智慧水利信息化系統在水利工程的應用

戴紅，武建，馬士峰

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014)

0 引言

當前中國水利工程建設與發展面臨的主要問題，已經由過去自然水患、突發水情的治理，轉變為對水資源生態環境、水利工程的監管。面對互聯網信息技術快速發展的大勢，各地區水利部門應利用物聯網技術，對現有的地表水高度、地下水情、水質等情況，以及水利工程建設、投入使用過程中的滲流狀況，作出全方位的參數檢測、數據信息獲取、數據整合分析，提出智慧化水利總體架構的建設建議，來為水利信息監測人員的管理工作提供支持。

1 智慧水利信息化系統

智慧化水利信息系統，就是將多種傳感器、感應器等硬件設備，安裝到水庫下泄口、水源地、放射源區域，然后借助物聯網軟件技術，將這些物理硬件設備進行普遍連接，以形成物聯網絡中多元數據信息的搜集、傳輸與分析。當前智慧化水利信息系統中，所用到的網絡通信技術，主要包括GPRS、CDMA、4G等通信技術，以及云計算、大數據服務器、水利監控軟件平臺等物聯網技術。通過利用多種物聯網傳感技術，進行區域水利系統實時指標的更快速感知，可以對遇到的地表水上升、地下水情、水環境污染、突發洪水災害等情況，作出全面監測，并以此為依據制定巡查管護、抗災指揮和應急管理方案。

而在智慧水利信息化體系中，通常存在水文遙測終端機、水位計、明渠流量計、雨量筒，以及水壓傳感器、電導率傳感器、溫度傳感器、水濁度傳感器、射頻識別傳感器等設備，自動收集有關水利工程運行、水文變化情況等的信息，可以幫助管理部門及時、全面地掌握傳輸的水文數據。之后由水利局監控中心、網絡軟件服務平臺，對采集到的水文數據信息進行分布式計算、存儲，同時為用戶提供按照個人需求的網頁訪問、信息獲取和下載服務，從而完成更智慧的重點區域水利信息、水利問題管理工作。

2 智慧水利信息化系統在某地區的建設策略

自20世紀80年代以來，某地區就以水資源監控、防汛抗旱等作為管理目標，建立了一大批具有重要作用的水利工程項目。經過利用水利信息化系統的調查統計得出，某地區圍繞著大小河流、湖泊，共設置水雨情監測點4 000多個，以及數據采集中心站3個、墑情站300余個。

某地區已經建成擁有1∶250 000比例的水利電子地圖，地圖中會反應實時雨情、水情等狀況，以及歷史水文、防汛防旱工作的開展情況，可以對現存在的水情、墑情、水資源污染問題作出監測。其中中小河流水文監測、農業灌溉、水土保持、防汛抗旱等的監測預警，會利用多種傳感器監測設備，通過骨干網連通的通信網絡，結合水資源污染、地表水文、水位高度、地下水變化、明渠灌溉流量、水災害等業務監測需求，開展不同水利區域的系統化數據監測、統計分析與存儲，并傳輸至省水利廳的政務內網、單位業務網，確保水利工程建得起、用得好、用得久。

3 智慧水利信息化系統在水利工程中的具體應用

3.1 在水環境資源的污染狀況監測中的應用

不同地區水務部門，在水資源監控系統的水質監測過程中，往往會從江、河、湖或水庫等區域，利用水資源測控終端機、水濁度傳感器，進行水資源量的取用。由水利監控軟件平臺為中心，對取水流量、水泵/閥門狀態、設備供電進行自動控制，遠程控制取水的計量。如：湖北、湖南等地區存在著大量的湖泊，對于湖泊水質、水環境污染狀況的監測，往往先確定某一區域的多個取水點，再利用無線網通信網絡、取水設備及智能檢測軟件，進行水環境酸度、堿度、pH值、固體物、氯化物、氮磷污染物、硫化合物、重金屬等的監測。在檢出多種水污染指標超標后，采取與之相對應的管理措施進行控制。

3.2 在地表水文、水位高度監測中的應用

中國不同地區存在著很多大大小小的河流、湖泊，而在河流湖泊上建立的水壩，主要目的在于調整水位高度、控制水溫變化狀況。之后在面對洪澇災害時，使用多種傳感設備進行及時預警，以盡可能降低人員、經濟財產等方面的損失。如水利部門需要實時監測河流水位、水流流速、流量，以及在單位時間內的降雨量變化情況，對監測到的異常數據采取自動報警，由壩體自動打開排水、排用等端口，通過系統內不同模塊之間的協調運作，便于工作人員及時調整監控計劃、洪澇災害等的處理規劃，其系統拓撲實現的流程如圖1所示。

圖1 水文、水位高度監測系統拓撲流程圖

根據圖1可以看出，主要由壓力式/浮子式水位計、超聲波/雷達水位計，進行多個水文監測點數據信息的獲取，包括重要區域、容易發生洪澇災害的位置監測，然后經由水文遙測終端機對多元數據作出搜集。再通過利用GPRS、CDMA、4G等通信技術，將收到的水文監測數據資源傳輸至水利監控軟件平臺，該平臺會作出地表水文、水位高度的處理與決策。

3.3 在地下水位、水溫、水質變化的監測中的應用

地下水的開采、變化規律等的監測，對區域水資源的保護具有重要意義。當前地下水監測系統，對地下水監測所涉及的數據，包括水溫、水位、水質等的內容。通常也會在不同時段，借助于多種水位傳感器、水溫傳感器、水質傳感器，以及地下水遙測終端機等裝置，針對取水、輸水、供水、用水、排水等的流通環節，在不同地下水監測點進行相關數據指標的搜集，具體系統拓撲實現的流程如圖2所示。

圖2 水位、水溫、水質變化監測系統拓撲流程圖

在地下水遙測終端機搜集到不同類別的監測數據后，也會經由GPRS、CDMA、4G等網絡通信渠道，將水溫、水位、水質等數據傳輸至云服務器，由云服務器進行分布式計算處理后，再傳輸至云水利監控軟件平臺、管理人員的手機APP客戶端，進而保證雨水收集、污水排放，以及區域水溫、水位、水質等指標變化的實時監控管理。

3.4 在明渠灌溉水位、流量監測中的應用

明渠常常與農業灌溉區域所連通，通過引水、排水、灌溉等方式，在不同時間段對水利系統的水位作出調整，同時為農業生產的灌溉提供支持。因而明渠水位、流量監測系統，往往根據渠道現場的水位、水流流量等數據，配置各類水位計、明渠流量計、水文遙測終端機等設備進行實時監測，由多種傳感器統計明渠的水位高度、輸水狀態，再通過GPRS、CDMA網絡通信渠道，將監測到的數據信息傳輸至水利監控軟件平臺。

當前各地區使用的農田灌溉管理系統，是以IC卡刷卡取水的方式，取代傳統專人看管的管理模式。根據不同農田區域的土壤溫度、濕度、pH值、降水量等監測信息，利用水利監控軟件平臺的控制指令，對不同時間段灌溉用時、用水量、用電量等用水信息，作出自動化采集、自動結算，以及獲取各機井取水量的數據。其中水利監控軟件平臺可根據監測需求，靈活擴展多種數據采集、存儲頻率功能，同時支持遠程設置遙測終端機的工作參數。

4 結語

利用物聯網智慧化信息交互技術，提出一套完整的水利信息化系統建設方案，圍繞水環境污染、地表水文或水位高度、地下水水位或水溫變化、明渠灌溉水位和流量等監測方向，形成具有完善功能的水利業務服務模塊，可以解決區域水利行業發展的信息化問題。