中小河流项目技术方案.docx

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中小河流项目技术方案

宇星科技中小河流项目技术方案

2016年12月

1.项目概述

我国河流众多，除大江大河外，流域面积在200平方公里以上有防洪任务的中小河流有9000多条，由于我国特殊的气候和地理条件，特别是近年来极端天气事件增多的影响，我国中小河流洪水灾害频繁发生，造成严重损失，暴露出了我国中小河流防洪减灾的突出问题。

因此需要对中小河流重点河段进行集中治理，从整体上提升流域防洪保障水平。

本项目建设以完善中小河流水文监测预警体系为根本目标，以充实水文站、水位站、配套雨量站等监测站点为重点，基本建成中小河流水文监测体系。

提高中小河流水文信息采集、传输、处理水平和洪水预警预报能力，确保中小河流发生洪水时能及时预警，为成都市防汛减灾提供及时、准确、科学的决策依据，也为水资源的开发、利用、保护和管理提供基础服务。

2.建设内容

系统建设利用当前先进通信设备（GPRS/GSM、北斗卫星）、遥测数据终端、通信供电系统、信息采集控制设备及上位监控运行软件，完成系统集成并投入运行。

3.建设方案

3.1建设原则

中小河流水文监测系统遵循实用可靠、技术先进、经济合理、统筹兼顾的原则。

1、实用可靠原则:

监测系统建设方案的确定，测验方式的选择和仪器设备的选型，应因地制宜，功能完善，操作方便，维护简单，实用可靠。

系统建设应选用实用、先进、成熟的技术。

2、技术先进原则:

新建中小河流测站在水文数据采集、传输、处理、储存等各环节，应采用成熟的新技术、新方法，优先采用先进的水文测报技术和自动化仪器设备，提高监测精度和时效性，力求做到技术先进，避免低水平重复建设。

测验方式采用“无人值守、有人看护、巡测管理”模式。

3、经济合理原则:

系统建设充分利用现有网络及服务系统，全省按照统一的技术标准进行建设。

4、统筹兼顾原则:

中小河流水文监测系统建设水文监测站点以防汛为主，结合水资源管理站网规划进行建设。

3.2建设方案

中小河流水文监测系统是按国家法律法规、国内相关行业规程规范和技术标准建设，坚持实用、可靠、标准、先进、开放原则，达到防洪和测洪需要。

根据各中小河流流域气候、环境、降水强度、水流沙特性、测验任务等实际情况确定基础设施建设，确保达到《水文基础设施建设及技术装备标准》要求。

同时采用满足观测需要和测量精度要求的、性能稳定可靠的设备。

4建设标准

4.1遥测站点

雨量站：

按照《降水量观测规范》（SL21-2006）要求，采用一体化建设方式，标准统一，按照数据准确、网络便捷、易于管理的要求，实现自动采集、长期存储、自动传输。

水位站：

设施建设分别满足防洪标准和测洪标准的要求。

当出现防洪标准相应洪水时，能保证设施设备、建筑物不被淹没、冲毁，保障人身安全。

当发生相应测洪标准及其以下洪水时，测验设施设备能正常运行，当发生超标洪水时有相应测洪预案。

4.2信息传输

遥测站的水情信息能够在10分钟内到达县（市、区）防办信息接收站和省水文信息中心，并按国家标准格式同时到达成都市防汛指挥系统数据中心（无缝链接）。

20分钟内到达水利部水利信息中心。

5总体方案

5.1总体要求

1、雨量站

雨量监测总体设计能实现雨量信息自动采集、固态存储、自动传输，主要技术要求如下：

（1）本次建设采用翻斗式雨量计。

（2）按《降水量观测规范》（SL21-2006）要求建设一体化雨量站。

（3）所有雨量站RTU必须具备固态存储功能，实现雨量数据现场存储。

（4）按照《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）的要求，所选雨量计根据实际情况选用分辨率0.5mm。

2、水位站

水位观测设计总体设计能实现水位信息自动采集、固态存储、自动传输，主要技术要求如下：

（1）视水情特点配备气泡式、雷达等形式的自记水位计，水位计应能测记到测站全变幅。

（2）所有测站RTU必须具备固态存储功能，水位、雨量共享固态存储器，实现数据现场存储。

（3）按照《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）和《水文仪器基本参数及通用技术条件》（GB/T15966-2007）要求，雷达水位计分辨率为0.1cm。

3、水情信息传输

水情信息传输通信设计应在调查现有的水文信息分中心、各县（市、区）防办及相应测站的报汛时效、报汛信道、报汛设备状况的基础上，满足以下具体要求：

（1）遥测站的水情信息在10分钟内全部准确传输到县（市、区）防办信息接收站和省水文信息中心，并按国家标准格式到达成都市防汛指挥系统数据中心，针对重点防护区和重要防护目标布设的水位站应对保护目标有一定预警或预报时间。

对满足水文技术要求的站点，应保证30分钟预见期。

（2）各遥测站与省水文信息中心、各县（市、区）防办信息接收站之间的数据传输通信网，利用GPRS/GSM或北斗卫星，保持遥测站数据传输的畅通。

（3）县（市、区）防办与市防办之间利用现有通信网络进行数据传输和信息交换；省水文信息中心在收到遥测站数据经过处理后，通过骨干网交换到省防办和水利部水利信息中心，同时通过现有网络将信息交换到成都水文信息分中心。

（4）主要通信方式的数据传输信道误码率和系统数据收集的月平均畅通率等指标均满足《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）的规范要求。

主要为：

误码率：

卫星通信≤10-6、GSM≤10-5

系统可靠性：

数据收集的月平均畅通率＞95%

数据处理作业完成率＞95%

平均无故障工作时间（MTBF）：

＞6300h

4、仪器设备

中小河流水文监测系统建设工程的水位、雨量信息采集、存储、传输、接收设备要求如下：

（1）先进适用、技术成熟。

充分利用当前水文测报先进技术成果和成熟的设备，达到实用性和先进性有机结合，保证水雨情数据的采集、存储和传输质量，满足报汛需求。

（2）操作简便、易于维护。

立足国产设备，选择技术可靠、操作简便、易于维护的技术装备，同时考虑水文事业今后的发展要求，各种设备优选符合国家标准的型材和通用件，以利于系统运行的维护管理。

（3）节能环保、质量可靠。

在基本功能具备的情况下，优先选择具有绿色环保、中国节能认证的设备，遵循节能、节材的原则，设备本身及包装应使用环保、可循环利用的材料；本项目应选择拥有ISO质量管理体系认证和全国工业产品生产许可证的仪器设备。

5.2信息流程

遥测信息流程采用以下方式：

图7-1遥测信息流程图

中小河流水文监测系统建设的雨量、水位遥测站信息，通过GPRS/GSM或北斗卫星等通信信道，向省水文信息中心和县（市、区）防办信息接收站两个方向传输数据。

省水文信息中心对数据实时接收和处理后，再利用现有网络资源，通过水情信息交换系统将水情数据实时交换到成都水文信息分中心、省防汛办、水利部水利信息中心数据库服务器中；县（市、区）防办信息接收站对数据实时接收处理后，利用现有网络资源，将水情信息传至上级主管部门，同时对当地防汛作实时指导。

其信息传输网络结构示意图如图7-2所示。

图7-2信息传输网络结构示意图

6技术介绍

6.1信息采集

一、雨量站建设

雨量站仪器设备配置按长期自动采集、存储与传输的标准进行建设。

雨量站建设采用一体化标准设计进行建设，雨量遥测装置的安装避开高大树木和高大建筑物。

（一）基本要求

1、雨量遥测站按一体化标准设计方式建设，根据实际情况布置于地面或房顶。

翻斗雨量计、太阳能板、GPRS/GSM天线和北斗卫星天线置于一体化机箱顶部，其余仪器设备集成于一体化机箱内，其示意图见图7-3。

2、自动完成雨量要素的采集和在数据采集器内的存储，并按规定机制将数据传送至省水文信息中心和县（市、区）防办信息接收站。

3、GPRS/GSM、北斗卫星根据实际情况确定主备用信道，当主信道通讯失败时可自动切换到备用信道。

4、系统具备召测功能，遥测站能接受中心站的远程召测（查询、参数修改、历史数据下载）等指令，根据指令要求发送当前数据或历史数据。

5、具有带时标本地存储功能，存储容量满足1年以上长期存储的需要。

能本地下载和在信道条件许可情况下远程下载已存数据，数据下载后生成的格式要求符合水文资料整编规范要求的格式。

6、雨情信息采集、存储与发送段次、雨量站的站号等参数可用计算机或人工置数器连接进行本地设置，也可以远程设置和修改。

7、支持经由设计的通信信道（如GPRS）实现远程控制修改遥测站参数及远程软件升级等功能。

8、遥测站设备可通过中心站远程自动校时。

当有北斗卫星终端通信设备时，采用北斗自动校时。

9、具有良好的电源管理和通信管理功能，具有运行工况信息自动检测和发送功能，具备运行异常诊测并自动恢复的功能。

10、系统设备的平均无故障时间，数据传输可靠性与误码率，备用措施等主要性能指标符合《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）的要求。

11、设备具有较方便的可互换性与可维护性。

12、一体化箱体内提供设备（模块）连接框图，并标注主要检修、检测点及接插座的静态和在线电气指标。

13、支持多中心发送机制。

14、遥测设备配用蓄电池满足在阴雨天气条件下为设备提供40天的电能消耗。

15、遥测站能采集设备安装位置处的经纬度并存储，并在遥测站参数设置完成或参数修改后发回中心站。

（三）主要技术指标

1、运行环境

设备有很好的环境适应性，能在一定温湿度变化环境下稳定运行。

（1）、海拔高度<4500m（高海拔）/<2500m（低海拔）

（2）、极端最高环境温度50℃

（3）、极端最低环境温度-10℃

（4）、最大相对湿度99%（无凝结）

（5）、地震烈度7度

（6）、最大1h暴雨量123.8mm

（7）、年平均日照时数929.7～1391.4h

2、土建工程

（1）一体化设备基座：

雨量基础分为地面和房顶两种方式，采用钢筋混凝土制作。

施工时应根据一体化支架安装尺寸制作并预埋基础螺丝，基础螺栓预埋件必须与设备接地网良好连接，形成等电位体。

基础台面要求平整与水平，表面可以贴白色瓷砖。

基座参考尺寸：

1000*1000*250（mm）。

最终尺寸以一体化支架安装尺寸确定。

（2）设备地网

Ø防雷电波侵入措施：

设备的所有进出引线，有足够的屏蔽保护措施。

Ø接地体：

接地体用于设备屏蔽及保护接地。

Ø接地电阻：

一般情况下要求接地电阻≤10Ω，土壤电阻率低的地区要求接地电阻≤4Ω。

Ø接地体统一采用“一字形”加工，埋设时可采用“一字形”，也可以根据需要现场组合成其它形状，如“四边形”、“三角形”，但组合后接地体的各连接点必须满焊。

4、安装技术要求

（1）一体化遥测雨量站安装条件符合《降水量观测规范》（SL21-2006）要求，尽可能安装在周边电磁干扰较小的环境中，且具有一定的雷电防护能力和抗干扰能力。

（2）一体化遥测雨量站雨量传感器、太阳能电池板、通信机天线等信号、电（馈）线均不能外露，采取外套防腐金属管（或不锈钢软管）防护和屏蔽保护，金属管切口处须打磨光滑，以免在穿管时割伤电缆。

一体化机架与线缆外套金属管必须与设备接地体良好连接形成等电位体。

（3）翻斗雨量传感器按照安装说明书安装完成后，作注水滴定试验，确保计量精度达标。

现场调试时应使用量杯进行3次人工注水试验（每次注水10mm，5至10分钟内均匀注完水量），并观测仪器记数是否与所注入水量一致（为保证数据的精度，可以采用医用输液器点注观察）。

测试误差在±2％，超过误差应进行调整。

（4）太阳能电池在安装时，感光面应正对正南方向，且无遮挡。

二、水位站建设

水位站按“无人值守、有人看护、巡测管理”模式进行建设，实现水位数据自动采集、长期存储、自动传输。

（水位观测设施包括固定水尺和水位观测平台。

水位观测平台应根据测站的河床地形条件、水位变幅、河道冲淤变化、水位传感器原理等情况，建设水位测井（包括简易测井）、水位计支架（水位计塔）或水位计管道等设施。

）

（一）基本要求

（1）水位遥测站自动采集水位和雨量信息，在有自记测井的站点，雨量传感器、太阳能电池板安装于水位自记测井仪器房顶，其它设备集成安装在水位自记测井仪器房中；在有专用仪器设备房的站点，雨量传感器、太阳能电池板安装于专用仪器设备房房顶，其它设备集成安装在专用仪器设备房中；如果是一体化站点，雨量传感器、太阳能电池板、其它设备集成安装于一体化杆架上

（2）自动完成水位、雨量要素的采集、存储，并按规定机制将数据传送至省水文信息中心和县（市、区）防办信息接收站。

（3）GPRS/GSM、北斗卫星根据实际情况确定主备用信道，当主信道通讯失败时可自动切换到备用信道。

（4）系统具备召测功能，遥测站能接受中心站的召测（查询）指令，根据指令要求发送当前数据或历史数据。

（5）具有带时标本地存储功能，存储容量满足1年以上长期存储的需要。

能本地下载和在信道条件许可情况下远程下载已存数据，数据下载后生成的格式要求符合水文资料整编规范要求的格式。

（6）水雨情信息采集、存储与发送段次、水位站的站号等参数可用计算机或人工置数器连接进行本地设置。

也可以远程设置和修改。

（7）支持经由设计的通信信道（如GPRS）实现远程控制修改遥测站参数及远程软件升级等功能。

（8）遥测站设备可通过中心站远程自动校时。

当有北斗卫星终端通信设备时，采用北斗自动校时。

（9）具有良好的电源管理和通信管理功能，具有运行工况信息自动检测和发送功能，具备运行异常诊测并自动恢复的功能。

（10）系统设备的平均无故障时间，数据传输可靠性与误码率，备用措施等主要性能指标符合《水文自动测报系统技术规范》（SL61-2003）的要求。

（11）设备具有较方便的可互换性与可维护性。

（12）室内机柜（服务器机柜）、一体化机箱内必须提供设备（模块）连接框图，并标注主要检修、检测点及接插座的静态和在线电气指标。

（13）支持多中心发送机制。

（15）遥测设备配用蓄电池满足在阴雨天气条件下为设备提供40天的电能消耗。

（16）遥测站要能采集设备安装位置处的经纬度并存储，并在遥测站参数设置完成或参数修改后发回中心站。

（二）主要技术指标

1、运行环境

有很好的环境适应性，能在一定温湿度变化环境下稳定运行。

（1）、海拔高度<4500m（高海拔）/<2500m（低海拔）

（2）、极端最高环境温度50℃

（3）、极端最低环境温度-10℃

（4）、最大相对湿度99%（无凝结）

（5）、地震烈度7度

（6）、最大1h暴雨量123.8mm

（7）、年平均日照时数929.7～1391.4h

2、测验河段设施建设

（1）水准点

设置数量和布设情况应根据《水位观测标准》（GB/T50138-2010）的规定进行设计，对于新建水准点说明引测距离。

（2）观测道路

其型式、结构尺寸、坡度，材料选择、施工方法及布置等应根据测验断面地形，地质条件确定。

（3）堡坎、场地整治：

其范围、型式、结构尺寸、工程量、选材、施工方法及布置等根据生产、安全要求确定。

（4）水尺设置

1）、型式：

直立式水尺；设计示意图见附图；

斜式水尺；

2）、精度：

满足《水位观测标准》（GB/T50138-2010）要求。

（5）水位信号线埋设设施

管道采用DN50敷设，间隔适当距离预留检查口。

（6）一体化基座

一体化雷达水位计基座根据承建商提供尺寸施工。

（7）地网建设

同雨量建设方案。

3、安装技术要求

1）、水位遥测站安装条件符合《水位观测标准》（GB/T50138-2010）要求，尽可能安装在周边电磁干扰较小，移动手机信号覆盖强度好的环境中，且具有一定的雷电防护能力和抗干扰能力。

2）、水位遥测站太阳能电源板、通信机天线等信号、电（馈）线均要求不得外露，采取外套防腐金属管（或不锈钢软管）防护和屏蔽保护，金属管切口处须打磨光滑，以免在穿管时割伤电缆。

室内仪器机柜、线缆外套金属管必须与设备接地体良好连接形成等电位体。

3）、水位计安装完成后必须对水位计输出数据与人工观测水位进行比对。

以人工水位为依据进行水位计设置。

4）、水尺安装布设：

最低：

低于历史最低水位0.5m以下；

最高：

高于历史最高水位1m以上；

与水位观测断面同地一断面线上，沿上下游偏离不得大于1m（如有时）；

尺面：

尺面向河心，与水流方向平行；

走向：

与河水流向垂直；

当采用直立式水尺组时，：

尺与尺之间应有不少于0.1～0.2m的衔接段；

5）、高程确定：

当水尺安装完成后，对断面上所有水尺进行高程测量，确定其水尺的零点高程。

测验方法与精度要求满足《水位观测标准》（GB/T50138-2010）要求。

新设水尺高程测量应不少于3次。

6）、水准点安装与测定：

设在历史最高水位以上，地表稳定、便于引测和保护的地点。

一个水位站应在不同位置设三处水准点。

按《水位观测规范》（GB/T50138-2010）布设。

7）、翻斗雨量传感器按照安装说明书安装完成后，作注水滴定试验，确保计量精度达标。

现场调试时应使用量杯进行3次人工注水试验（每次注水10mm，5至10分钟内均匀注完水量），并观测仪器记数是否与所注入水量一致（为保证数据的精度，可以采用医用输液器点注观察）。

测试误差在±0.2%，超过误差应进行调整。

8）、太阳能电池在安装时，感光面应正对正南方向，且无遮挡。

6.2信息传输

一、原则

中小河流水文监测系统信息传输遵循以下主要原则：

（1）先进性。

监测站的雨量、水位信息要实现自动采集、长期存储，并自动传送到水文信息（分）中心。

采用GPRS/GSM、北斗卫星等通信方式，保证系统具有高的系统畅通率、较强的生命力和先进性。

（2）实用性。

每个水文信息（分）中心洪水信息传输网设计，结合各地的自然条件、现有资源、供电条件等具体情况，从通信的可靠性、投资、运行和管理等多个方面考虑。

（3）可靠性。

为确保水情信息的可靠传输，设计中采取以下几条措施：

①选择合适的通信信道；②要求具有良好的电源管理和防雷措施。

（4）经济性。

信道、设备设计要充分利用现有资源和设备，最大限度地节约建设投资。

二、信息传输网络

通信网络拓朴图如下：

三、遥测站通信方式

水情自动测报系统常用的数据传输通信方式有：

卫星通信、超短波通信、PSTN通信、GSM通信、GPRS通信等。

通过比较分析，现场调查，确定适应本项目数据传输的通信方式为：

GSM/GPRS、北斗卫星通信方式，实际应用时根据实际情况确定主备信道，当主信道通讯失败时可自动切换到备用信道。

四、数据传输通信网络

（1）北斗卫星通信设计

北斗卫星通信系统是利用我国“北斗导航卫星”建立起来的民用卫星导航定位通信服务系统，能够全天候、全天时地为中国及周边国家提供卫星定位、导航和通信服务。

在本项目系统中，北斗卫星通信采用一发多收的工作模式，即遥测站发送的数据，县（市、区）防办信息接收站、省水文信息中心可同时接收。

县（市、区）防办信息接收站新建卫星系统，利用北斗卫星普通型通信终端接收数据，省水文信息中心利用现有设施设备，通过现有WEB网络平台对遥测站进行管理和控制。

目前，北斗卫星终端主要有分体式、一体式两种。

本项目设计水位站、雨量站均采用一体式北斗卫星。

（2）GSM通信设计

通过比较，本项目GSM通信采用点对点直接接入方式和专线接入方式。

点对点接入方式：

GSM的短消息业务利用信令信道传输，是GSM通信网络特有的，它不用拨号建立连接，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发送给最终的目的地址。

并且，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络会保留所传消息，当发现被叫方能被叫通时消息能被重发，以确保被叫方准确接收。

遥测站采集的水情数据经编码后通过GSM模块发送，接收端由GSM模块接收各遥测站发送的水文数据。

一般情况下大于100个站点宜采用专线方式。

（3）GPRS通信设计

遥测站到各县（市、区）防办信息接收站的GPRS通信，各县（市、区）辖区内的站点不是很多，利用现有互联网固定公网IP地址（或自行向当地移动申请一条2M互联网的光线专线，移动提供一个固定的公网IP地址），采用点对固定IP的接入方式。

遥测站到省水文信息中心，信息传输采用原有（固定公网IP地址）接入方式。

五、系统工作体制

根据本项目系统确定的通信组网方案以及中小流域防洪减灾等的实际需要，结合系统中所采用的GSM/GPRS和北斗卫星通信方式的特点，确定本系统中采用GPRS/GSM通信方式的遥测站采用事件随机自报和定时自报为主兼备查询-应答（混合式）的工作体制，既能满足系统信息采集的实时性，又可获得时段信息，同时还可进行远地测控。

本项目采用北斗卫星通信方式的遥测站采用定时自报为主兼备查询-应答（混合式）的工作体制。

6.2系统供电

一、水位站

遥测站采用太阳能电池和蓄电池组合的浮充供电方式，系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。

蓄电池满足在阴雨天气条件下为设备提供40天的电能消耗。

二、雨量站

遥测站采用太阳能电池和蓄电池组合的浮充供电方式，系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。

蓄电池满足在阴雨天气条件下为设备提供40天的电能消耗。

6.3主要设备技术参数

一、RTU（遥测终端单元）

1）具有多种（开关量、数字量、模拟量）传感器接口，除系统所需的一个具有仪器唤醒功能的2线或3线的脉冲式增量雨量传感器接口外，为系统扩展水位或其它采集要素，应具有：

至少1个12位并行数字输入接口，并行接口按照设定可识别格雷码、二进制、BCD等常用水文传感器输出编码；具有至少1个RS-485或SDI-12串行数字输入接口，可并行连接至少3个相同通讯协议标准的串行智能传感器。

2）具有用户软件再开发能力。

3）具有4～20mA或1～5V模拟信号输入接口，其A/D转换分辨力不小于12位（二进制），转换误差≤0.05%。

4）具有至少4路开关量输出接口。

可用于控制外部设备工作或供电。

5）具有计算机标准接口和开放的人工置数器操作协议。

可外接专用的人工置数器（自带除外）或计算机，用于采集数据调显、工作参数设置、人工数据输入和发送。

6）具有存储采集数据的能力。

其数据存储器采用非易失技术，容量不低于2M,确保采集存储的数据量大于1年。

存储数据可以在测站用计算机或更简便的方法（如U盘等）读取，也可以通过GPRS信道从中心站实现远程下载读取。

7）具有定时器、事件（如翻斗雨量传感器）、通信接口（RS-232C）等多种唤醒工作方式。

8）可现场和远程配置、修改系统参数（修改参数时可通过设置停止内核程序，不能出现修改某一参数导致其他参数发生变化），且支持远程诊断、维护；可选择设置多种工作模式和标准：

定时采集、增量采集、根据水位级标准采集。

9）具备“测试”功能，在该功能有效时，采集数据不会存入本机数据存储器，发出的报文中心站能识别，不会将测试数据存入数据库和自动转发，当退出“测试”后，雨量累计值等仪器工作参数应能恢复到进入“测试”时刻的工作现场状态。

10）具有良好的电源管理和通信管理功能，具有运行工况信息自动检测和发送功能，具备运行异常诊测并自动恢复的功能。

11）具备方便地进入微功耗待机、掉电模式和上电快速启动的能力。

具有休眠和事件（现场或远程）唤醒的良好电源管理技术。

12）在任意时刻实现短信召测测站实时水情数据以及测站工况信息等。

并且也可通过远程拨号唤醒GPRS在线，实现远程数据查询、下载以及参数设置。

13）支持远程修改总体参数、传感器参数、通信参数等；远程可设置的工作参数达到本地可设置参数的90%左右。

14）具备实时钟，并可通过GPRS、卫星等信道实现自动校时，校时时刻