鴨河口灌區(qū)量測(cè)水系統(tǒng)智能化建設(shè)方案

任曉蕾，任澤垠，2，任士博

(1.河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 南陽 473003；2.南陽市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 河南 南陽 473003；3.南陽市臥龍區(qū)水利局水土保持監(jiān)督站,河南 南陽 473007)

1 灌區(qū)概況

鴨河口灌區(qū)是河南省最大的水庫自流灌區(qū)，系全國(guó)十大灌區(qū)之一。灌區(qū)涉及的耕地面積17.22萬hm2，水源工程為鴨河口水庫，灌區(qū)分白桐灌區(qū)和鴨東灌區(qū)兩大區(qū)域，灌區(qū)效益南陽市的宛城區(qū)、新野縣、唐河縣、方城縣、社旗縣、官莊工區(qū)、高新區(qū)、南陽市城鄉(xiāng)一體化示范區(qū)8縣區(qū)35個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦、543個(gè)鄉(xiāng)村，人口162.87萬人。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積15.87萬hm2。

全灌區(qū)共布置干渠2條、總長(zhǎng)85.96 km，分干渠8條(其中白桐灌區(qū)5條，鴨東灌區(qū)3條)、總長(zhǎng)200.59 km，支渠98條、總長(zhǎng)751.67 km，布置各類建筑物3 918座，其中干渠732座，分干渠1 104座，支渠2 082座。

2 建設(shè)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鴨河口灌區(qū)量測(cè)水系統(tǒng)劃分為信息采集與監(jiān)控、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、應(yīng)用服務(wù)、信息化軟件系統(tǒng)等。

2.2 主要功能

2.2.1 信息采集與監(jiān)控

信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是采集與監(jiān)控各類水利監(jiān)測(cè)信息的基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括水位信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、流量信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、閘位信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、氣象信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、墑情信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雨情信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，也包括人工錄入采集，均利用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.2.2 信息傳輸

根據(jù)鴨河口灌區(qū)的應(yīng)用范圍、重要性和安全性要求，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在已有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展建設(shè)，在白桐干渠上白條河管理所至殷莊管理所建設(shè)光纜通信。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，為量測(cè)水信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的硬件支撐環(huán)境，包括支撐各類應(yīng)用運(yùn)行和各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的服務(wù)器、存儲(chǔ)、備份、顯示等。硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)和建設(shè)，要根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求進(jìn)行建設(shè)或在已有硬件設(shè)施之上進(jìn)行擴(kuò)充。為灌區(qū)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份等各項(xiàng)數(shù)據(jù)管理服務(wù)。

2.2.4 應(yīng)用服務(wù)

提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，為灌區(qū)系統(tǒng)建設(shè)提供通用應(yīng)用服務(wù)和集成服務(wù)，為資源整合和信息共享提供運(yùn)行平臺(tái)。應(yīng)用服務(wù)劃分為用戶管理與認(rèn)證服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)交換服務(wù)、GIS服務(wù)、灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)。

2.2.5 信息化軟件平臺(tái)系統(tǒng)

根據(jù)灌區(qū)管理劃分為灌區(qū)可視化集中展示系統(tǒng)和灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)配置

2.3.1 灌區(qū)管理單位

信息中心會(huì)商室采用先進(jìn)的LCD顯示技術(shù)，完美呈現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像、水情數(shù)據(jù)和綜合信息，為技術(shù)會(huì)議提供高質(zhì)量的顯示效果。建設(shè)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)及視頻會(huì)議MSTP專網(wǎng)用于與南陽市水行政單位、水庫運(yùn)管單位對(duì)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議會(huì)商。

鴨河口灌區(qū)的白桐、鴨東管理站及直屬管理所設(shè)信息管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、顯示設(shè)備和辦公設(shè)備。宛城區(qū)漢冢水管所增加系統(tǒng)顯示單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和辦公設(shè)備，用以監(jiān)測(cè)監(jiān)控白桐干渠七支渠示范區(qū)內(nèi)的水情數(shù)據(jù)信息、視頻監(jiān)控信息、遠(yuǎn)程閘控信息、閘門運(yùn)行情況等，打造灌區(qū)節(jié)水灌溉、水價(jià)改革的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范區(qū)。

在鴨東干渠管理站建設(shè)定點(diǎn)槍機(jī)7處，用于院內(nèi)安全防護(hù)監(jiān)控；在灌溉實(shí)驗(yàn)站建設(shè)動(dòng)點(diǎn)球機(jī)5處，定點(diǎn)槍機(jī)4處，生產(chǎn)區(qū)球機(jī)6處；在漢冢水管所建設(shè)動(dòng)點(diǎn)球機(jī)3處。

2.3.2 電子水尺水位監(jiān)測(cè)及水情監(jiān)測(cè)拍照系統(tǒng)

鴨河口灌區(qū)支斗渠精準(zhǔn)量水，建設(shè)傳感器記錄水位，利用4G網(wǎng)絡(luò)把記錄的水位信息發(fā)送給信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。針對(duì)鴨河口灌區(qū)的支斗渠特點(diǎn)，梯形渠道建設(shè)巴歇爾槽及電子水尺利用巴歇爾槽量水公式進(jìn)行流量計(jì)算。斗渠矩形渠道用電子水尺測(cè)量水位，根據(jù)水位流量關(guān)系曲線計(jì)算流量。斗農(nóng)渠U形渠道設(shè)直壁式量水槽及電子水尺監(jiān)測(cè)水位，利用量水槽量水公式進(jìn)行流量計(jì)算。用磁致伸縮式電子水尺測(cè)站，通過自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備將當(dāng)前水位信息直接發(fā)往信息中心進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

渠道精準(zhǔn)量水通過建設(shè)傳感器記錄過水流量，通過4G網(wǎng)絡(luò)把記錄的水位信息發(fā)送給信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。建設(shè)通信模塊、雷達(dá)水位計(jì)、工業(yè)攝像機(jī)、太陽能電池板、蓄電池等水情監(jiān)測(cè)拍照測(cè)站，通過自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備將當(dāng)?shù)氐乃恍畔⒅苯影l(fā)往信息中心顯示和存儲(chǔ)。

2.3.3 雷達(dá)流量監(jiān)測(cè)及閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

渠道精準(zhǔn)量水是在干支渠節(jié)制閘、分水閘、進(jìn)水閘處建設(shè)雷達(dá)流量計(jì)記錄水位、流量數(shù)據(jù)；在白桐干渠三支渠月季園有兩處景觀池供水管道，建設(shè)管道流量計(jì)記錄供水量，通過4G網(wǎng)絡(luò)把記錄的流量信息發(fā)送給信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

建設(shè)通信模塊、雷達(dá)水位流量計(jì)一體機(jī)、太陽能電池板、蓄電池等雷達(dá)流量測(cè)站，通過自動(dòng)測(cè)報(bào)設(shè)備將該處的水位、流量信息直接發(fā)往信息中心進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要通過現(xiàn)地或遠(yuǎn)程控制閘門啟閉，監(jiān)測(cè)閘門啟閉狀態(tài)與開度，能夠在監(jiān)控中心或管理站遠(yuǎn)程控制閘門啟閉，通過視頻傳輸實(shí)時(shí)圖像可以了解閘門運(yùn)行工況以及周邊環(huán)境。閘門監(jiān)控站結(jié)構(gòu)如圖1所示。通信是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵，典型的三層架構(gòu)，把一套系統(tǒng)分為閘控現(xiàn)場(chǎng)、管理站工作站、遠(yuǎn)程工作站。閘控現(xiàn)場(chǎng)與管理站工作站通信采用有線傳輸方式，為減少雷電等外部干擾，減少信號(hào)衰減的影響。管理站工作站與遠(yuǎn)程工作站通信方式有多種，如無線專網(wǎng)、VPN。

圖1 閘門監(jiān)控站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閘位信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)閘位信息高度監(jiān)測(cè)。閘位信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以“實(shí)時(shí)閘門量水、無人值守”為設(shè)計(jì)原則，綜合運(yùn)用傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)等，設(shè)計(jì)一套閘位信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；閘位信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、閘門量水、啟閉高度及遠(yuǎn)程通信等功能。

2.3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、記錄及監(jiān)控設(shè)備四大部分組成。前端設(shè)備由彩色攝像機(jī)、全方位云臺(tái)、變焦鏡頭和防護(hù)設(shè)備組成；傳輸設(shè)備用光纜或無線方式和接口設(shè)備將信號(hào)傳輸?shù)叫畔⒅行挠脖P錄像機(jī)上；控制設(shè)備負(fù)責(zé)完成前端設(shè)備和圖像的切換控制、全方位云臺(tái)和三維可變鏡頭的控制，并對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行分區(qū)控制和分組同步控制，借助軟件還可以提供圖像檢索和處理功能；顯示設(shè)備采用模擬監(jiān)控器顯示方式。

2.3.5 氣象墑情雨情信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

氣象信息的采集主要采用溫度、濕度、氣壓、降雨量、蒸發(fā)傳感器。氣象站安裝于室外，通過氣象站各種傳感器與數(shù)據(jù)采集終端相連，實(shí)現(xiàn)氣象信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

墑情監(jiān)測(cè)采用一體化墑情儀。它集成供電系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及傳感器于一體。墑情遙測(cè)終端機(jī)將采集數(shù)據(jù)，通過自帶的通信模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心，最終將合理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)所使用。

雨情數(shù)據(jù)用以作為配水調(diào)度、防汛抗旱等的控灌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而調(diào)節(jié)田間灌溉水量，為灌區(qū)防汛抗旱提供輔助信息。雨情信息的采集主要采用翻斗式雨量傳感器；通過雨情傳感器與數(shù)據(jù)采集終端相連，數(shù)據(jù)采集終端采集的信息量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雨情信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過通信模塊(RJ-45、GSM、超短波電臺(tái)、GPRS/4G設(shè)備)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心接收設(shè)備，為應(yīng)用系統(tǒng)使用。

2.3.6 通信網(wǎng)絡(luò)

在灌區(qū)管理局信息中心建立數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)平臺(tái)，對(duì)遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)提供傳輸通道，為灌區(qū)應(yīng)用子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。管理單位人員查詢水情、水位、流量、閘門或視頻數(shù)據(jù)有兩種方式：一是有一臺(tái)連接互聯(lián)網(wǎng)的電腦，通過網(wǎng)頁輸入數(shù)據(jù)中心固定IP+軟件平臺(tái)的端口號(hào)的方式登錄查詢，只要輸入用戶名和密碼就可以查詢水情、水位等數(shù)據(jù)；二是有一部連接網(wǎng)絡(luò)安裝APP平臺(tái)軟件的智能手機(jī)，輸入數(shù)據(jù)中心固定IP+對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)端口號(hào)，在輸入用戶名和密碼就可以查詢歷史數(shù)據(jù)或水情、雨情等數(shù)據(jù)。

2.3.7 灌區(qū)應(yīng)用系統(tǒng)

總體框架：軟件系統(tǒng)采用微軟主流技術(shù)路線，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用Oracle 11G，開發(fā)語言采用java語言，開發(fā)環(huán)境為MyEclipseEnterprise Workbench，前臺(tái)表現(xiàn)層采用目前在互聯(lián)網(wǎng)方向主推的html5+css+js技術(shù)。

灌區(qū)可視化集中展示系統(tǒng)：是將灌區(qū)各類統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)以圖形或圖表的形式進(jìn)行統(tǒng)一展示，分析灌區(qū)關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)情況、引供水量情況、水費(fèi)征收情況和防汛抗旱情況等，為灌區(qū)的管理決策提供快速的數(shù)據(jù)支持。

灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)：灌區(qū)管理一張圖系統(tǒng)是以二、三維電子地圖為展示媒介，將灌區(qū)工程臺(tái)賬信息、巡檢信息、監(jiān)測(cè)信息、配水調(diào)度信息、水量計(jì)算信息等數(shù)據(jù)賦予空間維度，更加形象直觀地進(jìn)行展示，方便各級(jí)工作人員及時(shí)掌握灌區(qū)運(yùn)行管理情況。主要包括：灌區(qū)概況、工程管理、實(shí)時(shí)監(jiān)視、用水管理、防汛預(yù)警。

3 技術(shù)方案特點(diǎn)

量測(cè)水系統(tǒng)建設(shè)以精準(zhǔn)計(jì)量、科學(xué)調(diào)度與全面提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平為目標(biāo)，主要特點(diǎn)如下：通過科學(xué)合理地設(shè)計(jì)，最大限度地采用成熟、可繼承、具備發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)，具有先進(jìn)性。系統(tǒng)的實(shí)用性和可操作性是首要考慮的因素，充分利用現(xiàn)有資源，堅(jiān)持實(shí)用性為主的原則，滿足各項(xiàng)需求，具備實(shí)用性。采用全中文、圖形化軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)管理與維護(hù)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中任何一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并展示出詳細(xì)參數(shù)，以輔助管理人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷和解決問題，具有方便性。在統(tǒng)一的開放標(biāo)準(zhǔn)下建設(shè)系統(tǒng)，使之結(jié)構(gòu)化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，具有開放性。

4 結(jié)語

鴨河口灌區(qū)量測(cè)水系統(tǒng)的試點(diǎn)建設(shè)與探索研究，通過對(duì)灌區(qū)智能化量測(cè)水系統(tǒng)架構(gòu)布局、功能要求、系統(tǒng)配置等建設(shè)方案，去實(shí)現(xiàn)渠道水位、流量和灌區(qū)雨情、墑情等方面的精確量測(cè)，通過網(wǎng)絡(luò)或光纖傳輸系統(tǒng)到管理單位，供管理者會(huì)商決策，從而達(dá)到灌區(qū)量測(cè)水智能化的管理的目的，為灌區(qū)量測(cè)水應(yīng)用推廣作為參考。