨量与等雨量线计算的面雨量十分接近，绝对误差在-5.1mm～3.7mm，最大相对误差绝对值为4.8，满足相对误差不大于±5.0的要求。因此用本遥测站网计算的雨量能够代表水库以上面平均雨量，遥测雨量站分布是合适的。五、通信系统的可靠性分析张峰水库水情自动测报系统采用超短波通信方式。通过理论计算、实地电测和合理的频率、设备配置，系统通信线路设计成果见表3。本系统通过对通信组网方案的理论计算和实际测试，从设计等诸方面考虑了必要的安全余度。总增益按具体设备配置来确定，总损耗是在实测路径损耗的基础上，再附加衰落储备和干扰保护度确定的。由表3可看出，本系统所有干线线路的储备量均大于等于10dB，支线线路储备量均大于等于5dB，完全满足规范的要求，故本设计可以保证系统具有可靠的通信信道。六、结语张峰水库是国家重点水利建设项目，也是山西省首次将水情自动测报系统纳入规划设计并付诸实施的大型水利工程。水情自动测报系统的建立对工程未来运行中确保防洪安全、科学调度用水具有重要的意义，也对山西省以后的水利工程设计和建设具有一定的参考和指导作用。张峰水库工程的水情自动测报系统是结合当地的实际情况和特点，并吸收其他工程的先进经验多方案比较确定的。通过理论分析和实地电测，证明整体方案可行、测站布局合理、网络通信可靠。