塔里木河流域水文与环境监测系统的设计与实现

艾再孜江·帕合提

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830049)

在当前研究现状的基础上发现，新疆地域辽阔，由于受通讯条件限制，网络自动数据传输时断时续，部分站点的数据传输有时会丢失。此外以往的信息传输技术存在平台技术、位置、时间、数据格式等问题。为了消除上述依赖，为基础水文数据的采集和处理提供松耦合的数据集成和测量站、分中心和中央通信网络解决方案是极其重要的。建立覆盖流域水文站的实时水文信息监测网络，优化网络通信渠道，保障水文信息安全可靠传输，解决数据同步、自动采集与人工录入一体化问题，显着提高信息采集、传输、处理和存储能力，快速准确地进行区域洪水、干旱和水量预报[1]，建立水文智能监测系统可以为内外部服务对象赢得更多的预警时间，实现跨区域水资源管理和信息服务平台应用集成等，能够对水情、水质、水资源等动态监测信息进行管理和分析，为流域水资源评价、水资源规划等提供全流程、全方位的支持[2]。

塔里木河水文信息系统的关键点在于将采集河流的信息由模拟量，转化为方便存储、传送、计算的数字量，并使用信息系统进行管理、监控、预测以及存档[3]。在这一方面，国内已有较成熟的机制，主要采用机器测量，结合人工录入两种方式进行水文信息的采集，在水文监控上已取得了一些成果。本文论述的项目也是利用这种技术进行数据采集。

1 研究区域

塔里木河是我国最大的内陆河，位于新疆天山山脉与昆仑山、帕米尔之间，全长2 437 km，流域总面积102×104 km2，多年平均天然地表水年径流量398.3×108m3。全流域总人口902万人，流域内现有耕地2 044万亩。受人类活动与气候变迁等因素的影响，塔里木河流域水资源极其缺乏，源流水资源的不合理利用，使干流来水量减少，加之盲目开垦，乱砍滥伐，超载放牧等，致使塔里木河流域生态环境局部改善、总体恶化、干流断流、胡杨林枯死、沙漠扩大，水质及生态环境恶化。

基于此研究背景，开发塔里木河流域水文与环境监测系统，为塔里木河流域综合治理、水资源开发利用以及社会、经济可持续发展提供及时、准确地水文水资源服务具有重要意义。该系统主要功能包括水文、水环境等基础信息的传输、存储、处理、预报评价、信息服务等支持功能。

2 系统介绍

塔河流域已有的28个观测站点，具有水位和雨量传感器(模拟/数字转换器)等自动采集设备组成，实时采集监测点的水位、降雨等数据，其他水文观测要素按照规范人工采集成册，再输入计算机数据库，对自动采集的数据进行同步整合 以及手动输入的数据，为水文信息系统的数据源提供保障。

2.1 数据采集

采集的数据包括：日平均水位、日最高水位及其发生日期；日平均流量、日最大流量及其发生时间、旬平均流量、月平均流量和年平均流量；日平均气温、日最高(最低)气温，旬平均气温、月平均气温和年平均气温；日降水量、月降水量、年降水量；日蒸发量、月蒸发量、年蒸发量；风向，风速，最大风速；相对湿度：大气压：日照时数；地下水，水位(埋深)月统计和年统计，地下水月最大水位(埋深)；水质资料数据。

水位观测仍然保留原来形式的超声波水文数据采集终端设备，通过RS-232接口将采集到的水位值写入固态存储器。在站计算机通过外部接口将黄委超声波水位计采集储存到固态存储器中的实时水位读入到本机数据库中。其他观测数据的采集仍沿用人工观测记录采集。

2.2 系统计算

目前自动监测的参量只有水位，其他项目是人工观测。在站数据处理的功能包括水位资料整编模块，流量数据处理模块、悬移质输沙率数据处理模块、降水量数据处理模块、逐日水面蒸发量计算模块、气温数据处理模块、水温数据处理模块和绘制曲线及图形模块。用程序统计各项资料的日、旬、月、年统计值，再通过计算机和GPRS传输到各地州分中心。查询与显示水位过程线，水位流量、含沙量、气温、水温过程线，降水、蒸发、大断面等图表。

2.3 测站数据上传及发送

测站数据上传是指从测站到分中心的遥测数据和人工数据的传输。该站数据上传模块包括数据传输、接受分中心查询、人工数据传输、管理等五个功能模块。塔里木河流域水文与环境监测系统的数据库系统包括实时雨水情数据库、水文数据库、水质数据库、地下水数据库、生态环境信息库、图形数据库、专业方法库等数据库，遥测站只包括实时雨水情数据库和监测设备库。如图1所示。

使用分布式数据库系统，分布式数据库系统中的查询分为三种：本地查询、远程查询和全局查询。本地查询和远程查询只涉及单个节点(本地或远程)的数据，查询优化采用的技术是集中式数据库的查询优化技术。 全局查询涉及多个节点上的数据，其查询处理和优化要复杂得多。

图1 数据库系统图示

3 系统实现测试

3.1 测试步骤

一般来说，测试过程按4个步骤进行，即单个模块测试、组装模块测试、软件集成测试和总体系统测试。

单个模块测试：对每个程序模块进行检查，确保其是否正确实现了指定功能。目的是找出每个模块中可能存在的各种错误。一般使用白盒测试的方法进行单元测试。

组装模块测试：是在单个模块测试的基础上组装被测模块，测试与设计相关的软件架构的结构是否正常，一般采用黑盒测试的方法进行组装模块测试。

软件集成测试：主要检查实现的软件是否按照需求说明书中确定的各项要求正常运行，软件配置是否完整、正确。

总体系统测试：将经过确认和测试的软件放入实际运行环境，并结合其他系统组件，在实际使用环境中进行综合测试，检验其是否能够正常运行。

3.2 测试内容

数据发送及接收：按水情报文编码规范要求编制日报、旬报及月报。遥测站发送，四个分中心均能接收到水情数据。

采集控制：遥测站的实时遥测，可设定普通和加密采集周期；当水位到达设定上限时自动进入加密采集周期，以满足增大测量密度的要求。

电源控制：在不需要数据采集和传送期间，遥测设备均能掉电处于微功耗休眠状态，只保留极少部分值守电路工作。

3.3 测试实例

本次测试以手工测试为主，主要涉及处理、发送、接收等子系统。畅通率结果如表1所示。结果表明功能满足用户需求，实际效果符合预期效果。目前系统在各观测站正常使用，运行状况良好。

表1 畅通率测试结果

通过以上统计得到系统畅通率为：98.51%，达到水利部SL61-2003《水文自动测报系统技术规范和要求》。系统的发送接收时间从测站到所辖水文水资源勘测局分中心发送和接收处理所需时间约8秒3。系统的可靠性和发送数据的准确度抽样校核几个代表站的数据的准确度为百分之百正确。

4 结语

随着信息技术的飞速发展，越来越多的领域进入了信息时代，它们在成果控制、效率、利润等方面都比原来的方法都取得了更好的表现。对河流及其流域的各种属性进行信息化、控制和管理是塔里木河流域水文环境监测系统实现的主要功能。塔河水文系统是在.NET平台上开发的，使用Web 服务来实现面向服务的SOA 架构，并使用MVC 分层架构来实现它。它采用了大量成熟的XML、JSP、AJAX等技术，具有安全性能高、稳定性好、功能齐全、使用方便等特点。该系统实现了水文信息的采集、传输、接收、汇总、处理和显示功能，为塔里木流域综合治理、水资源开发利用和可持续发展提供及时准确的水文水资源服务，加速当地社会和经济的发展。