灌區量測水信息系統設計與應用

劉懷利 王銘銘

安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 安徽 合肥 230088

引言

開展灌區量測水建設是落實最嚴格的資源管理制度的重要舉措，也是實現灌區現代化管理的重要條件。水利部辦公廳和財政部辦公廳聯合印發《全國中型灌區續建配套與節水改造實施方案（2021—2022年）》明確未來兩年將對全國461處中型灌區實施改造，涉及農田有效灌溉面積2144萬畝。通過續建配套與節水改造，加快補齊中型灌區工程完好率低、設施不配套等短板，提高供水效率和效益，促進灌區管理水平不斷提高，實現中型灌區“節水高效、設施完善、管理科學、生態良好”的總目標?！秾嵤┓桨浮反_定中型灌區續建配套與節水改造的主要任務包括工程建設和灌區管理體系建設，其中工程建設中重點包含了灌區用水量測、管理設施及灌區信息化建設。

1 系統總體構架設計

灌區量測水信息系統主要由信息采集、傳輸網絡、存儲管理、業務應用以及應用交互五個層面和信息安全體系構成，組網方式為星型網絡拓撲結構。監測點數據直接發送至灌區取水監測系統平臺，灌區管理處通過局域網直接訪問平臺，下屬管理所通過授權訪問的方式進行。

信息采集層主要完成對各取水點的實時取水量信息采集，具體實現方式有實時在線監測信息采集、間接監測信息采集和人工輸入三種。傳輸網絡層將采集到的取水量數據，通過無線傳輸網絡遠程傳送至灌區取用水監測系統平臺中心服務器，并通過電信公網等方式，實現水行政主管部門間水資源在線監測數據的有效交換與充分共享存儲管理層充分整合資源，借助已建的計算機網絡環境，新建水資源監測數據庫，實現接收各取水戶現場采集傳來的實時取水量信息。業務應用層提供統一的技術架構和運行環境，為水資源應用系統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。實現水資源信息各項業務應用管理。應用交互層根據系統業務應用模塊，通過授權訪問的方式，為灌區、市水利局乃至水利廳等用戶提供數據支撐。安全體系主要包括設備運行安全、網絡傳輸安全、信息備份等[1]。

2 灌區量測水監測站設計

2.1 監測站設備配置及通信網絡

監測站主要設備包括數據采集終端、流量計量設備、通信設備、蓄電池、太陽能電池板（可選）等組成。水量監控體系的信息采集站點分布較為分散，各站點信息傳輸通道需依據站點本身特點和周邊通信條件合理選擇。由于取用水工程的監測點傳輸的信息流量都比較小，因此優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，有關這些通信方式的使用規定和要求應符合《水資源監控管理系統數據傳輸規約》SL427-2008標準。自動監測站應該具有備份信道，所配置的DTU應具有通信主備信道的自動切換。

2.2 量測水技術方案研究

2.2.1 ADCP垂線流速分布法監測方案。用坐底式安裝方法在渠道監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），監測一條垂線的平均流速。根據斷面的垂線流速分布規律，推算任意一條垂線的平均流速。對于標準渠道斷面具有良好的適用性，無須長期率定，能夠滿足流量測驗精度要求；流速傳感器能夠提供水位監測信息，無須加裝水位監測設備，投資較為合理，安裝較為方便。

2.2.2 水工建筑物法監測方案。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），根據水流的流態（自由流、淹沒流等），選用不同的流量計算公式。流量系數可根據流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算得出。當水流均勻恒定時，過閘流量可由水位和閘門開度確定。水位閘門開度監測站主要由閘門開度儀、水位計、閘門水位流量計算儀、傳輸設備及其他輔助設備組成。閘門水位流量計算儀采集閘門開度及水位數據，依據其與流量的關系特征曲線計算出實時流量，傳輸設備將閘門水位流量計算儀計算的流量數據傳輸至遠程平臺。流量系數現場率定，可用流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算流量系數，通過多次測驗，分析流量系數規律，建立流量系數與有關水力因素的相關關系。當有多種形式的泄水建筑物混合出流時，應逐個率定流量系數。

2.2.3 堰槽法監測方案。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斷面的科學收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩定的水位與流量關系。測流堰槽量水的結果比較準確，但要增加設備費用，加大水頭損失。按照結構形式，現有的設施主要有量水堰、測流槽等[2]。

3 監測信息平臺設計

3.1 數據資源體系設計

通過灌區的各類數據收集整編，建設五個數據庫，主要包括基礎數據庫、監測數據庫、業務數據庫、空間數據庫以及多媒體數據庫。

3.1.1 基礎數據庫。包括各類水利基礎對象、工程設施、監測站點中各類對象的基礎信息，以及與相關對象的關系信息。

3.1.2 監測數據庫。監測數據庫主要存儲在線監測的數據，包括水量、水位、閘位等灌區監測信息。

3.1.3 業務數據庫。業務數據庫主要存儲在業務應用系統處理過程中產生與需要的業務數據，包括工程調度、水量分配等信息。

3.1.4 空間數據庫。主要包括各類對象對應的空間信息、屬性信息（指與空間數據存儲在一起的空間對象的屬性項信息）和關系信息。主要包括渠道空間分布，橋梁、涵閘、各類監測站點、人工測流點等名稱、編碼、經緯度等信息等。

3.1.5 多媒體數據庫。多媒體數據庫存儲與灌區管理相關的文檔、圖片、視音頻等多媒體資料，包括多媒體文件基本信息、文檔多媒體文件擴展信息、圖片多媒體文件擴展信息和視音多媒體文件擴展信息等。

3.2 業務應用軟件設計

3.2.1 軟件體系構架。灌區量測水信息平臺軟件采用符合J2EE規范的Web計算模式，遵循J2EE 1.6規范。系統可以適應Windows、Linux和Unix等多種操作系統，支持MS SQLServer、Oracle、Sybase、MySQL等主流數據庫系統。

在技術架構方面采用目前主流的“輕量級”設計模式，引入Struts、Ibatis和Spring等輕量級應用框架，構建穩定、高效、可擴展、可管理的應用平臺。在此平臺基礎上，實現功能模塊的組件化封裝，對外提供統一的基于API、Web Service的調用接口。①客戶端。系統的表示層。應用系統采用B/S架構，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技術支持其他形式的客戶端應用程序的訪問。②業務邏輯層。完成系統的各種業務邏輯處理。本層的構建遵循J2EE規范，由JSP、Servlet和Java Bean組成。③業務支撐層。構建整個應用系統的底層框架，為業務邏輯層提供底層的服務支持，包括邏輯控制、數據映射、事務、并發控制等。本層由三個開發框架組成：Struts、Ibatis、Spring。④數據存儲層。對數據（包括結構化的和非結構化的）進行存儲、管理和備份，保持數據的獨立性和完整性。

3.2.2 水量監測信息服務軟件。監測業務應用軟件主要為信息服務軟件，共包括水資源實時監測水資源、歷史數據查詢、數據統計與分析、水資源業務信息管理、報表生成、曲線瀏覽、故障報警診斷、運行狀況遠程跟蹤、參數設置、遠程置數、數據出錯追溯和補漏計量等業務功能組件。

3.2.2.1 實時監測水量信息：系統可實時采集各取水點實時的取水情況信息，并以多媒體和直觀的專業圖表等方式在WEB網頁上自動顯示。用戶可瀏覽動態網頁，觀察任意取水點的取水計量設備運行情況（能夠監測取水設備工作電壓檢查設備是否正常運行，系統通訊狀態等），取水量實時數值，采集時間等信息。

3.2.2.2 數據統計與分析：數據統計分析功能提供了取水戶和取水點的取水量報表統計功能，系統可將采集到的監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任意取水點或取水戶的總體報表信息。系統自動生成直觀曲線圖像，便于用戶了解該周期內水量發展變化情況。

3.2.2.3 業務信息管理：水資源業務信息管理主要要服務于水資源管理各項日常業務處理，包含水費征收使用管理、水量統計管理等領域。

3.2.2.4 報表生成：采集軟件需設置報表功能，能夠以報表形式分地區、分時段和分用水類型統計出取水點水量信息?？砂粗芷谛裕ㄈ?、月、年）報表統計某取水戶或取水點的取水信息，也可指定時間段生成取水量報表，有利于用戶進行取水量的綜合統計分析。

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，用戶在查詢取水實時信息的時候，頁面上需要即時生成實時取水量數值變化曲線圖，曲線隨時間節點變化推移，鮮明直觀。

3.2.3 灌區“一張圖”。灌區一張圖是基于灌區底圖，對灌區工程信息、監測信息進行疊加，搭建灌區地理信息系統服務框架。在此基礎上，填充灌區地理信息基礎資料，建立專題圖層，以 “一張圖”形式實現灌區相關各類信息的地圖可視化綜合展示，集各種要素數據于一張圖，以通覽全局。①基礎信息。基礎信息主要包括分類聚合展示重要河長制管理節點工程位置及基本信息，主要包括但不限于各灌區總干渠、干渠、支渠等渠道分布，節制閘、涵閘、渡槽、橋梁等灌區工程位置，管理局及下屬管理所分布位置及基礎信息等。②取水監測站點。軟件具有取水點定位，實時監控信息，站點基本信息，駕車路徑等功能[3]。

4 結束語

該系統在安徽省花涼亭灌區量測水項目中得到實際應用，形成一套完備的灌區量測水監控平臺以及建成花涼亭灌區量測水監測站點26處，取得了很好的應用效果，具有明顯的社會效益和生態效益，保障花涼亭灌區水資源安全起到重要作用。系統應用大大提高日常業務管理工作的效率，提高信息資源利用率，降低管理成本，促進了灌區現代化發展。