基于水文水資源數字化監測模式研究

全占東

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

隨著科技的發展和社會的進步，人們對便捷、高效用水的要求越來越高[1]。為滿足廣大群眾對水資源高效便捷的利用需求，水文水資源監測站要積極應用高新技術，采用整體數字化模式替代以往的人工操作，更加精準地采集分析監測預報要素及信息，通過水資源監控與雨水情的的有機結合，實現水文情勢的精準預測分析。所以，加快實現水文測報現代化，對全方位提升水環境突發情況和水文水資源監測能力，切實提高監測效率，推動經濟與水資源利用的協調發展等具有重要意義[2]。

1 水文水資源數字化監測系統

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字化監測系統的主要構成，該系統能夠快速精準地完成水文數據傳輸、處理和實時采集，為防洪抗旱和水資源管理奠定堅實基礎[3-4]。水文監測研究最早開始于20世紀70年代，隨著計算機、遙感和微電子等技術的快速發展，水文水資源數字化監測系統功能逐漸得到完善，預測分析的水情現狀及其變化趨勢也更加精準，應用范圍更加廣泛，可以為水管部門及時準確地預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害損失以及保障區域用水安全提供數據支持。

1.2 設計原則

目前，以《水文自動測報系統規范》、《水位觀測標準》等一系列規范制度作為水文水資源數字化監測系統設計依據。此外，系統設計過程中必須遵循以下原則，從而實現監測系統整體性能的提升，具體如下：①數據可靠性原則，考慮到要在自然環境中安裝水文監測系統傳感器模塊，所以必須加裝保護裝置以防傳感器受外界因素的干擾，如大風、降雨、降雪等不利因素；此外，應優化調整系統的內部結構，保證在不利環境下處于無人看守狀態的設備仍能完成數據的采集，并確保數據的采集精度。②數據實用性原則，考慮到操作人員的專業技能和整體素質參差不齊，系統設計過程中應盡量降低操作難度，增加良好的人機界面更加直觀地顯示數據；為便于操作管理，監測系統設計時還要增加設備的自我診斷功能。③設備經濟性原則，合理的造價成本是大范圍推廣水文水資源數字化監測系統的必然要求；因此，在系統設計時既要考慮技術的先進性，還要符合經濟可行性要求，應擇優選擇性價比最高的技術科學設計監測系統。

2 數字化監測系統結構與功能

2.1 系統結構

水文水資源數字化監測系統主要由人機接口、電源模塊、串口通信設計、儲存器模塊、實時時鐘電路、通信模塊、數據采集模塊、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揮著重要作用，具體如下：

1)通信模塊：數據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境、地形條件干擾小，因具有數據傳輸速度快、兼容性好、成本低等優點，在眾多無線傳輸模塊種類中GPRS通訊方式的應用最為廣泛。為保證系統的穩定性和穩定性也可選用 GPRS DTU通信模塊，該模塊既具備能耗低的優點還能夠在-25℃-60℃的環境下運行，可以滿足系統監測的各項要求[5]。

2)電源模塊：系統終端一般布設在野外，架設專用電纜勢必會增大投資成本，對此太陽能蓄電池得到了廣泛應用。其中，密封鉛酸蓄電池的應用可以不受潮濕環境的影響，為減少能耗以及實現持久性供電，通常選用非常供電路和常供電路分區管理的方法，以保證陰雨天氣中仍然能夠長時間、足量的供應電能。

3)傳感器模塊：水文水資源系統中的傳感器設備主要是采集相關數據，其中水位、雨量等傳感器應用最廣。降雨數據是水文計算的重要依據，科學分析歷史降雨量能夠準確推算和預測該地區未來的水情變化，并為相關部門及時制定旱澇災害應對方案提供數據支持。雨量傳感器一般選用翻斗式、吸虹式和容柵式雨量計等，而翻斗式雨量計因具有穩定性高、結構簡單、計算準確等優勢得到越來越廣泛的應用。水位資料是水庫、湖泊、農田灌溉和水利工程管理應用最為常見數據，人工觀測水尺讀數是我國以往應用時間比較長的水位測量方式，這種傳統的測量方式現已逐漸被浮子水位計、激光水位計等自動化傳感器替代。

4)主控制器模塊：主控制器的性能直接決定了監測系統的整體性能，這也是水文水資源數字化監測系統的核心。將其他模塊與主控制器相互連接可以實現對數據資料的臨時儲存及分析處理，在微型處理器上集成ADC/DAC技術，可以轉換數據量格式。如，利用ADC的信號放大功能擴大微弱數據，可以大大提高計算精準度；把多個I/O端口與主控制器相整合，有利于實現系統升級以及微處理器使用壽命的提高，并更好地滿足后續擴充要求。

2.2 系統構成

系統構成主要包括水文與氣象檢測儀、檢測數據和通信網絡中心等，可以采集溫濕度、風速與風向、氣溫、雨量和蒸發量等要素，并實現數據信息的自動存儲。此外，為便于后期結果輸出和數據查詢，系統向遠程中心上傳數據，并完成相應的保存和解碼工作[6]。

2.3 系統功能

水文水資源數字化監測系統借助主控制器、通信和傳感器等模塊，可實時采集降雨量、水位等數據信息，并將處理后的數據傳輸給水管部門，管理人員通過數據信息分析，對是否采取應急措施及時做出判斷，如下游水庫出現低于警戒水位，但監測到上游有強降雨，此時應開閘放水預留部分庫容，承納上游來水以防洪澇災害的發生。監測系統可以面向廣大用戶，為擴充水文水資源監測系統許多地方水利部門搭建了水文信息管理平臺，從而實現數據信息的充分利用，管理平臺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用需求[7-8]。此外，在管理平臺上集合實時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據。為保障汛期安全平臺必須具備預警功能，保證突發事件的及時有效處理。通過以下模塊可以增強系統功能：①管理模塊，主要有記錄系統日志以及支持用戶信息驗證等功能，有利于增強平臺的安全性；②基礎資料模塊，該模塊一般包括測量點、水庫、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，可對下屬設備發送指令，實現刪除、修改以及添加信息等操作；⑤信息發布功能，通過網頁制作將水文信息發布在互聯網上，及時掌握各地水文情況，實時共享網絡資源。隨著計算機技術的發展，逐漸開發水文監測手機APP，將水情狀況通過微信公眾號的形式公布，從而提升水文數據的傳輸效率。

2.4 系統先進性

考慮到流量ADCP相關因子多、監測數據大的實際情況，為取得更好的分析結果水文監測系統必須配合使用專業的分析軟件，通過現場使用計算機軟件處理分析流量數據，并向本地數據庫傳輸存儲處理后的流量結果。數據采集儀受處理能力、人機對話等因素限制不宜與ADCP直接連接，以網絡的形式儲存最終的結果，因此該系統負荷技術合理性要求[9-10]。

遙測終端以無線傳輸的方式接入水位采集的數據，再將總線接入到終端數據輸出端口，在結構上更具合理性和先進性。

一般采用直接傳感器采集空氣濕度、風速風向、蒸發、氣溫、水溫、雨量等信號，經轉接模塊再將采集的信號接入總線，這種方式能夠大大減少設備投資，有效防止因傳感器而出現采集多個RTU的情況，其結構上合理且經濟上可行。

由于視頻圖像見識獨立成為一個子系統，并且數據大，可以現場連接網絡形成B/S結構，實現及時便捷的系統操作。

受電信費用的條件限制，在上傳數據時無線傳輸一般是對主要的水文數據參數利用綜合數據采集儀傳輸，從結構上系統利用RS485以及工業總線TCP/IP組網，從形式上水文水資源數字化監測系統與分布式采集監控系統更加接近，其合理性和先進性較高。

3 結 語

數字化監測系統可以自動快速地完成大部分水文監測任務，因具有操作簡單、抗干擾力強、信息傳輸快、數據容量大以及放大不失真等優點，對于水位、雨量等信息采集精度高，信息傳輸時效性強。系統的視頻監視功能能夠大大減少水文監測工作量，通過現場實時監控大大提高工作效率。系統的信息傳輸通暢率達到100%、設備完好率99%、水文數據準確率達到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%。

數字化監測系統可以有效提升數據采集精度、信息傳輸效率以及防汛抗旱信息量，通過互聯網共享發揮數字化優勢，及時向公眾發布雨水情信息，為防汛抗旱調度決策提供強有力的支撐，并增強群眾的防災意識。