灌區(qū)量測水信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉懷利 王銘銘

安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 安徽 合肥 230088

引言

開展灌區(qū)量測水建設(shè)是落實(shí)最嚴(yán)格的資源管理制度的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的重要條件。水利部辦公廳和財(cái)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(shí)施方案（2021—2022年）》明確未來兩年將對全國461處中型灌區(qū)實(shí)施改造，涉及農(nóng)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(bǔ)齊中型灌區(qū)工程完好率低、設(shè)施不配套等短板，提高供水效率和效益，促進(jìn)灌區(qū)管理水平不斷提高，實(shí)現(xiàn)中型灌區(qū)“節(jié)水高效、設(shè)施完善、管理科學(xué)、生態(tài)良好”的總目標(biāo)。《實(shí)施方案》確定中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造的主要任務(wù)包括工程建設(shè)和灌區(qū)管理體系建設(shè)，其中工程建設(shè)中重點(diǎn)包含了灌區(qū)用水量測、管理設(shè)施及灌區(qū)信息化建設(shè)。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

灌區(qū)量測水信息系統(tǒng)主要由信息采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、存儲管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用以及應(yīng)用交互五個層面和信息安全體系構(gòu)成，組網(wǎng)方式為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。監(jiān)測點(diǎn)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(quán)訪問的方式進(jìn)行。

信息采集層主要完成對各取水點(diǎn)的實(shí)時取水量信息采集，具體實(shí)現(xiàn)方式有實(shí)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(luò)層將采集到的取水量數(shù)據(jù)，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳送至灌區(qū)取用水監(jiān)測系統(tǒng)平臺中心服務(wù)器，并通過電信公網(wǎng)等方式，實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，新建水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)接收各取水戶現(xiàn)場采集傳來的實(shí)時取水量信息。業(yè)務(wù)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，為水資源應(yīng)用系統(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。實(shí)現(xiàn)水資源信息各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用管理。應(yīng)用交互層根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊，通過授權(quán)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(shè)備運(yùn)行安全、網(wǎng)絡(luò)傳輸安全、信息備份等[1]。

2 灌區(qū)量測水監(jiān)測站設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測站設(shè)備配置及通信網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)測站主要設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集終端、流量計(jì)量設(shè)備、通信設(shè)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(diǎn)分布較為分散，各站點(diǎn)信息傳輸通道需依據(jù)站點(diǎn)本身特點(diǎn)和周邊通信條件合理選擇。由于取用水工程的監(jiān)測點(diǎn)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(guān)這些通信方式的使用規(guī)定和要求應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。自動監(jiān)測站應(yīng)該具有備份信道，所配置的DTU應(yīng)具有通信主備信道的自動切換。

2.2 量測水技術(shù)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(jì)），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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(shè)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(jì)算公式。流量系數(shù)可根據(jù)流速儀法實(shí)測建筑物出流量和實(shí)測水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計(jì)算得出。當(dāng)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(jì)、閘門水位流量計(jì)算儀、傳輸設(shè)備及其他輔助設(shè)備組成。閘門水位流量計(jì)算儀采集閘門開度及水位數(shù)據(jù)，依據(jù)其與流量的關(guān)系特征曲線計(jì)算出實(shí)時流量，傳輸設(shè)備將閘門水位流量計(jì)算儀計(jì)算的流量數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程平臺。流量系數(shù)現(xiàn)場率定，可用流速儀法實(shí)測建筑物出流量和實(shí)測水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計(jì)算流量系數(shù)，通過多次測驗(yàn)，分析流量系數(shù)規(guī)律，建立流量系數(shù)與有關(guān)水力因素的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)有多種形式的泄水建筑物混合出流時，應(yīng)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?dāng)嗝娴目茖W(xué)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(guān)系。測流堰槽量水的結(jié)果比較準(zhǔn)確，但要增加設(shè)備費(fèi)用，加大水頭損失。按照結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有的設(shè)施主要有量水堰、測流槽等[2]。

3 監(jiān)測信息平臺設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)資源體系設(shè)計(jì)

通過灌區(qū)的各類數(shù)據(jù)收集整編，建設(shè)五個數(shù)據(jù)庫，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)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(chǔ)數(shù)據(jù)庫。包括各類水利基礎(chǔ)對象、工程設(shè)施、監(jiān)測站點(diǎn)中各類對象的基礎(chǔ)信息，以及與相關(guān)對象的關(guān)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(wù)數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫主要存儲在業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)處理過程中產(chǎn)生與需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括工程調(diào)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(yīng)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(xiàng)信息）和關(guān)系信息。主要包括渠道空間分布，橋梁、涵閘、各類監(jiān)測站點(diǎn)、人工測流點(diǎn)等名稱、編碼、經(jīng)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(guān)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(kuò)展信息、圖片多媒體文件擴(kuò)展信息和視音多媒體文件擴(kuò)展信息等。

3.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件體系構(gòu)架。灌區(qū)量測水信息平臺軟件采用符合J2EE規(guī)范的Web計(jì)算模式，遵循J2EE 1.6規(guī)范。系統(tǒng)可以適應(yīng)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(shù)架構(gòu)方面采用目前主流的“輕量級”設(shè)計(jì)模式，引入Struts、Ibatis和Spring等輕量級應(yīng)用框架，構(gòu)建穩(wěn)定、高效、可擴(kuò)展、可管理的應(yīng)用平臺。在此平臺基礎(chǔ)上，實(shí)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(diào)用接口。①客戶端。系統(tǒng)的表示層。應(yīng)用系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，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(shù)支持其他形式的客戶端應(yīng)用程序的訪問。②業(yè)務(wù)邏輯層。完成系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)邏輯處理。本層的構(gòu)建遵循J2EE規(guī)范，由JSP、Servlet和Java Bean組成。③業(yè)務(wù)支撐層。構(gòu)建整個應(yīng)用系統(tǒng)的底層框架，為業(yè)務(wù)邏輯層提供底層的服務(wù)支持，包括邏輯控制、數(shù)據(jù)映射、事務(wù)、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(jié)構(gòu)化的和非結(jié)構(gòu)化的）進(jìn)行存儲、管理和備份，保持?jǐn)?shù)據(jù)的獨(dú)立性和完整性。

3.2.2 水量監(jiān)測信息服務(wù)軟件。監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件主要為信息服務(wù)軟件，共包括水資源實(shí)時監(jiān)測水資源、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、水資源業(yè)務(wù)信息管理、報表生成、曲線瀏覽、故障報警診斷、運(yùn)行狀況遠(yuǎn)程跟蹤、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程置數(shù)、數(shù)據(jù)出錯追溯和補(bǔ)漏計(jì)量等業(yè)務(wù)功能組件。

3.2.2.1 實(shí)時監(jiān)測水量信息：系統(tǒng)可實(shí)時采集各取水點(diǎn)實(shí)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(diǎn)的取水計(jì)量設(shè)備運(yùn)行情況（能夠監(jiān)測取水設(shè)備工作電壓檢查設(shè)備是否正常運(yùn)行，系統(tǒng)通訊狀態(tài)等），取水量實(shí)時數(shù)值，采集時間等信息。

3.2.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能提供了取水戶和取水點(diǎn)的取水量報表統(tǒng)計(jì)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?nèi)我馊∷c(diǎn)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(nèi)水量發(fā)展變化情況。

3.2.2.3 業(yè)務(wù)信息管理：水資源業(yè)務(wù)信息管理主要要服務(wù)于水資源管理各項(xiàng)日常業(yè)務(wù)處理，包含水費(fèi)征收使用管理、水量統(tǒng)計(jì)管理等領(lǐng)域。

3.2.2.4 報表生成：采集軟件需設(shè)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(jì)出取水點(diǎn)水量信息。可按周期性（日、月、年）報表統(tǒng)計(jì)某取水戶或取水點(diǎn)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(jìn)行取水量的綜合統(tǒng)計(jì)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?nèi)∷畬?shí)時信息的時候，頁面上需要即時生成實(shí)時取水量數(shù)值變化曲線圖，曲線隨時間節(jié)點(diǎn)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(jìn)行疊加，搭建灌區(qū)地理信息系統(tǒng)服務(wù)框架。在此基礎(chǔ)上，填充灌區(qū)地理信息基礎(chǔ)資料，建立專題圖層，以 “一張圖”形式實(shí)現(xiàn)灌區(qū)相關(guān)各類信息的地圖可視化綜合展示，集各種要素?cái)?shù)據(jù)于一張圖，以通覽全局。①基礎(chǔ)信息。基礎(chǔ)信息主要包括分類聚合展示重要河長制管理節(jié)點(diǎn)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(chǔ)信息等。②取水監(jiān)測站點(diǎn)。軟件具有取水點(diǎn)定位，實(shí)時監(jiān)控信息，站點(diǎn)基本信息，駕車路徑等功能[3]。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)在安徽省花涼亭灌區(qū)量測水項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)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(diǎn)26處，取得了很好的應(yīng)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(yīng)用大大提高日常業(yè)務(wù)管理工作的效率，提高信息資源利用率，降低管理成本，促進(jìn)了灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展。