智慧水利信息化系统在水利工程的应用

2021-08-06戴红武建马士峰

河南水利与南水北调 2021年5期

戴红，武建，马士峰

(山东省水利勘测设计院，山东济南 250014)

0 引言

当前中国水利工程建设与发展面临的主要问题，已经由过去自然水患、突发水情的治理，转变为对水资源生态环境、水利工程的监管。面对互联网信息技术快速发展的大势，各地区水利部门应利用物联网技术，对现有的地表水高度、地下水情、水质等情况，以及水利工程建设、投入使用过程中的渗流状况，作出全方位的参数检测、数据信息获取、数据整合分析，提出智慧化水利总体架构的建设建议，来为水利信息监测人员的管理工作提供支持。

1 智慧水利信息化系统

智慧化水利信息系统，就是将多种传感器、感应器等硬件设备，安装到水库下泄口、水源地、放射源区域，然后借助物联网软件技术，将这些物理硬件设备进行普遍连接，以形成物联网络中多元数据信息的搜集、传输与分析。当前智慧化水利信息系统中，所用到的网络通信技术，主要包括GPRS、CDMA、4G等通信技术，以及云计算、大数据服务器、水利监控软件平台等物联网技术。通过利用多种物联网传感技术，进行区域水利系统实时指标的更快速感知，可以对遇到的地表水上升、地下水情、水环境污染、突发洪水灾害等情况，作出全面监测，并以此为依据制定巡查管护、抗灾指挥和应急管理方案。

而在智慧水利信息化体系中，通常存在水文遥测终端机、水位计、明渠流量计、雨量筒，以及水压传感器、电导率传感器、温度传感器、水浊度传感器、射频识别传感器等设备，自动收集有关水利工程运行、水文变化情况等的信息，可以帮助管理部门及时、全面地掌握传输的水文数据。之后由水利局监控中心、网络软件服务平台，对采集到的水文数据信息进行分布式计算、存储，同时为用户提供按照个人需求的网页访问、信息获取和下载服务，从而完成更智慧的重点区域水利信息、水利问题管理工作。

2 智慧水利信息化系统在某地区的建设策略

自20世纪80年代以来，某地区就以水资源监控、防汛抗旱等作为管理目标，建立了一大批具有重要作用的水利工程项目。经过利用水利信息化系统的调查统计得出，某地区围绕着大小河流、湖泊，共设置水雨情监测点4 000多个，以及数据采集中心站3个、墒情站300余个。

某地区已经建成拥有1∶250 000比例的水利电子地图，地图中会反应实时雨情、水情等状况，以及历史水文、防汛防旱工作的开展情况，可以对现存在的水情、墒情、水资源污染问题作出监测。其中中小河流水文监测、农业灌溉、水土保持、防汛抗旱等的监测预警，会利用多种传感器监测设备，通过骨干网连通的通信网络，结合水资源污染、地表水文、水位高度、地下水变化、明渠灌溉流量、水灾害等业务监测需求，开展不同水利区域的系统化数据监测、统计分析与存储，并传输至省水利厅的政务内网、单位业务网，确保水利工程建得起、用得好、用得久。

3 智慧水利信息化系统在水利工程中的具体应用

3.1 在水环境资源的污染状况监测中的应用

不同地区水务部门，在水资源监控系统的水质监测过程中，往往会从江、河、湖或水库等区域，利用水资源测控终端机、水浊度传感器，进行水资源量的取用。由水利监控软件平台为中心，对取水流量、水泵/阀门状态、设备供电进行自动控制，远程控制取水的计量。如：湖北、湖南等地区存在着大量的湖泊，对于湖泊水质、水环境污染状况的监测，往往先确定某一区域的多个取水点，再利用无线网通信网络、取水设备及智能检测软件，进行水环境酸度、碱度、pH值、固体物、氯化物、氮磷污染物、硫化合物、重金属等的监测。在检出多种水污染指标超标后，采取与之相对应的管理措施进行控制。

3.2 在地表水文、水位高度监测中的应用

中国不同地区存在着很多大大小小的河流、湖泊，而在河流湖泊上建立的水坝，主要目的在于调整水位高度、控制水温变化状况。之后在面对洪涝灾害时，使用多种传感设备进行及时预警，以尽可能降低人员、经济财产等方面的损失。如水利部门需要实时监测河流水位、水流流速、流量，以及在单位时间内的降雨量变化情况，对监测到的异常数据采取自动报警，由坝体自动打开排水、排用等端口，通过系统内不同模块之间的协调运作，便于工作人员及时调整监控计划、洪涝灾害等的处理规划，其系统拓扑实现的流程如图1所示。

图1 水文、水位高度监测系统拓扑流程图

根据图1可以看出，主要由压力式/浮子式水位计、超声波/雷达水位计，进行多个水文监测点数据信息的获取，包括重要区域、容易发生洪涝灾害的位置监测，然后经由水文遥测终端机对多元数据作出搜集。再通过利用GPRS、CDMA、4G等通信技术，将收到的水文监测数据资源传输至水利监控软件平台，该平台会作出地表水文、水位高度的处理与决策。

3.3 在地下水位、水温、水质变化的监测中的应用

地下水的开采、变化规律等的监测，对区域水资源的保护具有重要意义。当前地下水监测系统，对地下水监测所涉及的数据，包括水温、水位、水质等的内容。通常也会在不同时段，借助于多种水位传感器、水温传感器、水质传感器，以及地下水遥测终端机等装置，针对取水、输水、供水、用水、排水等的流通环节，在不同地下水监测点进行相关数据指标的搜集，具体系统拓扑实现的流程如图2所示。

图2 水位、水温、水质变化监测系统拓扑流程图

在地下水遥测终端机搜集到不同类别的监测数据后，也会经由GPRS、CDMA、4G等网络通信渠道，将水温、水位、水质等数据传输至云服务器，由云服务器进行分布式计算处理后，再传输至云水利监控软件平台、管理人员的手机APP客户端，进而保证雨水收集、污水排放，以及区域水温、水位、水质等指标变化的实时监控管理。

3.4 在明渠灌溉水位、流量监测中的应用

明渠常常与农业灌溉区域所连通，通过引水、排水、灌溉等方式，在不同时间段对水利系统的水位作出调整，同时为农业生产的灌溉提供支持。因而明渠水位、流量监测系统，往往根据渠道现场的水位、水流流量等数据，配置各类水位计、明渠流量计、水文遥测终端机等设备进行实时监测，由多种传感器统计明渠的水位高度、输水状态，再通过GPRS、CDMA网络通信渠道，将监测到的数据信息传输至水利监控软件平台。

当前各地区使用的农田灌溉管理系统，是以IC卡刷卡取水的方式，取代传统专人看管的管理模式。根据不同农田区域的土壤温度、湿度、pH值、降水量等监测信息，利用水利监控软件平台的控制指令，对不同时间段灌溉用时、用水量、用电量等用水信息，作出自动化采集、自动结算，以及获取各机井取水量的数据。其中水利监控软件平台可根据监测需求，灵活扩展多种数据采集、存储频率功能，同时支持远程设置遥测终端机的工作参数。