塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)方案探討

何文華，郭 峰

（新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000）

塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)方案探討

何文華，郭 峰

（新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000）

水情自動采集系統(tǒng)的推廣使用，可提高水資源管理工作的效率。闡述塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)的必要性，介紹水情自動采集系統(tǒng)的組成，從水位計、通信方式、數(shù)據(jù)存儲方式 3 個方面進行分析比選，確定塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)采用雷達(dá)水位計、GPRS 通信、數(shù)據(jù)集中存儲建設(shè)的最優(yōu)方案。

流域；水資源管理；水情；自動采集；通信；數(shù)據(jù)

為適應(yīng)塔里木河流域水資源管理工作的發(fā)展，近些年，塔里木河流域管理局對流域水情測報的要求也越來越高，對提供的水位信息要求實時、準(zhǔn)確。為滿足這一要求，塔里木河流域水情信息采集已逐步由傳統(tǒng)的人工觀測方式向自動采集和傳輸方向發(fā)展。為適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變，塔里木河流域管理局進行了水情自動采集系統(tǒng)的建設(shè)。

1 流域水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)的必要性

塔里木河流域具有自然資源豐富和生態(tài)環(huán)境脆弱的雙重性特征，對流域進行綜合治理，進行水資源管理和水量統(tǒng)一調(diào)度是維護自然資源、保護生態(tài)環(huán)境的重要手段。

加強和完善水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)是保證流域水資源管理和水量統(tǒng)一調(diào)度的前提。目前塔里木河流域水資源管理所需水情信息主要來源于新疆自治區(qū)水文局新建和改建的 28 處水文監(jiān)測站點，對涉及有關(guān)地方和兵團分水、源流向干流輸水的重要水量控制斷面進行監(jiān)測和監(jiān)督。近些年，隨著水資源管理工作的進一步深化和國家“三條紅線”水量控制指標(biāo)任務(wù)的分解，要求加強流域范圍內(nèi)各級引水口實際引水量的監(jiān)測。鑒于塔里木河流域地域廣袤，交通不便，為使水量調(diào)配者可以在遠(yuǎn)方的調(diào)度中心實時接收相關(guān)的水量信息，并根據(jù)河流來水和灌溉用水情況快速編制出調(diào)度方案，及時下達(dá)調(diào)度指令，提高工作效率，建設(shè)流域水情自動采集系統(tǒng)是十分必要的。

2 流域水情自動采集系統(tǒng)的組成

塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)由現(xiàn)地采集終端及控制中心組成。

2.1 現(xiàn)地采集終端

現(xiàn)地采集終端主要完成水情數(shù)據(jù)的自動采集和存儲，并向控制中心傳送數(shù)據(jù)，主要由水位計和采集終端組成。塔里木河流域管理局近幾年使用較多的水位計為超聲波和雷達(dá)式水位計。采集終端是以單片機為核心的數(shù)據(jù)測控裝置，是一個單片機系統(tǒng)，由單片機，以及接口、控制、時鐘、輸出等電路組成，單片機通過接口電路讀取傳感器數(shù)據(jù)（水位或雨量等），然后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、編碼、調(diào)制，進而通過控制電路輸出。采集時間間隔可通過接口電路的設(shè)置進行調(diào)整[1]。

2.2 控制中心

控制中心由用于數(shù)據(jù)接收的通信模塊、計算機及相關(guān)的水情自動采集系統(tǒng)管理軟件組成。將通信模塊接收到的各數(shù)據(jù)采集終端的水情數(shù)據(jù)送入計算機，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析。計算機內(nèi)建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行存儲和管理。水情自動采集系統(tǒng)軟件采用全中文操作界面，完成水情信息的數(shù)據(jù)查詢、分析、打印及實時數(shù)據(jù)采集等功能[2]。

3 流域水情自動采集系統(tǒng)建設(shè)的方案

3.1 水位計的比選

3.1.1 超聲波水位計

超聲波水位計是非接觸式的水位監(jiān)測設(shè)備，將超聲波發(fā)射裝置固定在離水面一定高度的位置上，依靠其定時向水面發(fā)射超聲波信號，然后接收水面的反射波，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度和往返所需的時間計算探頭到水面的距離，換算出水面的高度值。

超聲波水位計的優(yōu)點在于量程比較大，安裝比較方便，測量精度較高；缺點是在室外情況下，超聲波容易受環(huán)境溫、濕度及空氣流動等因素的影響，偶爾會出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)偏差較大的現(xiàn)象。

3.1.2 雷達(dá)水位計

雷達(dá)水位計是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備。通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進行照射并接收其回波，由此獲得水位水流至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。

與超聲波水位計比較，雷達(dá)水位計具有在室外的適應(yīng)性好，不受溫度和天氣的影響，抗干擾能力強，精度高等優(yōu)點；同時雷達(dá)水位計可以在比較高的溫度環(huán)境下使用，而超聲波水位計環(huán)境溫度一般不能超過 80℃。

塔里木河流域地處中緯度歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，是典型的大陸性氣候區(qū)，屬大陸性暖溫干旱氣候。流域氣候特點是干燥少雨，蒸發(fā)強烈，四季氣候懸殊，溫差大；夏季氣溫高，日照長，多雷陣雨和冰雹；冬季氣候寒冷多晴天，極端最低溫度-30.9℃。塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)多建設(shè)在野外，冬夏溫差較大，受浮塵、冰雹天氣環(huán)境的影響也較大，且采集系統(tǒng)大多建設(shè)在樞紐閘門的后面，水流急，浪涌大。經(jīng)多年的使用和對比，認(rèn)為雷達(dá)水位計更適合流域水情自動采集系統(tǒng)。

3.2 通信方式的比選

由于數(shù)據(jù)采集終端一般在野外工作，且分布面廣，因此通信方式的選擇對整個自動采集系統(tǒng)的可靠性起著關(guān)鍵性作用。

3.2.1 超短波通信

超短波通信是比較傳統(tǒng)的通信方式，優(yōu)點在于信號傳輸比較穩(wěn)定，質(zhì)量較好，具有一定的繞射能力，是我國目前應(yīng)用最多、技術(shù)上也比較成熟的通信方式，但屬于視距傳輸，且受地形限制，在山地通信時需要設(shè)置中繼站，成本會增加。

3.2.2 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信的傳輸質(zhì)量好，傳輸距離不受限制，覆蓋面積大，受地形、氣候的影響小，組網(wǎng)靈活，但目前運行費用偏高。

3.2.3 GPRS 通信

GPRS 是在 GSM 系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分組數(shù)據(jù)承載和傳輸業(yè)務(wù)，能有效利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適用于間歇、非周期、少量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，傳輸速率高，資源利用率高，接入時間短，永遠(yuǎn)在線，支持 IP 協(xié)議；同時由于利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，用戶無需另外組網(wǎng)，所以節(jié)省了昂貴的組建網(wǎng)和維護費用，且對用戶的數(shù)量沒有任何限制[3]。

塔里木河流域在近幾年的水情數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)建設(shè)中，分別使用過衛(wèi)星、超短波及 GPRS 等通信模式。但鑒于流域特殊的地理環(huán)境，浮塵天氣對衛(wèi)星通信會產(chǎn)生一定的影響；流域體制改革后，水資源管理要求全流域加強水情數(shù)據(jù)監(jiān)測，但流域面積較廣，監(jiān)測點較多，受成本和運行費用的限制，也逐漸減少、限制了超短波和衛(wèi)星通信的使用。通過對比，發(fā)現(xiàn) GPRS 通信更適應(yīng)塔里木河流域的水情自動采集傳輸；流域水情數(shù)據(jù)傳輸頻率低，數(shù)據(jù)信息量小，但實時性較高，GPRS 通信方式最為可以滿足。因此選擇 GPRS 通信作為塔里木河流域水情自動采集系統(tǒng)的通信方式。

3.3 數(shù)據(jù)存儲方式的比選

2000—2010年期間，塔里木河流域內(nèi)各流域管理單位，包括葉兒羌河、和田河和阿克蘇河等流域管理局及巴州水管處結(jié)合各自的業(yè)務(wù)工作建設(shè)了部分用于水位水量監(jiān)測的水情自動采集系統(tǒng)，分別完成了各自管理范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲和應(yīng)用。但是在系統(tǒng)的運行中發(fā)現(xiàn)，由于缺乏運行維護資金的籌措渠道，系統(tǒng)建設(shè)點多線長缺乏長遠(yuǎn)規(guī)劃，缺乏專業(yè)人員的維護，導(dǎo)致各自系統(tǒng)運行受阻甚至癱瘓。

2011年新疆整合兼并塔里木河主要源流管理機構(gòu)，即將源流葉爾羌河、和田河、阿克蘇河等流域的管理局及具有流域水資源管理職能的巴州水管處等四源流流域管理機構(gòu)，整建制移交給塔里木河流域管理局管理，這標(biāo)志著流域在統(tǒng)一管理方面取得了重大進展。體制改革后，為充分利用塔里木河流域管理局的優(yōu)勢，實現(xiàn)信息資源和人才資源的共享，進一步提高全流域水情自動采集系統(tǒng)的建設(shè)和運行管理水平，經(jīng)過充分調(diào)研和設(shè)計后，認(rèn)為數(shù)據(jù)的集中存儲將更加適應(yīng)塔里木河流域水資源管理新體制的發(fā)展。

2015年，在充分調(diào)研和設(shè)計的基礎(chǔ)上，塔里木河流域管理局確定建設(shè)流域數(shù)據(jù)資源管理平臺。數(shù)據(jù)資源管理平臺遵循國家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合塔河流域已建標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化體系，對所需的全部數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一的存儲、管理和維護，為塔里木河流域水量調(diào)度信息化的各類業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的信息數(shù)據(jù)資源管理及訪問平臺。數(shù)據(jù)資源管理平臺建設(shè)完成后，5 個流域管理局及 1 個水庫管理局的所有水情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)將集中存儲在塔里木河流域管理局，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理和應(yīng)用。

與以往的數(shù)據(jù)分散存儲對比，此次數(shù)據(jù)資源管理平臺主要針對工程各業(yè)務(wù)工作流程的特點，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，通過采用成熟的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存儲和處理等技術(shù)，建立分布式網(wǎng)絡(luò)存儲管理體系，滿足海量數(shù)據(jù)的存儲管理要求，通過采用備份等容災(zāi)技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的安全性，整合系統(tǒng)資源，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性，并形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲與交換和共享訪問機制，為統(tǒng)一應(yīng)用平臺建設(shè)等應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐。此平臺的建設(shè)，減少了流域各源流管理局?jǐn)?shù)據(jù)管理設(shè)備、人員的投入，減少了相應(yīng)的運行維護費用。同時，數(shù)據(jù)管理平臺的建設(shè)，將為今后流域數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用提供較為穩(wěn)固的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。

4 結(jié)語

在不斷的實踐和應(yīng)用中，塔里木河流域管理局總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，選擇最適應(yīng)當(dāng)前流域水資源管理模式的水情自動采集系統(tǒng)的最優(yōu)建設(shè)方案，可提高流域水資源管理的效率。但隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，自動采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通訊及存儲技術(shù)都將不斷的發(fā)展和進步。塔里木河流域管理局將在不斷的建設(shè)與應(yīng)用中總結(jié)經(jīng)驗，對系統(tǒng)不斷進行完善和改進，以期達(dá)到最優(yōu)效果。

[1] 王旭東，路軍，馬毓瀟. 墑情監(jiān)測及節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督，2006 (2): 38-39.

[2] 王暄. 庫塔東干渠工程水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督，2010 (6): 58-61.

[3] 劉裕偉，劉景彬，姜懷璽. GPRS 技術(shù)在供水測控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督，2010 (4): 49-52.

Discussion of Hydrological Automatic Acquisition System of Tarim River Basin

HE Wenhua, GUO Feng

(Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau, Korla 841000, China)

Promotion and application of hydrological automatic acquisition system can improve the efficiency of water resource management. The article expounds the necessity of automatic acquisition system construction in Tarim River Basin, introduces the composition of hydrological automatic acquisition system, analyzes and selects from 3 aspects of the water level meter, communication mode and data storage mode, determines the optimal scheme of radar lever meter, GPRS communication, data centralized storage construction of hydrological automatic acquisition system in Tarim River basin

river basin; water resources management; water; automatic acquisition; communication; data acquisition

TV21；TP391.1

A

1674-9405(2015)04-0070-03

2015-03-18

何文華（1983－），女，四川蓬安人，工程師， 從事水利信息化工作。