水情自動測報實驗室建設實踐與應用探析

李繼清　楊卓

摘要：實驗室及實驗教學對培養有創新意識、創新能力的高素質人才具有極其重要的作用。水情自動測報實驗室作為華北電力大學水電學科教學實驗中心的一部分，既是教學基地也是科研場所，可以培養學生分析問題、解決問題和創新思維的能力，推動華北電力大學水電實驗中心不斷優化、完善實驗教學體系，充分調動學生實驗的積極性和主觀能動性。

關鍵詞：水情自動測報實驗室；建設實踐；教學應用

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）08-0233-02

當前水安全和水資源問題已經成為社會和經濟發展中的重要因素。安全問題特別是因洪水等自然災害所引發的突發事故，其危害巨大。因此，研究水情安全監控系統，通過對水情的動態監控，及時發現事故，為管理部門提供信息管理和決策支持手段。水情信息的采集從古代石魚觀測到新中國成立后水文站網規劃，建立專門的水文站進行水文數據收集，再到改革開放后開始探索水情自動測報系統建設，水情信息的采集逐漸專業化。水情自動測報系統采用現代科技對水文信息進行實時遙測、傳送和處理，是有效解決江河流域及水庫洪水預報、防洪調度及水資源合理利用的先進手段，對江河流域及水庫安全度汛和電廠經濟運行以及水資源合理利用等方面都能發揮重大作用。

實踐教學是高等教育人才培養的重要途徑，實驗室及實驗教學對培養有創新意識、創新能力的高素質人才具有極其重要的作用。水情自動測報實驗室作為華北電力大學水電學科教學實驗中心的一部分，既是教學基地也是科研場所，可以培養學生分析問題、解決問題和創新思維的能力，是培養高質量的本科生及碩士生、博士生的必要條件，促進華北電力大學水電學科的發展。下面，筆者結合教學和實驗室建設的經驗，就建設水情自動測報實驗室及其教學應用略述己見，以起到拋磚引玉的作用。

一、實驗室建設指導思想及規劃歷程

水電學科是華北電力大學的新建學科，目前開設了水利水電工程專業和水文水資源工程兩個本科專業。本學科遵循“新模式、高起點、高標準、高速度”的發展目標與戰略，成立了水電能源與工程研究中心，歸屬可再生能源學院。針對水電學科軟硬件環境較為薄弱的實際情況，學校近幾年投入大量資金來建設水電學科實驗室。按照學科規劃，水電學科實驗室一直本著“高起點、高水平、高利用率”的原則進行建設可再生能源學院學科，將逐步建設12個教學實驗室，建成有華電自身特點與優勢的水電專業特色，整體達到國內先進水平。

20世紀80年代初，我校曾開設水工結構工程和農田水利工程兩個本科專業，并擁有農田水利工程專業碩士學位授予權，而后由于歷史原因和學校變遷，水利專業停辦。2004年，我?；謴退麑W科，后經國務院學位委員會批準，先后獲得水文學及水資源專業二級學科和水利工程一級學科碩士學位授予權。在實驗室建設方面，已先后建立了“河流與水工模擬實驗中心”、“水力學實驗室”等。但是由于水利學科是新建學科，上述實驗室還不能完全滿足我校水電學科兩個專業的實驗教學要求，無法保證學生的實驗示教。另外，在2013版的水文水資源工程專業本科生教育教學培養方案中，顯著加強了實踐和創新能力的培養?；诖耍Y合水文與水資源工程專業的6門核心專業基礎課和專業課的課程實驗需求，在2011年，我校從中央財政“修購?？睢表椖縿潛芙涃M，購置了儀器設備，用于專門的水情自動測報與水安全實驗室建設。

二、實驗室建設實踐

水情自動測報系統由GPRS RTU實驗平臺、現場傳感器、中心控制站、遠程傳輸單元、采集存貯單元、遙測終端、遙測端太陽能供電、交流避雷器附屬實驗裝置、水文信號綜合顯示儀、水下無線傳輸轉換器、水位雨量數據采集儀及水文自動監測終端機等實驗裝置組成，搭建了水情數據的采集、傳輸和顯示系統平臺?？梢园研热斯ず?、雁翅水文站和校內氣象站的實時數據傳輸到室內和在人工河旁的液晶演示屏，并依次顯示校內人工河、雁翅水文站和校內氣象站的水情和氣象數據。

1.系統設計。水雨情的數據信息主要包括降雨、水位、流量、氣象要素（溫度、濕度、風力等）信息。觀測場地有校外水文站（降雨、水位、流量觀測）、校內人工河（水位、流量觀測）和三食堂樓頂（氣象觀測）三處。人工河附近安裝了多媒體電子展示屏，使過往師生能夠直接感受到豐富的實時水文信息和水文科普知識，形成了一套集成度高、便于管理的完整的校園水文信息采集科普園。

2.系統組成。水情自動測報系統由信息采集系統、信息傳輸系統、軟件系統和顯示系統四部分組成：（1）信息采集系統。水雨情信息由太陽能電池配合蓄電池供電，觀測和采集設備轉換成電子信號保存，并傳輸到實驗室和顯示系統。（2）信息傳輸系統。現場數據采集系統記錄下來的現場數據，先上傳至中轉站，再上傳到實驗室服務器。短距離傳輸采用有線的方式，長距離傳輸采用ZIGBEE或者GPRS方式。（3）軟件系統。軟件系統包括水雨情和氣象信息的收集、傳輸、示、保存及查詢。（4）顯示系統。顯示系統由兩部分組成：LED屏和電腦終端，同時顯示實時信息。結構布置詳見圖1。

3.系統功能。水情自動測報系統完成的功能：（1）校外水文站現場采集實時數據并傳輸到校內實驗室和人工河旁的LED顯示屏。（2）校內人工河水位、流量數據的現場采集，并傳輸到實驗室服務器、終端和室外LED屏并顯示。（3）校內三食堂樓頂室外氣象觀測場的數據采集、傳輸及室內外顯示。（4）校內主樓B座四層、七層實驗室間數據的傳輸及顯示。水情自動測報系統運用當今最先進的水文信息采集技術，將雨量、降雪量、水位、流量等信息實現自動采集；采用先進的通信技術使數據集成到實驗室中心；采用先進的展示技術，使水文信息在實驗室中心計算機上實現自由查詢，并且在校園內的多媒體展示屏上實時更新信息。

三、實驗室教學科研應用及改革

水情自動測報及水安全分析實驗室建設完成后，基本滿足《水文測驗學》、《水文信息采集與處理》、《水電站水庫調度及其自動化系統》等本科專業課程的相關實驗要求及其他相關碩士研究生的實驗教學任務。先后開設了“水情數據自動測報系統演示實驗”、“水文氣象數據遙測及信息處理演示實驗”等具體實驗項目，并支撐了2項國家自然科學基金項目和2項橫向課題的順利開展，形成以科研支持和帶動教學。此外，依托實驗室內儀器、自動化觀測系統和相關軟件，在教師的指導下，積極引導學生開展大學生創新創業訓練計劃項目，先后開展了小流量低流速河道的流量測驗新方法——電波流速儀流量測驗系數率定、基于虛擬現實的流域電子沙盤設計等。對于發揮學生的創新思維，提高學生動手能力以及分析解決問題能力，非常有效，并培養了學生的科研意識和能力，為后續的碩士和博士研究生創新能力培養奠定了良好的基礎。在未來的實驗教學改革中，將著重培養學生的工程實踐能力和創新精神，在教師和實驗人員的指導下，自行設計實驗路線來開展實驗，組織實施完成創新訓練項目。

四、結語

通過水情自動測報及水安全分析實驗室的建設，合理調配，營造一個全方位、多功能、生動、開放的觀摩、實驗實習環境，為水利水電工程和水文學及水資源工程專業提供水情自動測報方面的直觀印象、實時數據和研究手段，加深對水資源的理解，逐步培養學生良好的創新思維、實踐能力和嚴謹的科學態度。同時，也注重引導學生將實驗中所獲得的感性認識與所學理論知識進行關聯，形成以科研支持教學、帶動教學、構建科學的教學體系。

參考文獻：

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