基于水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)模式研究

全占東

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)便捷、高效用水的要求越來越高[1]。為滿足廣大群眾對(duì)水資源高效便捷的利用需求，水文水資源監(jiān)測(cè)站要積極應(yīng)用高新技術(shù)，采用整體數(shù)字化模式替代以往的人工操作，更加精準(zhǔn)地采集分析監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)要素及信息，通過水資源監(jiān)控與雨水情的的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水文情勢(shì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)分析。所以，加快實(shí)現(xiàn)水文測(cè)報(bào)現(xiàn)代化，對(duì)全方位提升水環(huán)境突發(fā)情況和水文水資源監(jiān)測(cè)能力，切實(shí)提高監(jiān)測(cè)效率，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)與水資源利用的協(xié)調(diào)發(fā)展等具有重要意義[2]。

1 水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 基本情況

一般地，通信模塊、處理器以及傳感器是水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成，該系統(tǒng)能夠快速精準(zhǔn)地完成水文數(shù)據(jù)傳輸、處理和實(shí)時(shí)采集，為防洪抗旱和水資源管理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3-4]。水文監(jiān)測(cè)研究最早開始于20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)、遙感和微電子等技術(shù)的快速發(fā)展，水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能逐漸得到完善，預(yù)測(cè)分析的水情現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì)也更加精準(zhǔn)，應(yīng)用范圍更加廣泛，可以為水管部門及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)判水資源情況并采取有效的管控措施，最大程度地減少旱澇災(zāi)害損失以及保障區(qū)域用水安全提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 設(shè)計(jì)原則

目前，以《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范》、《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列規(guī)范制度作為水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中必須遵循以下原則，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體性能的提升，具體如下：①數(shù)據(jù)可靠性原則，考慮到要在自然環(huán)境中安裝水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器模塊，所以必須加裝保護(hù)裝置以防傳感器受外界因素的干擾，如大風(fēng)、降雨、降雪等不利因素；此外，應(yīng)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證在不利環(huán)境下處于無人看守狀態(tài)的設(shè)備仍能完成數(shù)據(jù)的采集，并確保數(shù)據(jù)的采集精度。②數(shù)據(jù)實(shí)用性原則，考慮到操作人員的專業(yè)技能和整體素質(zhì)參差不齊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量降低操作難度，增加良好的人機(jī)界面更加直觀地顯示數(shù)據(jù)；為便于操作管理，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要增加設(shè)備的自我診斷功能。③設(shè)備經(jīng)濟(jì)性原則，合理的造價(jià)成本是大范圍推廣水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必然要求；因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮技術(shù)的先進(jìn)性，還要符合經(jīng)濟(jì)可行性要求，應(yīng)擇優(yōu)選擇性價(jià)比最高的技術(shù)科學(xué)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由人機(jī)接口、電源模塊、串口通信設(shè)計(jì)、儲(chǔ)存器模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、主控制器模塊等組成，其中電源、通信、傳感器和主控制器模塊發(fā)揮著重要作用，具體如下：

1)通信模塊：數(shù)據(jù)主要包括無線和有線兩種傳輸方式，其中無線傳輸受外界環(huán)境、地形條件干擾小，因具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、兼容性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在眾多無線傳輸模塊種類中GPRS通訊方式的應(yīng)用最為廣泛。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定性也可選用 GPRS DTU通信模塊，該模塊既具備能耗低的優(yōu)點(diǎn)還能夠在-25℃-60℃的環(huán)境下運(yùn)行，可以滿足系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)要求[5]。

2)電源模塊：系統(tǒng)終端一般布設(shè)在野外，架設(shè)專用電纜勢(shì)必會(huì)增大投資成本，對(duì)此太陽(yáng)能蓄電池得到了廣泛應(yīng)用。其中，密封鉛酸蓄電池的應(yīng)用可以不受潮濕環(huán)境的影響，為減少能耗以及實(shí)現(xiàn)持久性供電，通常選用非常供電路和常供電路分區(qū)管理的方法，以保證陰雨天氣中仍然能夠長(zhǎng)時(shí)間、足量的供應(yīng)電能。

3)傳感器模塊：水文水資源系統(tǒng)中的傳感器設(shè)備主要是采集相關(guān)數(shù)據(jù)，其中水位、雨量等傳感器應(yīng)用最廣。降雨數(shù)據(jù)是水文計(jì)算的重要依據(jù)，科學(xué)分析歷史降雨量能夠準(zhǔn)確推算和預(yù)測(cè)該地區(qū)未來的水情變化，并為相關(guān)部門及時(shí)制定旱澇災(zāi)害應(yīng)對(duì)方案提供數(shù)據(jù)支持。雨量傳感器一般選用翻斗式、吸虹式和容柵式雨量計(jì)等，而翻斗式雨量計(jì)因具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。水位資料是水庫(kù)、湖泊、農(nóng)田灌溉和水利工程管理應(yīng)用最為常見數(shù)據(jù)，人工觀測(cè)水尺讀數(shù)是我國(guó)以往應(yīng)用時(shí)間比較長(zhǎng)的水位測(cè)量方式，這種傳統(tǒng)的測(cè)量方式現(xiàn)已逐漸被浮子水位計(jì)、激光水位計(jì)等自動(dòng)化傳感器替代。

4)主控制器模塊：主控制器的性能直接決定了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體性能，這也是水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。將其他模塊與主控制器相互連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資料的臨時(shí)儲(chǔ)存及分析處理，在微型處理器上集成ADC/DAC技術(shù)，可以轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)量格式。如，利用ADC的信號(hào)放大功能擴(kuò)大微弱數(shù)據(jù)，可以大大提高計(jì)算精準(zhǔn)度；把多個(gè)I/O端口與主控制器相整合，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)以及微處理器使用壽命的提高，并更好地滿足后續(xù)擴(kuò)充要求。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成主要包括水文與氣象檢測(cè)儀、檢測(cè)數(shù)據(jù)和通信網(wǎng)絡(luò)中心等，可以采集溫濕度、風(fēng)速與風(fēng)向、氣溫、雨量和蒸發(fā)量等要素，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)存儲(chǔ)。此外，為便于后期結(jié)果輸出和數(shù)據(jù)查詢，系統(tǒng)向遠(yuǎn)程中心上傳數(shù)據(jù)，并完成相應(yīng)的保存和解碼工作[6]。

2.3 系統(tǒng)功能

水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)借助主控制器、通信和傳感器等模塊，可實(shí)時(shí)采集降雨量、水位等數(shù)據(jù)信息，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給水管部門，管理人員通過數(shù)據(jù)信息分析，對(duì)是否采取應(yīng)急措施及時(shí)做出判斷，如下游水庫(kù)出現(xiàn)低于警戒水位，但監(jiān)測(cè)到上游有強(qiáng)降雨，此時(shí)應(yīng)開閘放水預(yù)留部分庫(kù)容，承納上游來水以防洪澇災(zāi)害的發(fā)生。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以面向廣大用戶，為擴(kuò)充水文水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)許多地方水利部門搭建了水文信息管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的充分利用，管理平臺(tái)也可以二次處理已上傳的水文信息，以更好地滿足管理人員的日常應(yīng)用需求[7-8]。此外，在管理平臺(tái)上集合實(shí)時(shí)的水文資料使其具備信息查詢功能，可以向不同用戶提供查詢所需數(shù)據(jù)。為保障汛期安全平臺(tái)必須具備預(yù)警功能，保證突發(fā)事件的及時(shí)有效處理。通過以下模塊可以增強(qiáng)系統(tǒng)功能：①管理模塊，主要有記錄系統(tǒng)日志以及支持用戶信息驗(yàn)證等功能，有利于增強(qiáng)平臺(tái)的安全性；②基礎(chǔ)資料模塊，該模塊一般包括測(cè)量點(diǎn)、水庫(kù)、渠道等信息；③綜合查詢功能，主要有信息查詢、資料打印功能；④DTU管理模塊，可對(duì)下屬設(shè)備發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)刪除、修改以及添加信息等操作；⑤信息發(fā)布功能，通過網(wǎng)頁(yè)制作將水文信息發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，及時(shí)掌握各地水文情況，實(shí)時(shí)共享網(wǎng)絡(luò)資源。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，逐漸開發(fā)水文監(jiān)測(cè)手機(jī)APP，將水情狀況通過微信公眾號(hào)的形式公布，從而提升水文數(shù)據(jù)的傳輸效率。

2.4 系統(tǒng)先進(jìn)性

考慮到流量ADCP相關(guān)因子多、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大的實(shí)際情況，為取得更好的分析結(jié)果水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須配合使用專業(yè)的分析軟件，通過現(xiàn)場(chǎng)使用計(jì)算機(jī)軟件處理分析流量數(shù)據(jù)，并向本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)傳輸存儲(chǔ)處理后的流量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集儀受處理能力、人機(jī)對(duì)話等因素限制不宜與ADCP直接連接，以網(wǎng)絡(luò)的形式儲(chǔ)存最終的結(jié)果，因此該系統(tǒng)負(fù)荷技術(shù)合理性要求[9-10]。

遙測(cè)終端以無線傳輸?shù)姆绞浇尤胨徊杉臄?shù)據(jù)，再將總線接入到終端數(shù)據(jù)輸出端口，在結(jié)構(gòu)上更具合理性和先進(jìn)性。

一般采用直接傳感器采集空氣濕度、風(fēng)速風(fēng)向、蒸發(fā)、氣溫、水溫、雨量等信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)接模塊再將采集的信號(hào)接入總線，這種方式能夠大大減少設(shè)備投資，有效防止因傳感器而出現(xiàn)采集多個(gè)RTU的情況，其結(jié)構(gòu)上合理且經(jīng)濟(jì)上可行。

由于視頻圖像見識(shí)獨(dú)立成為一個(gè)子系統(tǒng)，并且數(shù)據(jù)大，可以現(xiàn)場(chǎng)連接網(wǎng)絡(luò)形成B/S結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)便捷的系統(tǒng)操作。

受電信費(fèi)用的條件限制，在上傳數(shù)據(jù)時(shí)無線傳輸一般是對(duì)主要的水文數(shù)據(jù)參數(shù)利用綜合數(shù)據(jù)采集儀傳輸，從結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)利用RS485以及工業(yè)總線TCP/IP組網(wǎng)，從形式上水文水資源數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與分布式采集監(jiān)控系統(tǒng)更加接近，其合理性和先進(jìn)性較高。

3 結(jié) 語

數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以自動(dòng)快速地完成大部分水文監(jiān)測(cè)任務(wù)，因具有操作簡(jiǎn)單、抗干擾力強(qiáng)、信息傳輸快、數(shù)據(jù)容量大以及放大不失真等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于水位、雨量等信息采集精度高，信息傳輸時(shí)效性強(qiáng)。系統(tǒng)的視頻監(jiān)視功能能夠大大減少水文監(jiān)測(cè)工作量，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控大大提高工作效率。系統(tǒng)的信息傳輸通暢率達(dá)到100%、設(shè)備完好率99%、水文數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上、信息傳輸誤差率不超過3%、信息接收處理誤碼率不超過25%。

數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效提升數(shù)據(jù)采集精度、信息傳輸效率以及防汛抗旱信息量，通過互聯(lián)網(wǎng)共享發(fā)揮數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，及時(shí)向公眾發(fā)布雨水情信息，為防汛抗旱調(diào)度決策提供強(qiáng)有力的支撐，并增強(qiáng)群眾的防災(zāi)意識(shí)。