水雨情自動采集系統(tǒng)在水庫水文監(jiān)測中的應用

付金利

(河北省邢臺水文水資源勘測局，河北 威縣 054000)

在水庫的防汛過程中，水雨情一直是水文監(jiān)測的重點內(nèi)容。水庫的管理存在水庫分布較為分散、大多數(shù)水庫的位置都較為偏僻、其交通狀況也不夠便利等不利情況。同時，水庫的各類數(shù)據(jù)若不及時進行監(jiān)測，會對水庫的安全造成運行造成潛在的安全風險。原有水庫的管理大都依靠人工現(xiàn)場測量來完成，水庫的管理人員偏少也成為制約水庫安全監(jiān)測的重要因素。文章通過分析河北省邢臺市某水庫水雨情自動檢測系統(tǒng)的功能和應用，該系統(tǒng)可以有效發(fā)揮對水庫水雨情的自動預報的功能，能有效的減少水質(zhì)災害的發(fā)生，提升水資源利用率。

1 系統(tǒng)概況

水雨情自動采集系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術，通過對水庫水位、水量、實時場景的采集，實現(xiàn)對于一個河流域內(nèi)的水文氣象數(shù)據(jù)通過實時采集的方式，傳遞至水文決策中心，從而最大程度的實現(xiàn)對于洪水的預報以及對于水文的調(diào)度[1]。整個系統(tǒng)的目標是實現(xiàn)如下功能：

1)實現(xiàn)對水庫內(nèi)的雨水情進行實時的數(shù)據(jù)采集，并通過在現(xiàn)場的實時的視頻拍照功能，針對可能出現(xiàn)的危險雨水情狀況進行有效的預警。

2)通過在水庫內(nèi)設置的雨水情數(shù)據(jù)信息以及現(xiàn)場的實時視頻圖像信息通過無線網(wǎng)絡的方式傳送水庫雨水情監(jiān)控指揮中心，在整個電子地圖上實時顯示出各個點位的雨水情信息，并對出現(xiàn)的信息進行及時的預警。

水雨情實時采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 水雨情實時采集系統(tǒng)框圖

從圖1可以看出，整個水雨情實時采集系統(tǒng)主要是通過專業(yè)的水位計、雨量筒燈專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設備，將現(xiàn)場采集到的水位數(shù)據(jù)實時傳送至水位遙測終端設備上。同時，在現(xiàn)場配置工業(yè)用照相機，將水庫水雨情的圖像視頻畫面通過無線傳送的方式傳送至監(jiān)控中心，并依托省/市水位檢測數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)預警。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理

從以上系統(tǒng)框圖可以看出，整個水雨情自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別是水雨情采集系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)等兩個部分組成。下面分別對這兩個個系統(tǒng)的原理進行概述。

2.1 水雨情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理

現(xiàn)場采集系統(tǒng)主要是通過對水庫的水位信息以及雨量信息數(shù)據(jù)進行采集。整個數(shù)據(jù)的采集部分主要是依托專業(yè)的采集設備來完成，其中針對水位信息的采集是通過水位計來完成，而雨量的采集是通過設置在現(xiàn)場的雨量筒來采集。在水庫進行水雨情數(shù)據(jù)進行采集的過程中，一般是通過高精度的水位儀以及雨量筒等采集設備。

水位計一般是通過高頻的微波脈沖通信，借助天線來實現(xiàn)對于水位信號的傳輸，工業(yè)上應用精度較高的水位儀的采集距離可以高達70米，并且在采集的過程中采用調(diào)頻雷達的測位功能與水文遙測終端(RTU)進行數(shù)據(jù)的融合聯(lián)動。圖2為雷達水位計量的原理圖。

圖2 水位采集系統(tǒng)原理圖

而雨量則是通過雨量筒等在設定的時間內(nèi)對所雨量數(shù)據(jù)進行測量，實時將所采集的數(shù)據(jù)進行上傳至水文遙測終端(RTU)，雨量筒可以實現(xiàn)對雨量數(shù)據(jù)的實時測量，并對所存儲的數(shù)據(jù)進行及時的存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中水位采集、雨量采集等采集系統(tǒng)的可以實現(xiàn)對水位數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)的采集和存儲，并可以借助2G/3G/4G/NB-IOT/LoRa等傳輸系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。雨量采集系統(tǒng)的系統(tǒng)圖如圖3所示。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理

整個視頻監(jiān)控是通過視頻監(jiān)控前端采集設備，實現(xiàn)對視頻圖像信號的采集，在整個采集的過程中，將整個視頻錄像的功能融合為一體，實現(xiàn)3g/4g/5g/WIFI等移動通信技術的融合，實現(xiàn)對于視頻圖像信號的采集與存儲，并將所采集的視頻圖像信號傳送至視頻監(jiān)控中心。

關于水位、雨量、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)組成的系統(tǒng)框圖如圖4所示：

圖3 水雨情采集系統(tǒng)框圖

圖4 整個水文監(jiān)測現(xiàn)場實物連接系統(tǒng)框圖

3 水雨情監(jiān)測系統(tǒng)在河北邢臺某水庫水文監(jiān)測中的應用

3.1 項目背景和功能架構

為更好的加強對水庫水資源的水雨情監(jiān)控管理，河北省邢臺市某水庫管理局通過建設水雨情自動檢測系統(tǒng)，現(xiàn)場檢測設備按照水文檢測數(shù)據(jù)的通信規(guī)約(SL651-2014)將其上報到水雨情檢測管理中心平臺，整個系統(tǒng)的架構如圖5所示。

圖5 整個水文監(jiān)測現(xiàn)場實物連接系統(tǒng)框圖

3.2 水雨情自動監(jiān)測系統(tǒng)的應用

本水雨情自動監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對于水請、雨情的全過程數(shù)據(jù)的自動采集，并附帶有拍照和視頻錄像等功能，并通過實時記錄水庫的水位動態(tài)變化情況，監(jiān)測水位的汛限水位、時段的降雨量、日累計降雨量等情況，實現(xiàn)手機終端與電腦終端對信息的共享。圖6為河北邢臺某水庫的水雨情監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場桿塔圖。

圖6 河北邢臺某水庫的水雨情監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場桿塔圖

從上圖的實時采集系統(tǒng)組成可知，通過水雨情采集系統(tǒng)，可以將現(xiàn)場的水雨情信息一級現(xiàn)場的視頻圖像等信息傳送至監(jiān)控指揮中心，可以了解該水庫的安全運行狀況。同時，將采集到的水位、雨量、視頻等數(shù)據(jù)在后臺進行綜合分析，可以為灌區(qū)管理部門的針對水清的管理提供科學的判斷依據(jù)，并可以為實施水雨情的輔助決策提供科學的依據(jù)。下圖為整個水雨情監(jiān)測系統(tǒng)的管理頁面如圖7所示。

圖7 整個水雨情監(jiān)測現(xiàn)場軟件頁面圖

從上個頁面可以看出，整個水雨情監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能應用包括：

1)實時對水位的監(jiān)測顯示功能：從圖7中可以看出，整個水位監(jiān)測功能主要包括對最高水位的顯示，同時也用三維顯示的方式對保障水位、正常水位、校核洪水位、死水位等相關數(shù)據(jù)信息進行了標記。從圖中可以明顯的看出當前的水位的實時狀況。

2)24h雨量的統(tǒng)計情況：從上圖中也可以看出，整個系統(tǒng)在24小時的雨量值中，按照每隔1個小時來進行記錄，其中最高值為0mm，并按照1h的間隔時間進行了分類統(tǒng)計。

3)水庫容量的動態(tài)顯示：從圖中也可以看出，整個水庫的每天的動態(tài)的水位以及其所最大的庫存水量信息也進行了一一對應。這對于水文監(jiān)測管理部門可以對當前該水庫的情況實現(xiàn)較為科學的分析和研判。

4)水庫的現(xiàn)場視頻畫面：除了水雨情等基本水文信息的采集外，該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對于水庫的視頻畫面進行實時的采集，可以對書庫周邊以及水庫的水清情況進行實時畫面的采集傳遞。這為書庫管理部門更加科學有效的對水清情況進行分析和預警提供了現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)。

4 結 語

文章通過對河北邢臺某水庫的水雨情采集系統(tǒng)進行了分析，并分析了該水雨情管理系統(tǒng)的功能應用。從該應用中可以看出，可視化應用水雨情采集系統(tǒng)可以遠程實現(xiàn)對水位、水量、視頻畫面等數(shù)據(jù)的實時的傳輸。通過后臺可視化的管理界面，可以較為直觀的展現(xiàn)出水庫的實時運行狀況，可以使水庫運營管理者可以較為容易的對水庫的運行管理狀況進行科學的分析、研判，降低了管理人員對于專業(yè)化的要求。同時，該水庫水雨情實時管理系統(tǒng)通過手機和電腦終端同步實現(xiàn)對于水位數(shù)據(jù)的測定，大大提升了管理的效率。下一步，針對智慧水務建設不斷推進的過程中，水文數(shù)據(jù)的采集單位需要不斷加強聯(lián)系，并將水位數(shù)據(jù)進行有效的融合，并在實際的水文數(shù)據(jù)的采集過程分析中，加強水文數(shù)據(jù)的融合管理，不斷提升水文數(shù)據(jù)的智能化分析能力，提升水文數(shù)據(jù)的價值。