數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式探究

賈 海

（河北省承德水文水資源勘測局 承德市 067000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對水資源利用提出更加便捷、高效的要求。水文水資源監(jiān)測站作為水文處理工作的最前沿，要積極地運用高新技術(shù)，以便更好地滿足大眾對于便捷高效水資源的需求，采用整體數(shù)字化的方式進(jìn)行信息的采集和分析代替以往的水資源要素人工監(jiān)測預(yù)報方式，促使數(shù)字化監(jiān)測模式和雨水情報工作能夠有機結(jié)合起來，在預(yù)測和分析水文情勢變化規(guī)律上有著非常顯著的成效。加快水文測報工作的現(xiàn)代化進(jìn)程，使水文水資源和水環(huán)境突發(fā)情況的監(jiān)測能力得到全方位的提升，從而使水文水資源的監(jiān)測工作能夠適應(yīng)和促進(jìn)社會經(jīng)濟的發(fā)展需要，提升服務(wù)的效率。

1 數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)概述

數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的主要構(gòu)成是傳感器、處理器以及通信模塊，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確高效地完成水文數(shù)據(jù)的實時采集、處理以及傳輸，為科學(xué)管理水資源和防汛抗旱工作提供數(shù)據(jù)保障。我國從20世紀(jì)70年代起開始對數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究，隨著當(dāng)前微電子技術(shù)、遙感技術(shù)和計算機技術(shù)的成熟普及，數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的功能也隨之完善，其應(yīng)用范圍也變得更加廣泛，對水情變化情況及趨勢的預(yù)測也更加準(zhǔn)確。有助于水利管理部們更好地預(yù)判水資源狀況，及時采取科學(xué)有效措施，保證用水安全，降低因為旱澇災(zāi)害造成的影響[1]。

2 數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)的是我國當(dāng)前已經(jīng)頒布的 《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》、《水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范》等一系列規(guī)范制度。除此之外，在設(shè)計過程中，要把提高監(jiān)測系統(tǒng)整體性能作為目標(biāo)，遵循以下原則：一是要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。由于水文監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器模塊安裝在自然環(huán)境中，因此需要對傳感器加裝保護(hù)裝置，盡可能避免傳感器受到惡劣天氣等外界因素造成的干擾。同時還要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證設(shè)備在無人看守的狀態(tài)下也能在惡劣天氣下完成對數(shù)據(jù)的采集工作，并且保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。二是要保證監(jiān)測系統(tǒng)的實用性。由于基層水文監(jiān)測站工作人員素質(zhì)參差不齊，因此，監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計上要盡可能地降低其操作難度，增加良好的人機界面，使數(shù)據(jù)的顯示更加直觀。為了方便基層工作人員操作管理，還需要為設(shè)備增加自我診斷功能。三是設(shè)備的經(jīng)濟性。只有嚴(yán)格控制住系統(tǒng)的造價，才能讓數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)能夠大范圍的推廣。因此在設(shè)計過程中不能過度追求技術(shù)的先進(jìn)性，應(yīng)以性價比最高的技術(shù)作為優(yōu)先選擇。

3 數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其功能

數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)是由主控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、實時時鐘電路、儲存器模塊、串口通信設(shè)計、電源模塊以及人機接口組成。其中最主要的組成部分是主控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊和通信模塊。

3.1 主控制器模塊

主控制器是數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)的核心，監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能都是由主控制器的性能決定。主控制器與其他模塊相互連接，完成對數(shù)據(jù)資料的分析處理和臨時儲存，把ADC/DAC技術(shù)集成到微型處理器上，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)量形式變換。例如，通過ADC技術(shù)放大信號，擴大微弱降雨量數(shù)據(jù)，使處理的精確度大大提高。在主控制器中整合多個I/O端口，便于系統(tǒng)進(jìn)行升級，同時還可以滿足后續(xù)的擴充需求和提高微處理器的使用壽命。

3.2 傳感器模塊

數(shù)據(jù)的采集是由傳感器設(shè)備完成，水文水資源系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的是水位傳感器和雨量傳感器。降雨量在水文計算中是一項非常重要的數(shù)據(jù)，通過對該地區(qū)的歷史降雨量進(jìn)行分析可以對未來的水情變化進(jìn)行推算和預(yù)測，并及時將數(shù)據(jù)提供給相關(guān)部門，以便更好地防范未來可能發(fā)生的旱澇災(zāi)害。雨量計是雨量傳感器的關(guān)鍵，其中比較常見的一般為容柵式雨量計、翻斗式雨量計以及虹吸式日記型雨量記，其中更為常用的是計算準(zhǔn)確且結(jié)構(gòu)簡單并具有較高穩(wěn)定性的翻斗式雨量記。水利行業(yè)中，農(nóng)田灌溉以及湖泊和水庫的管理都需要應(yīng)用到水位資料[2]。我國在以往很長時間內(nèi)都是由人工觀測水尺讀書進(jìn)行水位測量，當(dāng)前，例如激光水位計和浮子水位計等自動化水位傳感器已經(jīng)取代了這種傳統(tǒng)的測量方式。

3.3 電源模塊

由于水文系統(tǒng)終端大多設(shè)置在野外，如果為其架設(shè)專用電纜則會使成本大大增加，太陽能蓄電池能很好地解決這個問題。一般選擇密封鉛酸蓄電池，保證其可以在潮濕的環(huán)境下運行，同時要考慮其供電的持久性，為了使電能的消耗降低，通常采用將其分為常供電路與非常供電路的方法進(jìn)行分區(qū)管理。保證其即便長時間處于陰雨天氣中依然有足夠的電能供應(yīng)。

3.4 通信模塊

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬煞N方式分別是有線傳輸和無線傳輸，其中無線傳輸由于受惡劣環(huán)境以及地形的影響較小，通常將其作為水文監(jiān)測系統(tǒng)中的主要傳輸方式。在眾多的無線傳輸模塊種類中，當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的是具有成本低、兼容性好且數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點的GPRS通信方式。為了進(jìn)一步提高水文監(jiān)測系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性，還可以選擇使用GPRS DTU通信模塊，該模塊可以在 （-25～60）℃的環(huán)境下正常運行，同時還具備能耗低的優(yōu)點，可以極好地滿足水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和先進(jìn)性分析

水文監(jiān)測系統(tǒng)中，由于流量ADCP的監(jiān)測數(shù)據(jù)大，相關(guān)因子多，需要配合使用專業(yè)的分析軟件取得更好的分析結(jié)果，因此要使用現(xiàn)場計算機通過軟件對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并將處理后的流量結(jié)果存入至本地數(shù)據(jù)庫。由于人機對話原因以及處理能力的因素，數(shù)據(jù)采集儀不宜直接連接ADCP，最終結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行儲存，從技術(shù)上來看更加具有合理性。

水位采集的數(shù)據(jù)使用無線傳輸?shù)姆绞浇尤氲竭b測終端，再由終端數(shù)據(jù)輸出端口接入總線，在結(jié)構(gòu)上有更高的先進(jìn)性和合理性。

雨量、水溫、氣溫、蒸發(fā)、風(fēng)向風(fēng)速以及空氣濕度等信號的采集一般采用的是直接傳感器，再由轉(zhuǎn)接模塊接入總線，這種方式可以避免因為傳感器特點形成多個RTU采集，大大降低設(shè)備投資，從結(jié)構(gòu)上具備更強的先進(jìn)性和合理性。

由于視頻圖像見識數(shù)據(jù)大，并且獨立成為一個子系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)連接的方式與現(xiàn)場計算機組成B/S結(jié)構(gòu)，可以使監(jiān)控操作更加便捷。

考慮到電信費用的因素，在進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳時，無線傳輸一般只通過綜合數(shù)據(jù)采集儀對主要的水文數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行傳輸。從結(jié)構(gòu)上來看，數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)通過現(xiàn)場的工業(yè)總線TCP/IP以及RS485組網(wǎng)，從結(jié)構(gòu)形式上看更加接近分布式采集監(jiān)控系統(tǒng)，有較高的先進(jìn)性和合理性。

5 數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)主要是由氣象監(jiān)測儀、水文監(jiān)測儀、通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測信息數(shù)據(jù)中心等組成，本系統(tǒng)可以采集雨量、氣溫、濕度、蒸發(fā)量、風(fēng)向和風(fēng)速等水文氣象要素，并且自動將數(shù)據(jù)信息存入本地數(shù)據(jù)庫，同時為了方便之后進(jìn)行的數(shù)據(jù)查詢和結(jié)果輸出，系統(tǒng)還可采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程分中心進(jìn)行解碼以及保存工作。

6 數(shù)字化水文監(jiān)測系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要借助傳感器模塊，通信模塊以及主控制器模塊等模塊對降雨量、水位等資料進(jìn)行實時采集，并對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理后傳輸至地方水利局，相關(guān)管理人員對數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，并對是否需要采取應(yīng)急措施作出判斷。例如，某湖泊處于下游位置，水位低于警戒水位，此時水文監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到上有地區(qū)出現(xiàn)較大降水，為了避免發(fā)生洪澇災(zāi)害，水庫就需要及時開閘，預(yù)留一部分庫容來承接上游來水。系統(tǒng)還應(yīng)具有面向用戶的窗口，比如很多地方水利部門都設(shè)置建立了水文信息管理平臺，把水文信息管理平臺作為水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的擴充，有助于監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用率最大化。水文信息管理平臺還可以二次處理已經(jīng)上傳的水文資料，使其能夠達(dá)到便于工作人員日常管理應(yīng)用的目的。把實時的水文資料集合到平臺，使平臺具備信息查詢功能，可提供不同用戶查詢所需要的數(shù)據(jù)。平臺還應(yīng)該具備預(yù)警功能，有利于保障汛期安全，提高處理突發(fā)事件的效率。為加強平臺功能，平臺內(nèi)部還要包含以下幾個模塊：一是管理模塊。該模塊主要用于提高平臺安全性，其功能為支持用戶信息驗證以及記錄系統(tǒng)日志。二是基礎(chǔ)資料模塊。該模塊主要包含地方水庫、渠道以及測量點資料。三是綜合查詢功能。系統(tǒng)要具備查詢資料和打印資料的功能。四是DTU管理模塊，該模塊可以對下屬的其他設(shè)備發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對信息的添加、修改以及刪除等操作。最后，系統(tǒng)還需要具備發(fā)布信息的功能，技術(shù)人員依托網(wǎng)頁制作技術(shù)將水文信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，以便用戶可以及時的了解各地區(qū)的水文水資源情況。隨著當(dāng)前手機APP軟件逐漸成熟，水文水資源監(jiān)測APP也可以著手開發(fā)應(yīng)用，或者利用微信公眾號將水情狀況進(jìn)行公布，這些措施都可以大大提高水文數(shù)據(jù)的傳輸效率。

7 結(jié) 語

采用數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)，可以自動、快速地完成水文監(jiān)測站的大部分主要任務(wù)，同時由于數(shù)字信號具有容量大、傳輸速度快、抗干擾能力強，放大不失真，便于計算機操作處理等優(yōu)點，因此，在采集水位、雨量等信息數(shù)據(jù)的時候有著較高的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)傳輸也有較強的時效性。同時數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)的視頻監(jiān)視功能以及對現(xiàn)場的實時監(jiān)控都可以降低基層水文監(jiān)測人員的工作量，保障人生安全，提高工作效率。數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)采集的各項水文數(shù)據(jù)達(dá)到98%以上的準(zhǔn)確率，接受處理信息的誤碼率＜2%，在傳輸信息上的誤差率＜3%。設(shè)備儀器的完好率99%，傳輸信息的暢通率達(dá)到100%。

數(shù)字化水文水資源監(jiān)測系統(tǒng)可以有效地提高信息采集的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，使防汛抗旱的信息量大大增加，并將采集到的水情信息共享到互聯(lián)網(wǎng)，充分利用水情信息采集系統(tǒng)的數(shù)字化優(yōu)勢，為防汛抗旱的指揮調(diào)度提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)還可以利用互聯(lián)網(wǎng)向公眾發(fā)布實時的水情雨情信息，提高群眾防災(zāi)意識，降低旱澇災(zāi)害給人民群眾帶來的損失。

[1]楊薇.論數(shù)字化水文水資源監(jiān)測模式[J].工業(yè)C,2016,(02)：158-158，160.

[2]李東武.崔力超.JDZ-1型翻斗式雨量傳感器比測試驗分析[J].甘肅水利水電技術(shù),2008,(01)：19-20.