灌区量测水信息系统设计与应用

刘怀利 王铭铭

安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 安徽 合肥 230088

引言

开展灌区量测水建设是落实最严格的资源管理制度的重要举措，也是实现灌区现代化管理的重要条件。水利部办公厅和财政部办公厅联合印发《全国中型灌区续建配套与节水改造实施方案（2021—2022年）》明确未来两年将对全国461处中型灌区实施改造，涉及农田有效灌溉面积2144万亩。通过续建配套与节水改造，加快补齐中型灌区工程完好率低、设施不配套等短板，提高供水效率和效益，促进灌区管理水平不断提高，实现中型灌区“节水高效、设施完善、管理科学、生态良好”的总目标。《实施方案》确定中型灌区续建配套与节水改造的主要任务包括工程建设和灌区管理体系建设，其中工程建设中重点包含了灌区用水量测、管理设施及灌区信息化建设。

1 系统总体构架设计

灌区量测水信息系统主要由信息采集、传输网络、存储管理、业务应用以及应用交互五个层面和信息安全体系构成，组网方式为星型网络拓扑结构。监测点数据直接发送至灌区取水监测系统平台，灌区管理处通过局域网直接访问平台，下属管理所通过授权访问的方式进行。

信息采集层主要完成对各取水点的实时取水量信息采集，具体实现方式有实时在线监测信息采集、间接监测信息采集和人工输入三种。传输网络层将采集到的取水量数据，通过无线传输网络远程传送至灌区取用水监测系统平台中心服务器，并通过电信公网等方式，实现水行政主管部门间水资源在线监测数据的有效交换与充分共享存储管理层充分整合资源，借助已建的计算机网络环境，新建水资源监测数据库，实现接收各取水户现场采集传来的实时取水量信息。业务应用层提供统一的技术架构和运行环境，为水资源应用系统建设提供通用应用服务和集成服务，为资源整合和信息共享提供运行平台。实现水资源信息各项业务应用管理。应用交互层根据系统业务应用模块，通过授权访问的方式，为灌区、市水利局乃至水利厅等用户提供数据支撑。安全体系主要包括设备运行安全、网络传输安全、信息备份等[1]。

2 灌区量测水监测站设计

2.1 监测站设备配置及通信网络

监测站主要设备包括数据采集终端、流量计量设备、通信设备、蓄电池、太阳能电池板（可选）等组成。水量监控体系的信息采集站点分布较为分散，各站点信息传输通道需依据站点本身特点和周边通信条件合理选择。由于取用水工程的监测点传输的信息流量都比较小，因此优先选择公共移动通信方式。

目前可以使用的公共移动通信主要有GPRS、4G、5G等，有关这些通信方式的使用规定和要求应符合《水资源监控管理系统数据传输规约》SL427-2008标准。自动监测站应该具有备份信道，所配置的DTU应具有通信主备信道的自动切换。

2.2 量测水技术方案研究

2.2.1 ADCP垂线流速分布法监测方案。用坐底式安装方法在渠道监测断面的渠底部安装一台多普勒流速传感器（多普勒明渠流量计），监测一条垂线的平均流速。根据断面的垂线流速分布规律，推算任意一条垂线的平均流速。对于标准渠道断面具有良好的适用性，无须长期率定，能够满足流量测验精度要求；流速传感器能够提供水位监测信息，无须加装水位监测设备，投资较为合理，安装较为方便。

2.2.2 水工建筑物法监测方案。闸门测流是通过测量水工建筑物上游水位（如有淹没出游，还需测流下游水位），根据水流的流态（自由流、淹没流等），选用不同的流量计算公式。流量系数可根据流速仪法实测建筑物出流量和实测水头等水力因素，用水力学公式计算得出。当水流均匀恒定时，过闸流量可由水位和闸门开度确定。水位闸门开度监测站主要由闸门开度仪、水位计、闸门水位流量计算仪、传输设备及其他辅助设备组成。闸门水位流量计算仪采集闸门开度及水位数据，依据其与流量的关系特征曲线计算出实时流量，传输设备将闸门水位流量计算仪计算的流量数据传输至远程平台。流量系数现场率定，可用流速仪法实测建筑物出流量和实测水头等水力因素，用水力学公式计算流量系数，通过多次测验，分析流量系数规律，建立流量系数与有关水力因素的相关关系。当有多种形式的泄水建筑物混合出流时，应逐个率定流量系数。

2.2.3 堰槽法监测方案。测流堰槽由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成，通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使得上、下游形成一定的水头落差，即可得到较为稳定的水位与流量关系。测流堰槽量水的结果比较准确，但要增加设备费用，加大水头损失。按照结构形式，现有的设施主要有量水堰、测流槽等[2]。

3 监测信息平台设计

3.1 数据资源体系设计

通过灌区的各类数据收集整编，建设五个数据库，主要包括基础数据库、监测数据库、业务数据库、空间数据库以及多媒体数据库。

3.1.1 基础数据库。包括各类水利基础对象、工程设施、监测站点中各类对象的基础信息，以及与相关对象的关系信息。

3.1.2 监测数据库。监测数据库主要存储在线监测的数据，包括水量、水位、闸位等灌区监测信息。

3.1.3 业务数据库。业务数据库主要存储在业务应用系统处理过程中产生与需要的业务数据，包括工程调度、水量分配等信息。

3.1.4 空间数据库。主要包括各类对象对应的空间信息、属性信息（指与空间数据存储在一起的空间对象的属性项信息）和关系信息。主要包括渠道空间分布，桥梁、涵闸、各类监测站点、人工测流点等名称、编码、经纬度等信息等。

3.1.5 多媒体数据库。多媒体数据库存储与灌区管理相关的文档、图片、视音频等多媒体资料，包括多媒体文件基本信息、文档多媒体文件扩展信息、图片多媒体文件扩展信息和视音多媒体文件扩展信息等。

3.2 业务应用软件设计

3.2.1 软件体系构架。灌区量测水信息平台软件采用符合J2EE规范的Web计算模式，遵循J2EE 1.6规范。系统可以适应Windows、Linux和Unix等多种操作系统，支持MS SQLServer、Oracle、Sybase、MySQL等主流数据库系统。

在技术架构方面采用目前主流的“轻量级”设计模式，引入Struts、Ibatis和Spring等轻量级应用框架，构建稳定、高效、可扩展、可管理的应用平台。在此平台基础上，实现功能模块的组件化封装，对外提供统一的基于API、Web Service的调用接口。①客户端。系统的表示层。应用系统采用B/S架构，可满足符合HTTP访问的各种客户端浏览器，同时基于AJAX和Web Service技术支持其他形式的客户端应用程序的访问。②业务逻辑层。完成系统的各种业务逻辑处理。本层的构建遵循J2EE规范，由JSP、Servlet和Java Bean组成。③业务支撑层。构建整个应用系统的底层框架，为业务逻辑层提供底层的服务支持，包括逻辑控制、数据映射、事务、并发控制等。本层由三个开发框架组成：Struts、Ibatis、Spring。④数据存储层。对数据（包括结构化的和非结构化的）进行存储、管理和备份，保持数据的独立性和完整性。

3.2.2 水量监测信息服务软件。监测业务应用软件主要为信息服务软件，共包括水资源实时监测水资源、历史数据查询、数据统计与分析、水资源业务信息管理、报表生成、曲线浏览、故障报警诊断、运行状况远程跟踪、参数设置、远程置数、数据出错追溯和补漏计量等业务功能组件。

3.2.2.1 实时监测水量信息：系统可实时采集各取水点实时的取水情况信息，并以多媒体和直观的专业图表等方式在WEB网页上自动显示。用户可浏览动态网页，观察任意取水点的取水计量设备运行情况（能够监测取水设备工作电压检查设备是否正常运行，系统通讯状态等），取水量实时数值，采集时间等信息。

3.2.2.2 数据统计与分析：数据统计分析功能提供了取水户和取水点的取水量报表统计功能，系统可将采集到的监测水量信息自动生成日、月、年报表，用户可选择任意周期性时间段查询任意取水点或取水户的总体报表信息。系统自动生成直观曲线图像，便于用户了解该周期内水量发展变化情况。

3.2.2.3 业务信息管理：水资源业务信息管理主要要服务于水资源管理各项日常业务处理，包含水费征收使用管理、水量统计管理等领域。

3.2.2.4 报表生成：采集软件需设置报表功能，能够以报表形式分地区、分时段和分用水类型统计出取水点水量信息。可按周期性（日、月、年）报表统计某取水户或取水点的取水信息，也可指定时间段生成取水量报表，有利于用户进行取水量的综合统计分析。

3.2.2.5 曲线浏览：曲线浏览功能可以直观反映水量变化情况，用户在查询取水实时信息的时候，页面上需要即时生成实时取水量数值变化曲线图，曲线随时间节点变化推移，鲜明直观。

3.2.3 灌区“一张图”。灌区一张图是基于灌区底图，对灌区工程信息、监测信息进行叠加，搭建灌区地理信息系统服务框架。在此基础上，填充灌区地理信息基础资料，建立专题图层，以 “一张图”形式实现灌区相关各类信息的地图可视化综合展示，集各种要素数据于一张图，以通览全局。①基础信息。基础信息主要包括分类聚合展示重要河长制管理节点工程位置及基本信息，主要包括但不限于各灌区总干渠、干渠、支渠等渠道分布，节制闸、涵闸、渡槽、桥梁等灌区工程位置，管理局及下属管理所分布位置及基础信息等。②取水监测站点。软件具有取水点定位，实时监控信息，站点基本信息，驾车路径等功能[3]。

4 结束语

该系统在安徽省花凉亭灌区量测水项目中得到实际应用，形成一套完备的灌区量测水监控平台以及建成花凉亭灌区量测水监测站点26处，取得了很好的应用效果，具有明显的社会效益和生态效益，保障花凉亭灌区水资源安全起到重要作用。系统应用大大提高日常业务管理工作的效率，提高信息资源利用率，降低管理成本，促进了灌区现代化发展。