灌區量水信息采集系統設計

洪小珺 袁 媛，2 張國文，2

1中鐵水利水電規劃設計集團有限公司 江西省南昌市 330029

2中鐵水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 引言

水作為“生命之源，生態之基，生產之要”，長久以來人們認為水是天之所賜，用之自然，隨著社會的發展，水資源作為人類生存和發展最重要的資源，引起了社會的高度重視。我國每個人的平均水資源占有量僅有2500 m3，水資源十分貧乏，僅為世界人均水資源占有量的四分之一。節約用水，實行最嚴格的水資源管理制度是當今我國的重要國策之一，對灌區而言，加強水管理，抓好量水已經是擺在面前的迫切任務，其必要性和意義表現為以下幾點：

（1）灌區量水已成為灌區水資源優化配置基礎

隨著社會的不斷進步、國民經濟的飛速發展，人們對生態環境的要求逐漸提高，人類社會活動中用水的矛盾也越來越突出。與此同時，隨著人們對水資源的需求與日俱增，開發利用水資源的成本也在快速增加。因此，必須加大對水資源利用的有效地監，保障水資源的合理利用。對灌區而言，特別是用水數量和量水精度管理要求也越來越高。而要做到這些，就必須依賴于灌區量水提供基礎數據［1］。灌區量水信息采集系統已成為提高灌區現代化管理水平和優化配置水資源的有效手段。

（2）量水是灌區推進節水農業的重要手段

水資源緊缺將成為推行節水農業必然的選擇。準確測定灌區各級渠道流量、渠道的輸水損失以及用戶的用水量，是灌區現代化節水改造的重要依據，同時根據所采集的量水信息數據，可以統計出灌溉效率，從而為加強田間用水管理、減少水量浪費和準確評價各種措施的合理性提供技術支撐，推動節水農業的不斷深入。

（3）量水是發揮灌溉工程綜合效益的有效手段

根據對不同地區以及不同作物的各成長階段合理配置水資源和水量，特別是根據灌區各用水戶的實時用水需求，開展動態科學的用水優化調度，必須要有用水量的詳細信息數據作為支撐。因此，灌區量水采集是科學管理、合理調度灌溉用水，發揮灌溉工程綜合效益的有效手段。

1 建設目標

根據灌區量水實際需求，按照“總體規劃、分步實施，建管科學，效益優先”的原則，以總干渠供水渠道為重點，工程措施與非工程措施相結合，配套完善量水設施，采用水工建筑物量水、堰槽量水、雷達波明渠流量計、雷達式水位計、電子水尺等自動化量水方式，實現各干渠主要進水閘、節制閘、分水口，各縣、鄉鎮交界處等重點流量的精準及實時在線監測，同時探索小型渠道量水新方法和技術，讓灌區“進、出水賬明白”“用水計費透明”，對干渠主要水閘配套建設閘位信息自動采集，實時掌握閘位信息，了解灌區輸水、調水情況，提高灌區用水管理及配水調度水平，為灌區水資源的優化配置提供技術支撐和決策支持［2］。

（1）實現實時量水：渠道流量是關于時間變化的，用水量更是瞬時流量關于時間的累積，傳統人工水位流量關系量水是間歇性的，取平均值計算，不能夠真實反映實際情況，本次設計目標需要在線實時量水，在桌面或移動終端能夠實時監測流量變化過程和時段累積流量。

（2）實現精確量水：傳統量水方法受多種因素制約，只能稱之為流量估算，準確度低，誤差20%往往都難以保證，不能作為水費計收依據，本次設計目標量水控制在10%范圍之內。

（3）實現多點量水：灌區全面量水受資金投入限制，難度較大，適當控制量測范圍，抓住要點，控制性斷面做到準確量水，滿足灌區水量宏觀調配控制。

（4）實現可靠量水：可靠性及連續性是灌區量水的關鍵，灌區量水要能夠提供連續可靠的流量數據為水量調度，灌區管理即水費計收提供有效服務。

2 信息采集系統設計

2.1 信息采集站

灌區信息采集的目標是各個站點的流量信息，但明渠流量一般難以直接得到，根據不同的量水方法，需要采集水位、流速、閘門開度、斷面尺寸和流速系數、流量系數等信息。

本次設計實時動態信息全部采用自動化采集方式，底層傳感器將參數信息變換成標準信號，接入信號采集器（嵌入式系統）或RTU變成計算機能夠識別和接受的數據信息，再通過通信模塊將這些數據信號傳送給信息中心數據庫。

信息采集通信傳輸設計主要設備包括RTU、各類傳感器（水位計、明渠流量計、明渠量水裝置）傳輸、GSM/GPRS/CDMA通信模塊、太陽能電池板、蓄電池等組成。如圖1所示。

圖1 信息采集通信設計圖

灌水時可以根據實際情況采用不同的數據采集工作方式，主要有自報式、應答式、自報/應答兼容式三種工作方式。

（1）自報式

自報式的自動測報系統指監測站在水位發生變化時，其被測參量達到規定的增量變化時，測量站自動采集信息數據并進行存儲，同時把監測到的數據向控制中心發送。

自報式監測設備采集到的信息數據自動向中心站進行單向的發送，數據只進行單向傳輸，即中心站只接收監測設備發來的數據，而不向監測設備發送信令信號。因此，自報式監測站系統結構簡單，可靠性高、功耗低、抗干擾性能強，具有運行可靠和系統安裝維護容易等優點，適合長期無人值守的野外使用。缺點是信號發送是隨機的，在監測數據數量很多時，容易發生信號的碰撞。

（2）應答式

應答式的自動測報系統指當監測站監測數據有變化時，會自動采集、記錄、存儲這些數據，但不主動向中心站發送數據，只在接收到控制中心的檢測命令后，才將存儲的當前數據發送給中心站［3］。

應答式自動測報系統結構比較復雜，其信道是雙向的，采集到的數據既要向上傳輸，而且還要接收中心站向下發送的信令信號。應答式自動測報系統會將采集的數據暫時保存在設備中，在收到中心站發送來的信號后再向上發送數據。應答式自動測報系統功耗較大，不適合長期無人值守的野外監測站。應答式自動測報系統由于收發雙方有信令信號聯系，比較靈活，可以按照指令發送采集的數據，數據傳輸不會產生錯誤。

（3）自報應答兼容式

自報應答兼容式既可實時上報監測數據，又可隨時響應中心站向下發送的信令信號，具有自報式和應答式兩種工作方式的特點，但設備更為復雜，功耗也更大。

根據以上分析比較，從系統供電、可靠性及維護等因素綜合考慮，選擇相適應的工作方式。地理位置復雜，供電條件和交通都不便的地點，選擇簡單和省電的自報式；對用戶有特殊要求，需隨時了解采集信息數據的監測站，采用自報應答兼容式。灌區量水信息采集在正常工作狀態下，可按1～2小時間隔采集數據。突發應急狀態時，采集頻次可臨時調整，縮短采集間隔時間。固定量水信息采集不能滿足需要時，可安裝移動監測點，對量水信息進行動態跟蹤監測?？傊?，量水信息系統應在保證系統可靠的基礎上，力求省電、簡單，使其發揮有效的社會效益和經濟效益。

2.2 信息傳輸系統設計

采集的信息數據通過通信模塊傳輸至數據中心數據庫。

監測站點采集信息的傳輸方式有很多：光纖、超短波、衛星、GSM、GPRS以及物聯網等，不同的通信方式適用于不同的應用場合，和距離、帶寬、環境條件及投資都有關系。

（1）超短波

超短波頻段一般在30MHz～3000MHz。在水利數據監測系統中，實時實測信息數據通過監測終端機（RTU），經過編碼處理，制成射頻載波并進行功率放大后發射到中繼站接收。中繼站對接收到射頻信號后解調成數字信號，經糾錯編碼、數據再生等處理后再發送到中心站。中心站將接收到的信號進行解調、譯碼，由前置計算機傳送到主計算機系統［4］。

（2）衛星傳輸

對于移動通信信號覆蓋不到的地點，采用衛星通信，是一種行之有效的辦法。衛星通信適用于地形復雜、偏遠區域的通信，具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠等優點。缺點是價格較貴，衛星終端設備、使用和運行維護成本較高。

（3）GSM移動通信信道

利用GSM手機的短信息功能傳送水利數據或其他短數據，不須自建通信網絡，站點之間的傳輸信號不易相互干擾，而且設備耗電省，費用低。

（4）GPRS通用無線分組業務

GPRS網絡是基于現有的GSM網絡來實現的。具有實時性強、傳輸可靠性高、傳輸范圍廣、傳輸功耗小和成本低等優點，可遠程控制各監測點設備，野外的供電環境要求低。

綜上所述，選擇時應根據建設成本、環境條件和運行費用進行綜合考慮，確定和選擇適合的組網方式。根據項目站點分散，距離較遠，環境復雜，視頻信號轉換成定時照片信號傳輸帶寬要求不高等多種因素，選擇相應的傳輸方案。

3 結束語

在深入調查灌區量測水等水利基礎設施建設情況的基礎上，根據管理體制及特點，結合部門機構設置情況，采用云計算、大數據等高新信息化技術，高起點搭建項目框架，設計支持整體業務的量測水信息化系統，選擇信息采集設備和技術架構方案，制定保障制度體系運行維護措施等，保證系統的擴展性和兼容性，為業務系統的功能升級、技術更新留有余地，從而促進灌區管理和服務水平登上新臺階。