鴨河口灌區(qū)量測水系統(tǒng)智能化建設方案

任曉蕾，任澤垠，2，任士博

(1.河南靈捷水利勘測設計研究有限公司,河南 南陽 473003；2.南陽市水利建筑勘測設計院, 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個鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦、543個鄉(xiāng)村，人口162.87萬人。灌區(qū)設計灌溉面積15.87萬hm2。

全灌區(qū)共布置干渠2條、總長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200.59 km，支渠98條、總長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 建設方案

2.1 系統(tǒng)構成

鴨河口灌區(qū)量測水系統(tǒng)劃分為信息采集與監(jiān)控、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲與管理、應用服務、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)測信息的基礎設施，主要包括水位信息監(jiān)測系統(tǒng)、流量信息監(jiān)測系統(tǒng)、閘門遠程控制系統(tǒng)、閘位信息監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、氣象信息監(jiān)測系統(tǒng)、墑情信息監(jiān)測系統(tǒng)、雨情信息監(jiān)測系統(tǒng)，也包括人工錄入采集，均利用通信網(wǎng)絡傳輸。

2.2.2 信息傳輸

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

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲與管理

數(shù)據(jù)存儲與管理，為量測水信息化系統(tǒng)提供基礎的硬件支撐環(huán)境，包括支撐各類應用運行和各類數(shù)據(jù)存儲的服務器、存儲、備份、顯示等。硬件設施的設計和建設，要根據(jù)業(yè)務應用的需求進行建設或在已有硬件設施之上進行擴充。為灌區(qū)應用提供數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)備份等各項數(shù)據(jù)管理服務。

2.2.4 應用服務

提供統(tǒng)一的技術架構和運行環(huán)境，為灌區(qū)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。應用服務劃分為用戶管理與認證服務、數(shù)據(jù)訪問與數(shù)據(jù)交換服務、GIS服務、灌區(qū)業(yè)務應用服務。

2.2.5 信息化軟件平臺系統(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

信息中心會商室采用先進的LCD顯示技術，完美呈現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)場視頻圖像、水情數(shù)據(jù)和綜合信息，為技術會議提供高質量的顯示效果。建設遠程視頻會議系統(tǒng)及視頻會議MSTP專網(wǎng)用于與南陽市水行政單位、水庫運管單位對接，實現(xiàn)遠程視頻會議會商。

鴨河口灌區(qū)的白桐、鴨東管理站及直屬管理所設信息管理設備、網(wǎng)絡設備、顯示設備和辦公設備。宛城區(qū)漢冢水管所增加系統(tǒng)顯示單元、網(wǎng)絡設備和辦公設備，用以監(jiān)測監(jiān)控白桐干渠七支渠示范區(qū)內的水情數(shù)據(jù)信息、視頻監(jiān)控信息、遠程閘控信息、閘門運行情況等，打造灌區(qū)節(jié)水灌溉、水價改革的高標準農(nóng)業(yè)示范區(qū)。

在鴨東干渠管理站建設定點槍機7處，用于院內安全防護監(jiān)控；在灌溉實驗站建設動點球機5處，定點槍機4處，生產(chǎn)區(qū)球機6處；在漢冢水管所建設動點球機3處。

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

鴨河口灌區(qū)支斗渠精準量水，建設傳感器記錄水位，利用4G網(wǎng)絡把記錄的水位信息發(fā)送給信息中心進行數(shù)據(jù)處理。針對鴨河口灌區(qū)的支斗渠特點，梯形渠道建設巴歇爾槽及電子水尺利用巴歇爾槽量水公式進行流量計算。斗渠矩形渠道用電子水尺測量水位，根據(jù)水位流量關系曲線計算流量。斗農(nóng)渠U形渠道設直壁式量水槽及電子水尺監(jiān)測水位，利用量水槽量水公式進行流量計算。用磁致伸縮式電子水尺測站，通過自動測報設備將當前水位信息直接發(fā)往信息中心進行存儲和顯示。

渠道精準量水通過建設傳感器記錄過水流量，通過4G網(wǎng)絡把記錄的水位信息發(fā)送給信息中心進行數(shù)據(jù)處理。建設通信模塊、雷達水位計、工業(yè)攝像機、太陽能電池板、蓄電池等水情監(jiān)測拍照測站，通過自動測報設備將當?shù)氐乃恍畔⒅苯影l(fā)往信息中心顯示和存儲。

2.3.3 雷達流量監(jiān)測及閘門遠程控制系統(tǒng)

渠道精準量水是在干支渠節(jié)制閘、分水閘、進水閘處建設雷達流量計記錄水位、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，建設管道流量計記錄供水量，通過4G網(wǎng)絡把記錄的流量信息發(fā)送給信息中心進行數(shù)據(jù)處理。

建設通信模塊、雷達水位流量計一體機、太陽能電池板、蓄電池等雷達流量測站，通過自動測報設備將該處的水位、流量信息直接發(fā)往信息中心進行顯示和存儲。

閘門遠程控制系統(tǒng)主要通過現(xiàn)地或遠程控制閘門啟閉，監(jiān)測閘門啟閉狀態(tài)與開度，能夠在監(jiān)控中心或管理站遠程控制閘門啟閉，通過視頻傳輸實時圖像可以了解閘門運行工況以及周邊環(huán)境。閘門監(jiān)控站結構如圖1所示。通信是遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵，典型的三層架構，把一套系統(tǒng)分為閘控現(xiàn)場、管理站工作站、遠程工作站。閘控現(xiàn)場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，減少信號衰減的影響。管理站工作站與遠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)結構圖

閘位信息監(jiān)測系統(tǒng)設計主要實現(xiàn)閘位信息高度監(jiān)測。閘位信息監(jiān)測系統(tǒng)以“實時閘門量水、無人值守”為設計原則，綜合運用傳感技術、自動化控制技術、計算機軟硬件技術等，設計一套閘位信息自動監(jiān)測系統(tǒng)；閘位信息監(jiān)測系統(tǒng)的設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、閘門量水、啟閉高度及遠程通信等功能。

2.3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設備、傳輸設備、控制設備、記錄及監(jiān)控設備四大部分組成。前端設備由彩色攝像機、全方位云臺、變焦鏡頭和防護設備組成；傳輸設備用光纜或無線方式和接口設備將信號傳輸?shù)叫畔⒅行挠脖P錄像機上；控制設備負責完成前端設備和圖像的切換控制、全方位云臺和三維可變鏡頭的控制，并對監(jiān)控圖像進行分區(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，實現(xiàn)氣象信息的實時自動監(jiān)測。

墑情監(jiān)測采用一體化墑情儀。它集成供電系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及傳感器于一體。墑情遙測終端機將采集數(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)用以作為配水調度、防汛抗旱等的控灌基礎數(shù)據(jù)，從而調節(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行處理，實現(xiàn)雨情信息的實時自動監(jiān)測。通過通信模塊(RJ-45、GSM、超短波電臺、GPRS/4G設備)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到信息中心接收設備，為應用系統(tǒng)使用。

2.3.6 通信網(wǎng)絡

在灌區(qū)管理局信息中心建立數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務平臺，對遠程控制、實時采集數(shù)據(jù)提供傳輸通道，為灌區(qū)應用子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡應用平臺。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+軟件平臺的端口號的方式登錄查詢，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)絡安裝APP平臺軟件的智能手機，輸入數(shù)據(jù)中心固定IP+對應的數(shù)據(jù)端口號，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)應用系統(tǒng)

總體框架：軟件系統(tǒng)采用微軟主流技術路線，后臺數(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，前臺表現(xiàn)層采用目前在互聯(lián)網(wǎng)方向主推的html5+css+js技術。

灌區(qū)可視化集中展示系統(tǒng)：是將灌區(qū)各類統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)以圖形或圖表的形式進行統(tǒng)一展示，分析灌區(qū)關鍵部位的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測情況、引供水量情況、水費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)工程臺賬信息、巡檢信息、監(jiān)測信息、配水調度信息、水量計算信息等數(shù)據(jù)賦予空間維度，更加形象直觀地進行展示，方便各級工作人員及時掌握灌區(qū)運行管理情況。主要包括：灌區(qū)概況、工程管理、實時監(jiān)視、用水管理、防汛預警。

3 技術方案特點

量測水系統(tǒng)建設以精準計量、科學調度與全面提高灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平為目標，主要特點如下：通過科學合理地設計，最大限度地采用成熟、可繼承、具備發(fā)展前景的先進技術，具有先進性。系統(tǒng)的實用性和可操作性是首要考慮的因素，充分利用現(xiàn)有資源，堅持實用性為主的原則，滿足各項需求，具備實用性。采用全中文、圖形化軟件實現(xiàn)整個系統(tǒng)管理與維護，自動檢測系統(tǒng)中任何一臺設備的運行狀態(tài)，并展示出詳細參數(shù)，以輔助管理人員及時準確地判斷和解決問題，具有方便性。在統(tǒng)一的開放標準下建設系統(tǒng)，使之結構化、模塊化和標準化，具有開放性。

4 結語

鴨河口灌區(qū)量測水系統(tǒng)的試點建設與探索研究，通過對灌區(qū)智能化量測水系統(tǒng)架構布局、功能要求、系統(tǒng)配置等建設方案，去實現(xiàn)渠道水位、流量和灌區(qū)雨情、墑情等方面的精確量測，通過網(wǎng)絡或光纖傳輸系統(tǒng)到管理單位，供管理者會商決策，從而達到灌區(qū)量測水智能化的管理的目的，為灌區(qū)量測水應用推廣作為參考。