灌區(qū)量測水信息系統(tǒng)設計與應用

劉懷利 王銘銘

安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 安徽 合肥 230088

引言

開展灌區(qū)量測水建設是落實最嚴格的資源管理制度的重要舉措，也是實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的重要條件。水利部辦公廳和財政部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《全國中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造實施方案（2021—2022年）》明確未來兩年將對全國461處中型灌區(qū)實施改造，涉及農田有效灌溉面積2144萬畝。通過續(xù)建配套與節(jié)水改造，加快補齊中型灌區(qū)工程完好率低、設施不配套等短板，提高供水效率和效益，促進灌區(qū)管理水平不斷提高，實現(xiàn)中型灌區(qū)“節(jié)水高效、設施完善、管理科學、生態(tài)良好”的總目標?！秾嵤┓桨浮反_定中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造的主要任務包括工程建設和灌區(qū)管理體系建設，其中工程建設中重點包含了灌區(qū)用水量測、管理設施及灌區(qū)信息化建設。

1 系統(tǒng)總體構架設計

灌區(qū)量測水信息系統(tǒng)主要由信息采集、傳輸網(wǎng)絡、存儲管理、業(yè)務應用以及應用交互五個層面和信息安全體系構成，組網(wǎng)方式為星型網(wǎng)絡拓撲結構。監(jiān)測點數(shù)據(jù)直接發(fā)送至灌區(qū)取水監(jiān)測系統(tǒng)平臺，灌區(qū)管理處通過局域網(wǎng)直接訪問平臺，下屬管理所通過授權訪問的方式進行。

信息采集層主要完成對各取水點的實時取水量信息采集，具體實現(xiàn)方式有實時在線監(jiān)測信息采集、間接監(jiān)測信息采集和人工輸入三種。傳輸網(wǎng)絡層將采集到的取水量數(shù)據(jù)，通過無線傳輸網(wǎng)絡遠程傳送至灌區(qū)取用水監(jiān)測系統(tǒng)平臺中心服務器，并通過電信公網(wǎng)等方式，實現(xiàn)水行政主管部門間水資源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效交換與充分共享存儲管理層充分整合資源，借助已建的計算機網(wǎng)絡環(huán)境，新建水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)接收各取水戶現(xiàn)場采集傳來的實時取水量信息。業(yè)務應用層提供統(tǒng)一的技術架構和運行環(huán)境，為水資源應用系統(tǒng)建設提供通用應用服務和集成服務，為資源整合和信息共享提供運行平臺。實現(xiàn)水資源信息各項業(yè)務應用管理。應用交互層根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務應用模塊，通過授權訪問的方式，為灌區(qū)、市水利局乃至水利廳等用戶提供數(shù)據(jù)支撐。安全體系主要包括設備運行安全、網(wǎng)絡傳輸安全、信息備份等[1]。

2 灌區(qū)量測水監(jiān)測站設計

2.1 監(jiān)測站設備配置及通信網(wǎng)絡

監(jiān)測站主要設備包括數(shù)據(jù)采集終端、流量計量設備、通信設備、蓄電池、太陽能電池板（可選）等組成。水量監(jiān)控體系的信息采集站點分布較為分散，各站點信息傳輸通道需依據(jù)站點本身特點和周邊通信條件合理選擇。由于取用水工程的監(jiān)測點傳輸?shù)男畔⒘髁慷急容^小，因此優(yōu)先選擇公共移動通信方式。

目前可以使用的公共移動通信主要有GPRS、4G、5G等，有關這些通信方式的使用規(guī)定和要求應符合《水資源監(jiān)控管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》SL427-2008標準。自動監(jiān)測站應該具有備份信道，所配置的DTU應具有通信主備信道的自動切換。

2.2 量測水技術方案研究

2.2.1 ADCP垂線流速分布法監(jiān)測方案。用坐底式安裝方法在渠道監(jiān)測斷面的渠底部安裝一臺多普勒流速傳感器（多普勒明渠流量計），監(jiān)測一條垂線的平均流速。根據(jù)斷面的垂線流速分布規(guī)律，推算任意一條垂線的平均流速。對于標準渠道斷面具有良好的適用性，無須長期率定，能夠滿足流量測驗精度要求；流速傳感器能夠提供水位監(jiān)測信息，無須加裝水位監(jiān)測設備，投資較為合理，安裝較為方便。

2.2.2 水工建筑物法監(jiān)測方案。閘門測流是通過測量水工建筑物上游水位（如有淹沒出游，還需測流下游水位），根據(jù)水流的流態(tài)（自由流、淹沒流等），選用不同的流量計算公式。流量系數(shù)可根據(jù)流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算得出。當水流均勻恒定時，過閘流量可由水位和閘門開度確定。水位閘門開度監(jiān)測站主要由閘門開度儀、水位計、閘門水位流量計算儀、傳輸設備及其他輔助設備組成。閘門水位流量計算儀采集閘門開度及水位數(shù)據(jù)，依據(jù)其與流量的關系特征曲線計算出實時流量，傳輸設備將閘門水位流量計算儀計算的流量數(shù)據(jù)傳輸至遠程平臺。流量系數(shù)現(xiàn)場率定，可用流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算流量系數(shù)，通過多次測驗，分析流量系數(shù)規(guī)律，建立流量系數(shù)與有關水力因素的相關關系。當有多種形式的泄水建筑物混合出流時，應逐個率定流量系數(shù)。

2.2.3 堰槽法監(jiān)測方案。測流堰槽由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成，通過量水建筑物主體段過水斷面的科學收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩(wěn)定的水位與流量關系。測流堰槽量水的結果比較準確，但要增加設備費用，加大水頭損失。按照結構形式，現(xiàn)有的設施主要有量水堰、測流槽等[2]。

3 監(jiān)測信息平臺設計

3.1 數(shù)據(jù)資源體系設計

通過灌區(qū)的各類數(shù)據(jù)收集整編，建設五個數(shù)據(jù)庫，主要包括基礎數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫以及多媒體數(shù)據(jù)庫。

3.1.1 基礎數(shù)據(jù)庫。包括各類水利基礎對象、工程設施、監(jiān)測站點中各類對象的基礎信息，以及與相關對象的關系信息。

3.1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要存儲在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，包括水量、水位、閘位等灌區(qū)監(jiān)測信息。

3.1.3 業(yè)務數(shù)據(jù)庫。業(yè)務數(shù)據(jù)庫主要存儲在業(yè)務應用系統(tǒng)處理過程中產生與需要的業(yè)務數(shù)據(jù)，包括工程調度、水量分配等信息。

3.1.4 空間數(shù)據(jù)庫。主要包括各類對象對應的空間信息、屬性信息（指與空間數(shù)據(jù)存儲在一起的空間對象的屬性項信息）和關系信息。主要包括渠道空間分布，橋梁、涵閘、各類監(jiān)測站點、人工測流點等名稱、編碼、經緯度等信息等。

3.1.5 多媒體數(shù)據(jù)庫。多媒體數(shù)據(jù)庫存儲與灌區(qū)管理相關的文檔、圖片、視音頻等多媒體資料，包括多媒體文件基本信息、文檔多媒體文件擴展信息、圖片多媒體文件擴展信息和視音多媒體文件擴展信息等。

3.2 業(yè)務應用軟件設計

3.2.1 軟件體系構架。灌區(qū)量測水信息平臺軟件采用符合J2EE規(guī)范的Web計算模式，遵循J2EE 1.6規(guī)范。系統(tǒng)可以適應Windows、Linux和Unix等多種操作系統(tǒng)，支持MS SQLServer、Oracle、Sybase、MySQL等主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

在技術架構方面采用目前主流的“輕量級”設計模式，引入Struts、Ibatis和Spring等輕量級應用框架，構建穩(wěn)定、高效、可擴展、可管理的應用平臺。在此平臺基礎上，實現(xiàn)功能模塊的組件化封裝，對外提供統(tǒng)一的基于API、Web Service的調用接口。①客戶端。系統(tǒng)的表示層。應用系統(tǒng)采用B/S架構，可滿足符合HTTP訪問的各種客戶端瀏覽器，同時基于AJAX和Web Service技術支持其他形式的客戶端應用程序的訪問。②業(yè)務邏輯層。完成系統(tǒng)的各種業(yè)務邏輯處理。本層的構建遵循J2EE規(guī)范，由JSP、Servlet和Java Bean組成。③業(yè)務支撐層。構建整個應用系統(tǒng)的底層框架，為業(yè)務邏輯層提供底層的服務支持，包括邏輯控制、數(shù)據(jù)映射、事務、并發(fā)控制等。本層由三個開發(fā)框架組成：Struts、Ibatis、Spring。④數(shù)據(jù)存儲層。對數(shù)據(jù)（包括結構化的和非結構化的）進行存儲、管理和備份，保持數(shù)據(jù)的獨立性和完整性。

3.2.2 水量監(jiān)測信息服務軟件。監(jiān)測業(yè)務應用軟件主要為信息服務軟件，共包括水資源實時監(jiān)測水資源、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、水資源業(yè)務信息管理、報表生成、曲線瀏覽、故障報警診斷、運行狀況遠程跟蹤、參數(shù)設置、遠程置數(shù)、數(shù)據(jù)出錯追溯和補漏計量等業(yè)務功能組件。

3.2.2.1 實時監(jiān)測水量信息：系統(tǒng)可實時采集各取水點實時的取水情況信息，并以多媒體和直觀的專業(yè)圖表等方式在WEB網(wǎng)頁上自動顯示。用戶可瀏覽動態(tài)網(wǎng)頁，觀察任意取水點的取水計量設備運行情況（能夠監(jiān)測取水設備工作電壓檢查設備是否正常運行，系統(tǒng)通訊狀態(tài)等），取水量實時數(shù)值，采集時間等信息。

3.2.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析：數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能提供了取水戶和取水點的取水量報表統(tǒng)計功能，系統(tǒng)可將采集到的監(jiān)測水量信息自動生成日、月、年報表，用戶可選擇任意周期性時間段查詢任意取水點或取水戶的總體報表信息。系統(tǒng)自動生成直觀曲線圖像，便于用戶了解該周期內水量發(fā)展變化情況。

3.2.2.3 業(yè)務信息管理：水資源業(yè)務信息管理主要要服務于水資源管理各項日常業(yè)務處理，包含水費征收使用管理、水量統(tǒng)計管理等領域。

3.2.2.4 報表生成：采集軟件需設置報表功能，能夠以報表形式分地區(qū)、分時段和分用水類型統(tǒng)計出取水點水量信息?？砂粗芷谛裕ㄈ?、月、年）報表統(tǒng)計某取水戶或取水點的取水信息，也可指定時間段生成取水量報表，有利于用戶進行取水量的綜合統(tǒng)計分析。

3.2.2.5 曲線瀏覽：曲線瀏覽功能可以直觀反映水量變化情況，用戶在查詢取水實時信息的時候，頁面上需要即時生成實時取水量數(shù)值變化曲線圖，曲線隨時間節(jié)點變化推移，鮮明直觀。

3.2.3 灌區(qū)“一張圖”。灌區(qū)一張圖是基于灌區(qū)底圖，對灌區(qū)工程信息、監(jiān)測信息進行疊加，搭建灌區(qū)地理信息系統(tǒng)服務框架。在此基礎上，填充灌區(qū)地理信息基礎資料，建立專題圖層，以 “一張圖”形式實現(xiàn)灌區(qū)相關各類信息的地圖可視化綜合展示，集各種要素數(shù)據(jù)于一張圖，以通覽全局。①基礎信息。基礎信息主要包括分類聚合展示重要河長制管理節(jié)點工程位置及基本信息，主要包括但不限于各灌區(qū)總干渠、干渠、支渠等渠道分布，節(jié)制閘、涵閘、渡槽、橋梁等灌區(qū)工程位置，管理局及下屬管理所分布位置及基礎信息等。②取水監(jiān)測站點。軟件具有取水點定位，實時監(jiān)控信息，站點基本信息，駕車路徑等功能[3]。

4 結束語

該系統(tǒng)在安徽省花涼亭灌區(qū)量測水項目中得到實際應用，形成一套完備的灌區(qū)量測水監(jiān)控平臺以及建成花涼亭灌區(qū)量測水監(jiān)測站點26處，取得了很好的應用效果，具有明顯的社會效益和生態(tài)效益，保障花涼亭灌區(qū)水資源安全起到重要作用。系統(tǒng)應用大大提高日常業(yè)務管理工作的效率，提高信息資源利用率，降低管理成本，促進了灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展。