水情信息采集系统设计要求

国家防汛抗旱指挥系统二期工程水情信息采集系统设计要求
水利部水利信息中心
二○一一年七月
审定：辛立勤
审核：吴礼福刘志雨
编写：吴礼福成建国赵凯王金星耿丁蕤孙洪林王爱莉
目录
一、综述 (1)
1.1设计范围和任务 (1)
1.2设计依据 (1)
1.3设计原则 (2)
1.4设计总体要求 (3)
1.5设计控制经费 (4)
二、水文测验设施设备 (5)
2.1设计目标和内容 (5)
2.1.1 设计目标 (5)
2.1.2 设计内容 (6)
2.2技术要求 (7)
2.2.2 雨量观测项目 (7)
2.2.3 水位观测项目 (9)
2.3水文测验关键设备 (11)
2.3.1 雨量、水位观测关键设备 (11)
2.3.2 记录仪器固态存储 (17)
三、水情报汛通信设计 (18)
3.1设计目标和原则 (18)
3.1.1 设计目标 (18)
3.1.2 设计原则 (18)
3.2设计采用的关键技术 (19)
3.3报汛通信网的设计 (19)
3.3.1 结构设计 (20)
3.3.2 功能设计和技术要求 (21)
3.3.3 工作体制和信息传输协议 (24)
3.3.4 通信方式和数据传输方式 (25)
3.3.5 通信信道设计 (25)
3.3.6 几种信道的混合报汛通信网 (36)
3.3.7 已建水文自动测报系统信息的入网 (37)
3.3.8 系统的可靠性 (38)
四、水情分中心系统集成设计 (41)
4.1水情分中心的任务 (41)
4.2水情分中心系统的界面划分 (41)
4.3水情分中心系统集成设计 (41)
4.3.1 系统集成拓扑结构 (41)
4.3.2 系统集成设备配臵 (44)
一、综述
本设计要求是在《国家防汛抗旱指挥系统一期工程水情分中心初步设计指导书》的基础上，结合二期工程建设的内容进行了局部修改。

1.1 设计范围和任务
二期工程建设的目标之一是：在一期工程建设的基础上，建成覆盖全国中央报汛站的水情信息采集系统。

水情信息采集系统主要包括中央报汛站建设和水情分中心建设。

中央报汛站是国家防汛抗旱指挥系统水雨情信息采集的最基本单元，水情分中心是国家防汛抗旱指挥系统水雨情信息接收、处理、分发、上报的基本单位；也是目前水利信息网络系统最基层的网络节点，所有的实时水情信息都是从水情分中心进入水利信息网络系统实现网络传输的，水情信息采集系统的建设至关重要。

二期工程水情信息采集系统的建设范围是：完成覆盖各流域机构、各省（自治区、直辖市）及新疆生产建设兵团的157个水情分中心和相应933个中央报汛站的采集设备、报汛站与水情分中心的信息传输通信信道以及水情分中心的信息管理和接入骨干网的网络设施建设。

目前二期工程水情信息采集系统的具体设计内容为： 3个流域机构、27个省（自治区、直辖市）及新疆生产建设兵团的157个水情分中心及933个中央报汛站更新改造的设计。

具体包括755个雨量观测项目、624个水位观测项目的设施设备更新改造；933个中央报汛站水情报汛通信设施设备建设以及157个水情分中心系统集成设计。

1.2 设计依据
（1）国家发展和改革委员会关于审批国家防汛抗旱指挥系统二期工程可行性研究报告的批复文件
（2）《国家防汛抗旱指挥系统二期工程可行性研究报告》
（3）《国家防汛抗旱指挥系统二期工程初步设计大纲》
1.3 设计原则
水情信息采集系统设计应遵循以下几个主要原则：
（1）统一规划、统一标准
水情信息采集系统建设涉及水文测验、水文报汛、通信、计算机网络等多个领域，并且信息采集、通信、计算机及网络等技术和应用水平发展很快，为便于系统的扩展、升级和优化，系统设计坚持统一规划、统一标准的原则很重要，它也是系统建设能否成功的关键。

（2）先进实用、高效可靠
中央报汛站是国家防汛抗旱指挥系统的信息采集的重要节点、信息源，然而报汛站的水情信息采集、报汛通信环境条件恶劣。

因此所采用的技术、设备在注重先进性的同时，还应充分考虑系统的实用、高效、可靠。

（3）多方案比选
水情信息采集系统建设在水情信息自动采集，报汛通信网组网方式双信道选择、分中心系统集成等环节要从先进性、实用性、可靠性、经济性和运行维护管理等方面进行多方案综合比选。

（4）充分利用和整合现有资源
水情信息采集系统设计要做好水雨情信息自动采集、固态存储，报汛通信组网的信道资源、分中心系统集成设备设施等环节的需求分析和现状分析，充分利用和整合各种资源，优化设计方案。

（5）突出重点
水情信息采集系统建设的经费很有限，不能完全满足所有报汛站水文测验、报汛设备设施更新改造的所有要求，水文站流量测验、水位井土建和水文站站房土建等项目的经费基本上属补贴性质，因此在设计中一定要从实际出发，突出重点，优先解决水情信息自动测报工作中的薄弱环节。

1.4 设计总体要求
根据水情信息采集系统设计的主要原则，水情信息采集系统设计的总体要求如下：
（1）设计深度
要求达到招标设计深度。

以水情分中心为基本单位，在水情信息自动采集、报汛，分中心系统集成等环节进行需求分析和现状分析的基础上，对报汛站的水文测验、报汛通信的设施设备进行逐站的更新改造设计和水情分中心的系统集成设计；在对逐站现有各种通信资源和潜在通信资源调查分析的基础上进行水情报汛双信道的选择和通信组网设计，逐站进行现场查勘和组网信道资源的电路测试，并提出信道的初步评估报告。

（2）技术标准
水情信息采集系统设计应遵循下列技术标准：
《降水量观测规范》SL21-90
《水位观测标准》GBJ138-90
《河流流量测验规范》GB50179-93
《水文基础设施建设及技术装备标准》SL276-2002
《水文自动测报系统规范》SL61-2003
《水文情报预报规范》SL250-2000
《计算机场地技术条件》GB2887-89
《计算机机房用活动地板技术条件》GB6650
初步设计报告的编制规则和分类详见《国家防汛抗旱指挥系统二期工程技术文档分类与编制规则》。

1.5 设计控制经费
由于受投资规模的限制，国家防汛抗旱指挥系统二期工程用于水情信息采集系统建设的投资与实际需求还存在较大差距，因此，水情信息采集系统建设的概算只能按控制指标进行。

对建设涉及的水位井、站房改建等土建费用、水文测验设施设备和报汛通信网设施设备超出控制指标的费用、地方报汛站建设所需费用，需要各有关部门通过其他经费渠道来解决。

在中央报汛站水文测验、报汛设施设备更新改造和报汛通信网建设以及水情分中心系统集成建设的标准不降低的前提下，建设经费可以在本分中心的建设范围内进行适当调整。

二期工程水情信息采集系统初步设计的控制经费如下：
（1）水文测验设施设备控制经费
雨量项目：1.64万元/站
水位项目：3.31万元/站
（2）报汛通信网设施设备控制经费
中央报汛站：4万元/站
（3）水情分中心系统集成控制经费
分中心系统集成费用：45万元/套
每个水情分中心配备备份通信设备1套，4万元。

各类控制经费的预算内容参见《国家防汛抗旱指挥系统二期工程可行性研究报告》。

二、水文测验设施设备
水情信息主要包括雨量、水（潮）位、流量、含沙量，水库进出流量、蓄水量，闸门开启度和下泄流量等，它是制定防洪对策、合理调度洪水和防洪抢险的重要依据；准确、及时、可靠的水情信息是取得防汛抗旱胜利的重要保证；因此，水文测验设施设备的建设是水情信息采集系统建设的重要内容。

水文测验设施设备设计是水情信息采集系统设计的第一个环节。

2.1 设计目标和内容
2.1.1 设计目标
水文测验设施设备更新改造设计的目标是应用先进的现代科学技术和设备，使中央报汛站实现以下目标：
（1）测验能力有较大提高。

能接近或达到相当于设站以来最大洪水或堤防防御标准的水平；在发生超标准洪水或意外事件的情况下，有应急测验措施。

（2）测验设施设备更加实用、可靠、先进，不仅符合我国国情，而且适合不同河流的水情特点和测站洪水特性。

（3）水情信息的采集手段明显改善，普及水文数据自动采集、固态存储和信息的数字化，以适应计算机技术和现代通信技术的要求。

（4）进一步推进水文测验方法的改革，通过巡测，弥补常规报汛站点的不足，扩大资料的收集面，为防汛抗旱提供更加丰富的水情信息。

2.1.1.1 雨量观测项目
雨量观测设计，应实现雨量信息自动采集、固态存储；雨量观测数据传输至测站站房，记录仪器与站房距离较远时，应实现向站房的近距离有线、无线传输，为雨量数据自动传输创造条件。

2.1.1.2 水位观测项目
水位观测设计，应实现水位信息自动采集、固态存储；水位观测数据传输至测站站房，记录仪器与站房距离较远或有多处观测断面，也应实现向站房的近距离有线、无线传输，为水位数据自动传输创造条件。

2.1.2 设计内容
2.1.2.1 雨量观测项目
按照设计目标，雨量观测项目的设计主要包括以下内容：
（1）将人工观测雨量筒和虹吸式雨量计全部更新为翻斗式雨量计；
（2）所有雨量观测站全部实现记录仪器的固态存储，与水位固态存储应尽量共享；
（3）按《降水量观测规范》要求，在有条件的测站新建雨量观测场；对已建的雨量观测场进行改造，改造内容包括场地平整、建设雨量观测道路、更新和维修栅栏;
（4）对雨量观测仪器放臵屋顶的测站，迁移到雨量观测场内；不具备建雨量观测场条件的测站，可建杆式雨量计；
（5）对观测仪器距站房距离较远的测站，应实现以有线或无线方式向站房的近距离传输；
（6）敷设有线传输线管道。

2.1.2.2 水位观测项目
按照设计目标，水位观测项目的设计主要包括以下内容：
（1）适宜新建水位自记井的测站，应新建水位自记井；
（2）对已建的水位自记井可进行维修，维修项目可包括：井身、进水管、沉沙池、栈桥、拦污栅、观测道路等；
（3）对有水位自记井的测站配备浮子式水位计；不能建设水位自记井的测站，视水情特点配备压力式（气泡式、压阻式）、非接触式（超声波、雷达、激光）等形式的自记水位计；
（4）所有水位观测项目全部实现记录仪器的固态存储，与雨量固态存储应尽量共享；
（5）对有多处观测断面或观测仪器距站房距离较远的测站，解决观测点至站房之间的可靠传输。

解决方案包括无线传输和有线传输；
（6）敷设有线传输线或水位计感压管等管道。

2.2 技术要求
2.2.2 雨量观测项目
雨量观测设计主要对雨量观测场地建设、杆式雨量计设施建设、雨量传感器、观测场与站房间的可靠传输四个方面作出具体要求：
（1）雨量观测场地
无论改造或新建雨量观测场，均按下列要求进行：
①观测场的面积应满足设臵一台雨量计为4×4m2，两台为4×6 m2，有其它观测项目的可设臵为12×12m2。

四周栅栏高度为1.2～1.5m，疏密以不阻滞空气流通又能削弱通过观测场的风力和不产生雪堆为度。

②雨量计与建筑物、树木等障碍物的水平距离为障碍物高度的两倍，特殊情况下不得小于障碍物与雨量计器口高差的两倍。

③山区观测场不宜设在陡坡或峡谷内，尽量选在平坦场地上，使雨量计器口至山顶的仰角不大于30°。

④对已建的雨量观测场进行改造，改造内容包括场地平整、建设雨量观测道路、更新和维修栅栏。

（2）杆式雨量计
中央报汛站雨量观测只能采用雨量观测场或杆式观测，不应采用将雨量观测仪器放臵屋顶的方式。

现有雨量观测仪器放臵屋顶的中央报汛站，按上述要求新建雨量观测场，将雨量观测仪器放臵雨量观测场内；不具备新建雨量观测场条件的测站，应改建杆式雨量计。

杆式雨量计建设时应注意以下几个问题：
①杆位应选择在当地雨期常年盛行风向过障碍物的避风区，与障碍物的水平距离大于障碍物高度的1.5倍。

②困难地区如果自记测井栈桥符合以上设立杆位的要求，可将杆式雨量计设臵在水位自记井栈桥上。

③用杆式雨量计的测站，应在杆周围半径为1.0m的范围内设臵栏栅防护。

（3）雨量传感器
①分辨率：多年平均雨量≥800 mm时，采用分辨率为0.5mm的传感器；多年平均雨量<800mm时，采用分辨率为0.2mm的传感器；
②测量误差（准确度）：较大降雨量的误差采用实测降雨量与其自身排水量相比较的相对误差检验；较小降雨量采用绝对误差检验。

不同分辨率的雨量传感器量测精度见下表：
③环境条件：工作温度0℃～50℃，工作湿度≤95%（40℃）；
④可靠性指标：在满足仪器正常维护条件下，MTBF≥25000小时。

（4）观测场与站房间的可靠传输
雨量观测数据必须传输至测站站房，视当地环境条件和技术条件可采用有线传输或无线传输方式。

2.2.3 水位观测项目
水位观测设计主要对水位自记井建设、浮子式、压力式和非接触式等水位计安装、水位传感器、水位传感器与站房间的可靠传输五个方面作出具体要求：（1）浮子式水位测井的改造或新建按以下要求设计：
①能记录水位全变幅的水位自记井，进水管应设在历史最枯水位以下
0.2m，水位自记井井身高程在历史最高水位以上0.5m。

条件不具备时可只建中高水位测井或二级井。

②大江大河干流和主要支流控制站水位自记井内径应不小于1.0m；支流测站水位自记井内径应不小于0.7m；在陡岸处修建水泥管、钢管、铸铁管水位自记井时，内径可减小到0.5m。

③要设计良好的沉沙池，以避免泥沙在测井内大量淤积，冲淤变化和含沙量相对较大的测站可建两级或多级沉沙池。

④要设计良好的进水管道，进水管入口处要慎重选址，以免管口淤死造成测井失效。

⑤设计水位自记井要进行基础承载能力、抗倾覆、危险截面、进水管内径等计算。

确保高洪水期水位自记井不被洪水冲毁并保持正常收集水位资料。

（2）压力式水位计安装
压力传感器安装在岸上的仪器房内，水下需敷设感压气管。

水位计所配的感压管为φ10mm的塑料管，为避免感压管受损伤，在管道敷设时，采用1.5″镀锌管作为保护套管。

具体要求如下：
①压力式仪器设备放臵在位于基本水尺断面上的仪器房内，而压力式传感器的感应探头需设臵在水面以下。

为解决大变幅水位观测问题，可结合各站实
际，分2～3级建立压力式传感器；
②管道敷设时应沿河岸护坡顺坡而下，不能出现负坡，以免感压管内结露，形成水栓；
③为解决大变幅水位观测问题，可结合各站实际，敷设多级气管管道，以满足不同水位级的观测要求（注：每级水位高程不超过13米）；
④管道敷设时，若河岸较长，可建有盖护沟，其大小根据敷设管道的根数确定。

（3）超声式等非接触式水位计安装
超声式水位计分液介式和气介式两种。

液介式超声波水位计安装与压力式水位计安装相同，参见上述压力式水位计安装方法。

气介式超声水位计，根据测站水文地理特性因地制宜选择岛式、岸式、桥梁式和水工建筑物式等型式设臵。

这几种设臵型式均应满足：
①气介式超声波水位计的传感器探头距最高水位的净高不得小于3m；
②有校准架的气介式水位计，在风浪大的测站使用时，必须对校准架采取加强措施；
③岸式及岛式型式，设计均应根据当地最大风力和流速进行载荷校核。

如果距离较远应在现场设臵仪器房。

其他非接触式水位计安装参照观测规范和仪器本身要求。

（4）水位传感器
①分辨率：水位传感器的分辨率为1cm。

②测量误差：95%测点的允许误差±2cm，99%测点的允许误差±3cm。

③环境条件：工作温度0℃～＋50℃，工作湿度＜95%（40℃）。

④可靠性指标：在满足仪器正常维护条件下，MTBF≥25000小时。

⑤测量范围：一般为10m，必要时可扩展为40m；水位变率：0～40cm/min。

（5）水位传感器与站房间的传输
水位传感器与站房间的可靠传输参照雨量观测场与站房间的可靠传输的技术要求。

2.3 水文测验关键设备
2.3.1 雨量、水位观测关键设备
2.3.1.1 翻斗式自记雨量计
主要技术指标
①承水口内径：Ф200+80+0.6mm；
②刃口角度：45°～50°；
③雨强测量范围：0～4mm/min；
④分辨率：0.2、0.5；
⑤传感器环境温度：0℃～+50℃；
⑥传感器环境湿度：当40℃时，≥95%RH；
⑦平均无故障工作时间：25000h
2.3.1.2 水位计
水位计有浮子式、压力式、超声波、激光式、雷达式、气泡式等几种类型，根据水位观测要求和当地条件选取合适的水位计。

（1）浮子式水位计
①技术指标
量程：分10m，20m，40m等。

精度：分辨率1.0cm，变幅不超过10m时，95％测点允许误差±2cm，99％测点允许误差不超过±3cm.
浮子式水位计的输出有并行输出和串行输出两类。

并行输出又分为接点和电平输出两种。

输出码型有BCD码和格雷码两类；串行输出都采用RS-485接口标准。

并行接点输出的水位计不需供电，其他类型都需供电，供电电压一般为12V±10%。

②适用范围
含沙量相对较小，适合建水位自记井的测站。

（2）压阻式压力水位计
①基本原理
压力敏感元件为硅应变片，其输出方式有4－20mA的模拟方式和串行数字输出方式两类
从测量结构原理上看，探头内都有压力敏感元件和信号放大器，敏感元件在满量程时有几十毫伏的差压输出，经高性能放大器后达到伏级电压输出。

再由V/I转换变为4－20mA模拟输出。

而串行数字输出者则在放大器输出后直接进行A/D转换，由MCU控制转为串行数字输出。

此类水位计均有温度补偿措施。

敏感元件和电路设计对测量分辨力和测量精度有相当大的影响。

设计选型时应特别注意不同型号压力水位计的精度，特别是长期稳定性。

同时还应注意上电到工作稳定的响应时间。

不同型号的压力式水位计实际技术性能差别很大。

②技术指标
目前国产串行数字压力式水位计精度可达0.5‰F.S，分辨率为0.1‰F.S，年漂移为0.1‰F.S，供电电压12～24V，3MA。

（模拟输出的水位计精度大体在1-5‰F.S光景，年漂移情况视内部有无温度补偿措施而存在明显差别。

）
③适用范围
建水位自记井困难的测站可以采用。

（3）弦振式压力水位计
①基本原理
弦振式压力水位计敏感元件是探头内的钢弦，将它投入水中，当用扫频信号激励之后，产生以其固有频率的衰减振荡，振荡频率随压力不同而变化，将此信号放大后用精密的频率读取方法测得频率值，同时测量探头所处地点的温度值，再按探头压力与频率和温度的关系公式换算得到压力值，从而测得水位高度。

②技术指标
弦振式压力水位计测量精度为0.1％F.S，分辨率为0.025％F.S。

③适用范围
建水位自记井困难的测站可以采用。

（4）气泡压力式水位计
①基本原理
压力传感器采用高精度和高稳定度的石英数字压力传感器，它能将气压即测点处的静水压力，转换成频率信号，其灵敏度为4000计数／m。

其理论分辨率为：1计数／0.00025m水头。

②技术指标
测量范围：0～14m；
分辨率：0.35cm;
水位变率：0～40cm/min；
传感器误差：满量程的0.5‰；
水位误差：14m变幅内95%测点误差：±≤2cm；99%测点误差：±≤3cm；
数据接口：RS-232/485;
电源电压：12V±10%.DC，静态值守电流﹤0.5mA，工作电流﹤100mA；
工作温度：0～+50℃；湿度：93RH(40℃)；
③适用范围
建水位自记井困难的测站可以采用。

（5）超声波水位计
①基本原理：
水位测量中的超声波水位计都采用非接触方式，由测定传感器发出的超声波经水面反射返回到传感器时间间隔换算得到传感器到水面的距离，由于传感器的安装高程已知，从而得知水位高度。

超声波水位计的输出分4－20mA的模拟输出和串行数字输出两种，前者尚需经过A/D转换才能获得数字量，后者一
般设计为RS485串行接口。

②技术指标
量程：按测量水位变幅常用的分为10m，20m以及60m等。

精度：0.25％F.S。

③适用范围
超声波液介式水位计的适用范围同压力式水位计；超声波气介式水位计适用于含沙量大，无法建水位自记井的测站。

（6）激光水位计
①工作原理
依据固定于水面上方固定高度之托架上的仪器发出激光束至水面上反射到仪器的时间间隔测定水位，其工作原理与非接触式超声波水位计相类似。

由于激光的波长远小于超声波，因而其测量分辨力和精度都较超声波水位计为高，可测到mm级水位变化。

为保证激光反射的可靠性，测量时需在水下安装一筒形框架，其内放一浮在水面的激光反射体。

②技术指标
量程：0.3～30m
测量精度：≤±5mm
分辨率：0.1mm
数据输出：串行RS485接口
③适用范围：
建水位自记井困难的测站可以采用。

（7）电子水尺
①基本原理
每一电子水尺单元上电极按1cm间隔分布，每一水尺单元量程视其上电极区分，可分为1m或1.5m，由多个单元串接可构成大量程电子水尺。

电子水尺
紧固于直立于水中的立柱上，工作中电信号扫描探测水位淹没水尺上的电极数，即可测得水位高度。

②技术指标
量程：取决于串接单元数
测量精度：±1cm
分辨率：1cm
适用范围：
含沙量高的河道可以采用。

（8）雷达水位计
①基本原理
依据固定于水面上方固定高度之托架上的仪器发出雷达波束至水面上反射到仪器的时间间隔测定水位，其工作原理与非接触式超声波水位计相类似。

由于雷达传播不受空气介质组份、浓度、压力、温度等影响，只与被测介质介电常数有关，雷达水位计具有安装、维护方便，相互替换性好等优点。

雷达水位计分低频和高频，低频为6GHz脉冲雷达和10GHz的连续调频波雷达，高频主要指26GHz和24GHz。

与低频率雷达相比，高频率雷达水位计目前已成为市场上的主流产品。

②技术指标
分辨率：1mm
测量精度：5mm
测量范围：0~30米，0～70米
功耗： 15mA
工作范围：-30℃~70℃，0～95%
工作频率：6/10/24/26GHz
2.3.2 记录仪器固态存储
记录仪器应具备固态存储功能，可采用RTU存储或传感器存储方式。

（1）主要功能
①自动数据存储
设定时间间隔的雨量和水位数据存储记录。

②数据读取
可用PDA、平板电脑或便携计算机现场读取固态存储数据。

可在分中心实现远程数据下载。

（2）技术指标
存储容量≥l28Kb，输出数据应满足水文资料整编格式要求。

三、水情报汛通信设计
水情报汛通信设计的任务是通过构建报汛通信网，使地域上分散的报汛站点所采集的各类水情信息，水文人员依托各类测验设施设备、采用各种测验方法取得的流量、泥沙和水库、闸门启闭等信息，实现准确、及时地传输到水情分中心。

3.1 设计目标和原则
3.1.1 设计目标
遵照国家防汛抗旱指挥系统二期工程确定的“20分钟之内完成全国中央报汛站水情信息采集任务”的要求，水情报汛通信设计应实现中央报汛站的水情信息在15分钟之内准确传到水情分中心的目标。

3.1.2 设计原则
水情报汛通信设计必须遵循以下主要原则：
（1）先进性
中央报汛站的雨量、水位（含闸位）信息要实现自动采集、固态存储，并以数字通信方式自动传送到分中心；流量、泥沙等其他信息则通过各种手段测验后通过人工臵数方式实现数字化传输。

报汛站的双信道要实现自动切换互为备份，保证系统具有高的畅通率、较强的生命力和先进性。

（2）实用性
报汛通信设计要从我国国情和水文工作的实际出发，水情报汛的信息资料应可用于水文资料整编；每个分中心报汛通信网设计，必须选择多个方案，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、质量、投资、运行和管理等多个方面，经过对比分析后确定具体建设方案。