石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)與實(shí)踐

何建新，李樹軍

(河北省石家莊水文水資源勘測局，河北石家莊050051)

1 基本情況

石家莊市位于河北省中南部，地處太行山東麓，華北平原西緣，東經(jīng)113°30 ˊ ～115°29 ˊ，北緯 37°27 ˊ ～38°45 ˊ之間。東鄰衡水市，南部與邢臺市毗鄰，西部與山西省接壤，北部與保定市交界。全市南北長148 km，東西寬172 km，總面積14 077 km2。石家莊市地處中緯度歐亞大陸的東岸，屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，多年平均年降水量538.3 mm，年均可開發(fā)利用的水資源總量22.4億m3，人均占有水資源量238 m3，現(xiàn)狀年均用水量約32億m3，年均缺水10億m3左右。［1］石家莊市當(dāng)前面臨的水資源問題，主要體現(xiàn)在三個方面:一是水供需矛盾突出，二是水污染形勢嚴(yán)峻，三是水生態(tài)環(huán)境安全面臨嚴(yán)重威脅。水資源問題已在較大程度上影響了本市經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，成為本市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個重要制約因素。

2 建設(shè)必要性

目前，國內(nèi)在地下水水位測量方面主要采用現(xiàn)場手工放線和一些簡單現(xiàn)場儀器測量，無論是在設(shè)備上，還是在技術(shù)方法上都較落后.這些方法勞動強(qiáng)度大、工作效率低、測試精度不高［2］;傳統(tǒng)的水表計量精度無法滿足計量要求，在收費(fèi)方面，人工抄表方法落后，差錯率和人為誤差高，抄表周期長，致使總表與分表數(shù)據(jù)相差較大，水量丟失嚴(yán)重，并且不具備控制手段［3］;特別伴隨著電子計算機(jī)技術(shù)、通信信息技術(shù)的快速發(fā)展，正深刻改變著人類的生存方式，信息化水平已成為現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志，信息資源已成為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的戰(zhàn)略資源。石家莊市是河北省省會，具有政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教、人才、信息等諸多優(yōu)勢，但水資源短缺、水環(huán)境惡劣等問題已在較大程度上影響了石家莊市經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，成為石家莊社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個制約因素，應(yīng)著力在水資源綜合規(guī)劃、完善水資源監(jiān)測體系和加快信息化建設(shè)上下功夫，在推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)和提高信息化管理水平中，需建設(shè)一套技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定的水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。

3 建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)和完善以城市水資源、供水、取用水、排水與水環(huán)境監(jiān)測設(shè)施為基礎(chǔ)，通訊系統(tǒng)為保障，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托，決策支持系統(tǒng)為核心，遠(yuǎn)程控制為手段的石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。按照石家莊市“1+4”組團(tuán)式城市布局，并能更科學(xué)、準(zhǔn)確、全面地了解全市地下水位動態(tài)情況，對“1市4縣”(即石家莊市區(qū)、處于環(huán)省會城鎮(zhèn)密集區(qū)的正定、藁城、欒城、鹿泉4個縣(市))水資源信息(用水量、地下水位、降雨量、排污量等)，以及對地下水位重要監(jiān)測點(diǎn)的地下水位信息進(jìn)行實(shí)時計量監(jiān)控，準(zhǔn)確及時掌握、評價水資源狀況，正確提供水資源合理開發(fā)利用、可持續(xù)發(fā)展決策支持等。

石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)包括石家莊市水資源監(jiān)控中心、4個縣級分中心、455個(新建130個、改造325個)自備井用水量實(shí)時監(jiān)測點(diǎn)、地下水位實(shí)時監(jiān)測點(diǎn)93個(新建68個，改造25個)、4個污水排放監(jiān)測點(diǎn)的建設(shè)、原有監(jiān)測系統(tǒng)的改造等;采用地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺、構(gòu)建覆蓋全市區(qū)的網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng);利用GPRS信道，實(shí)現(xiàn)水資源信息遠(yuǎn)程在線傳輸。［4］

圖1 石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)功能概要圖

3.1 水資源信息采集

3.1.1 用水量實(shí)時采集

通過安裝在用水輸水管線關(guān)鍵點(diǎn)上的儀表對用水量進(jìn)行不間斷計量監(jiān)測，準(zhǔn)確、及時計量用水戶的用水量。小口徑(口徑≤150 mm)的自備井水量計量采用遠(yuǎn)傳水表。遠(yuǎn)傳水表抗干擾性強(qiáng)，使用壽命大于5年;具有水表字輪顯示讀數(shù)功能;工作環(huán)境溫度:－10℃ ～+50℃;度盤字輪不受水質(zhì)影響，顯示量程大、精度高，讀數(shù)永久清晰。大口徑的自備井水量計量采用內(nèi)插式超聲波流量計。內(nèi)插式超聲波流量計適用鋼、鑄鐵、玻璃鋼、PVC等管道材料;可測流速、體積流量和累積流量;精度達(dá)讀數(shù)的1%～2%;測量不阻礙介質(zhì)流動，不會帶來壓損和污染;工作環(huán)境溫度:－20～+80℃。

3.1.2 地下水位實(shí)時采集

地下水位的變化是評價水資源的一個重要指標(biāo)，準(zhǔn)確掌握地下水位的變化，是合理制定地下水資源開發(fā)利用的重要依據(jù)。地下水位實(shí)時采集采用壓力傳感器，選用德魯克水位壓力傳感器。精度±0.1%FS;工作溫度為0～40℃;量程從0～10 m;帶內(nèi)部防雷保護(hù)，全密封17.5 mm直徑316不銹鋼結(jié)構(gòu)。

3.1.3 降水量實(shí)時采集

及時、準(zhǔn)確掌握降水量，是正確評價水資源，防洪減災(zāi)不可缺少的科學(xué)數(shù)據(jù)。降雨量采用翻斗式自記雨量計計量，本系統(tǒng)未建設(shè)雨量站，石家莊市氣象局建有較完整的雨量監(jiān)測站點(diǎn)，通過政府專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)降水量數(shù)據(jù)共享。

3.1.4 污水排放量實(shí)時采集

污水排放量是正確評價水資源利用率的重要指標(biāo)，國家嚴(yán)格控制各類企業(yè)的污水排放量。系統(tǒng)監(jiān)測石家莊市區(qū)3個排污口(2個管道出口、1個明渠出口)，污水排放量監(jiān)測采用多普勒超聲波流量儀，采用流速水位一體式超聲傳感，測量準(zhǔn)確、安裝容易、適應(yīng)面廣。

3.2 遠(yuǎn)程計量測控終端(RTU)

遠(yuǎn)程計量測控終端(RTU)，用于水量、地下水、污水排放量等水資源信息的監(jiān)測、存儲，并通過GPRS無線數(shù)傳通訊終端(DTU)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)傳數(shù)傳終端可靠性指標(biāo)(MTBF)＞10年;具有數(shù)據(jù)定時存儲功能，存儲量不小于2個月;具有隨機(jī)召測、定時自報功能;通過GPRS無線數(shù)傳通訊終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊功能(包括時間預(yù)置、實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)遙測等功能)。

3.3 GPRS通信信道

由于水資源信息采集點(diǎn)分布范圍廣并且分散，如果采用架設(shè)光纜來傳輸數(shù)據(jù)，投資成本大，不切實(shí)際。租用電信專線需要在野外鋪設(shè)多根電話線，難度也較大。所以來用無線傳輸方式是較為理想的選擇。無線通信的打式主要包括超短波(230 MHz)無線數(shù)傳、擴(kuò)頻、衛(wèi)星通信和GSM系統(tǒng)等。衛(wèi)星通信費(fèi)用昂貴，一般用在公網(wǎng)通信不方便地區(qū);擴(kuò)頻技術(shù)雖然傳輸速度高，但傳輸距離比較短;采用超短波數(shù)傳電臺具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、費(fèi)用用較低等特點(diǎn)，但系統(tǒng)容易受到外界干擾，通信速率較低，覆矗范圍也比較小。［5］

而GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，充分利用共享無線信息通道，采用IPOver PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠(yuǎn)程接入。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)160 Kbps。使用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送和接收，用戶永遠(yuǎn)在線且按流量計費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本?？傮w來說，具有數(shù)據(jù)傳輸快速準(zhǔn)確、實(shí)時在線、信號覆蓋面廣、按流量計費(fèi)、用戶投入成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用中國移動虛擬專用網(wǎng)VPN(Virtual Private Network)，數(shù)據(jù)傳輸使用內(nèi)網(wǎng)私有地址進(jìn)行通信，確保了穩(wěn)定性和實(shí)時性。

3.4 市級監(jiān)控中心

(1)具備水資源與水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集和數(shù)據(jù)可靠性在線分析功能。重點(diǎn)是對地表水、地下水的用排量、污染等有關(guān)水資源信息實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性的實(shí)時在線分析處理等。提供與各類監(jiān)測儀器銜接的數(shù)據(jù)采集接口，通過接口模塊動態(tài)收集監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，確保存入數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測資料的有效性、完整性和可靠性。

(2)對各種水資源水環(huán)境監(jiān)控項目的數(shù)據(jù)資料，具有監(jiān)測數(shù)據(jù)資料的輸入、存儲、整編、查詢與傳輸?shù)裙δ?，對水資源監(jiān)控數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合管理和處理，并實(shí)現(xiàn)綜合分析與輔助決策支持系統(tǒng)。

(3)將系統(tǒng)綜合分析與輔助決策的成果以實(shí)時報告(如水資源預(yù)報、企業(yè)排污超標(biāo)警報、水資源調(diào)配建議方案等)和多媒體報警信號(如大屏幕指示、聲光警報等)的形式進(jìn)行動態(tài)輸出，供決策部門進(jìn)行水資源配置和管理參考。

(4)對監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析處理。運(yùn)用模型庫中的相應(yīng)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行智能化的綜合分析，參照知識庫中的專家知識和有關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)程規(guī)范，形成水資源動態(tài)狀況的分析成果;并根據(jù)分析成果，產(chǎn)生輔助決策報告或直接發(fā)布控制指令。系統(tǒng)設(shè)計中有多庫協(xié)同器，能進(jìn)行各庫之間的協(xié)調(diào)。多庫協(xié)同器提供系統(tǒng)各庫的協(xié)同規(guī)劃、綜合調(diào)度、人機(jī)交互、資源共享、沖突仲裁和通信聯(lián)絡(luò)等處理功能。

4 結(jié)語

建設(shè)和完善以城市水資源、供水、取用水、排水與水環(huán)境監(jiān)測設(shè)施為基礎(chǔ)，通訊系統(tǒng)為保障，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托，決策支持系統(tǒng)為核心，遠(yuǎn)程控制為手段的石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水資源信息采集自動化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、管理數(shù)字化、決策科學(xué)化的目標(biāo);為實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，建立并實(shí)施水資源管理“三條紅線”、建設(shè)全面建設(shè)節(jié)水型社會、保障城市水安全提供了技術(shù)支持。

［1］王中華等.石家莊市第二次水資源評價報告［R］.2006年.

［2］閻長虹，張成元，許寶田等地下水水位自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研制［J］.水利水電科技進(jìn)展，2004年第2期.

［3］劉國鋒，龍林，關(guān)鐵榮.遠(yuǎn)傳水表在老區(qū)改造中的應(yīng)用探析［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2012年第3期.

［4］金江波，王福卿，韓永濤等 石家莊市水資源實(shí)時監(jiān)控與管理系統(tǒng)初步設(shè)計報告，2006年.

［5］胡勝利，萬晉軍.基于GPRS的地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.水利水電技術(shù)，2011年第1期.