基于水文水资源数字化监测模式研究

全占东

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

随着科技的发展和社会的进步，人们对便捷、高效用水的要求越来越高[1]。为满足广大群众对水资源高效便捷的利用需求，水文水资源监测站要积极应用高新技术，采用整体数字化模式替代以往的人工操作，更加精准地采集分析监测预报要素及信息，通过水资源监控与雨水情的的有机结合，实现水文情势的精准预测分析。所以，加快实现水文测报现代化，对全方位提升水环境突发情况和水文水资源监测能力，切实提高监测效率，推动经济与水资源利用的协调发展等具有重要意义[2]。

1 水文水资源数字化监测系统

1.1 基本情况

一般地，通信模块、处理器以及传感器是水文水资源数字化监测系统的主要构成，该系统能够快速精准地完成水文数据传输、处理和实时采集，为防洪抗旱和水资源管理奠定坚实基础[3-4]。水文监测研究最早开始于20世纪70年代，随着计算机、遥感和微电子等技术的快速发展，水文水资源数字化监测系统功能逐渐得到完善，预测分析的水情现状及其变化趋势也更加精准，应用范围更加广泛，可以为水管部门及时准确地预判水资源情况并采取有效的管控措施，最大程度地减少旱涝灾害损失以及保障区域用水安全提供数据支持。

1.2 设计原则

目前，以《水文自动测报系统规范》、《水位观测标准》等一系列规范制度作为水文水资源数字化监测系统设计依据。此外，系统设计过程中必须遵循以下原则，从而实现监测系统整体性能的提升，具体如下：①数据可靠性原则，考虑到要在自然环境中安装水文监测系统传感器模块，所以必须加装保护装置以防传感器受外界因素的干扰，如大风、降雨、降雪等不利因素；此外，应优化调整系统的内部结构，保证在不利环境下处于无人看守状态的设备仍能完成数据的采集，并确保数据的采集精度。②数据实用性原则，考虑到操作人员的专业技能和整体素质参差不齐，系统设计过程中应尽量降低操作难度，增加良好的人机界面更加直观地显示数据；为便于操作管理，监测系统设计时还要增加设备的自我诊断功能。③设备经济性原则，合理的造价成本是大范围推广水文水资源数字化监测系统的必然要求；因此，在系统设计时既要考虑技术的先进性，还要符合经济可行性要求，应择优选择性价比最高的技术科学设计监测系统。

2 数字化监测系统结构与功能

2.1 系统结构

水文水资源数字化监测系统主要由人机接口、电源模块、串口通信设计、储存器模块、实时时钟电路、通信模块、数据采集模块、主控制器模块等组成，其中电源、通信、传感器和主控制器模块发挥着重要作用，具体如下：

1)通信模块：数据主要包括无线和有线两种传输方式，其中无线传输受外界环境、地形条件干扰小，因具有数据传输速度快、兼容性好、成本低等优点，在众多无线传输模块种类中GPRS通讯方式的应用最为广泛。为保证系统的稳定性和稳定性也可选用 GPRS DTU通信模块，该模块既具备能耗低的优点还能够在-25℃-60℃的环境下运行，可以满足系统监测的各项要求[5]。

2)电源模块：系统终端一般布设在野外，架设专用电缆势必会增大投资成本，对此太阳能蓄电池得到了广泛应用。其中，密封铅酸蓄电池的应用可以不受潮湿环境的影响，为减少能耗以及实现持久性供电，通常选用非常供电路和常供电路分区管理的方法，以保证阴雨天气中仍然能够长时间、足量的供应电能。

3)传感器模块：水文水资源系统中的传感器设备主要是采集相关数据，其中水位、雨量等传感器应用最广。降雨数据是水文计算的重要依据，科学分析历史降雨量能够准确推算和预测该地区未来的水情变化，并为相关部门及时制定旱涝灾害应对方案提供数据支持。雨量传感器一般选用翻斗式、吸虹式和容栅式雨量计等，而翻斗式雨量计因具有稳定性高、结构简单、计算准确等优势得到越来越广泛的应用。水位资料是水库、湖泊、农田灌溉和水利工程管理应用最为常见数据，人工观测水尺读数是我国以往应用时间比较长的水位测量方式，这种传统的测量方式现已逐渐被浮子水位计、激光水位计等自动化传感器替代。

4)主控制器模块：主控制器的性能直接决定了监测系统的整体性能，这也是水文水资源数字化监测系统的核心。将其他模块与主控制器相互连接可以实现对数据资料的临时储存及分析处理，在微型处理器上集成ADC/DAC技术，可以转换数据量格式。如，利用ADC的信号放大功能扩大微弱数据，可以大大提高计算精准度；把多个I/O端口与主控制器相整合，有利于实现系统升级以及微处理器使用寿命的提高，并更好地满足后续扩充要求。

2.2 系统构成

系统构成主要包括水文与气象检测仪、检测数据和通信网络中心等，可以采集温湿度、风速与风向、气温、雨量和蒸发量等要素，并实现数据信息的自动存储。此外，为便于后期结果输出和数据查询，系统向远程中心上传数据，并完成相应的保存和解码工作[6]。

2.3 系统功能

水文水资源数字化监测系统借助主控制器、通信和传感器等模块，可实时采集降雨量、水位等数据信息，并将处理后的数据传输给水管部门，管理人员通过数据信息分析，对是否采取应急措施及时做出判断，如下游水库出现低于警戒水位，但监测到上游有强降雨，此时应开闸放水预留部分库容，承纳上游来水以防洪涝灾害的发生。监测系统可以面向广大用户，为扩充水文水资源监测系统许多地方水利部门搭建了水文信息管理平台，从而实现数据信息的充分利用，管理平台也可以二次处理已上传的水文信息，以更好地满足管理人员的日常应用需求[7-8]。此外，在管理平台上集合实时的水文资料使其具备信息查询功能，可以向不同用户提供查询所需数据。为保障汛期安全平台必须具备预警功能，保证突发事件的及时有效处理。通过以下模块可以增强系统功能：①管理模块，主要有记录系统日志以及支持用户信息验证等功能，有利于增强平台的安全性；②基础资料模块，该模块一般包括测量点、水库、渠道等信息；③综合查询功能，主要有信息查询、资料打印功能；④DTU管理模块，可对下属设备发送指令，实现删除、修改以及添加信息等操作；⑤信息发布功能，通过网页制作将水文信息发布在互联网上，及时掌握各地水文情况，实时共享网络资源。随着计算机技术的发展，逐渐开发水文监测手机APP，将水情状况通过微信公众号的形式公布，从而提升水文数据的传输效率。

2.4 系统先进性

考虑到流量ADCP相关因子多、监测数据大的实际情况，为取得更好的分析结果水文监测系统必须配合使用专业的分析软件，通过现场使用计算机软件处理分析流量数据，并向本地数据库传输存储处理后的流量结果。数据采集仪受处理能力、人机对话等因素限制不宜与ADCP直接连接，以网络的形式储存最终的结果，因此该系统负荷技术合理性要求[9-10]。

遥测终端以无线传输的方式接入水位采集的数据，再将总线接入到终端数据输出端口，在结构上更具合理性和先进性。

一般采用直接传感器采集空气湿度、风速风向、蒸发、气温、水温、雨量等信号，经转接模块再将采集的信号接入总线，这种方式能够大大减少设备投资，有效防止因传感器而出现采集多个RTU的情况，其结构上合理且经济上可行。

由于视频图像见识独立成为一个子系统，并且数据大，可以现场连接网络形成B/S结构，实现及时便捷的系统操作。

受电信费用的条件限制，在上传数据时无线传输一般是对主要的水文数据参数利用综合数据采集仪传输，从结构上系统利用RS485以及工业总线TCP/IP组网，从形式上水文水资源数字化监测系统与分布式采集监控系统更加接近，其合理性和先进性较高。

3 结 语

数字化监测系统可以自动快速地完成大部分水文监测任务，因具有操作简单、抗干扰力强、信息传输快、数据容量大以及放大不失真等优点，对于水位、雨量等信息采集精度高，信息传输时效性强。系统的视频监视功能能够大大减少水文监测工作量，通过现场实时监控大大提高工作效率。系统的信息传输通畅率达到100%、设备完好率99%、水文数据准确率达到98%以上、信息传输误差率不超过3%、信息接收处理误码率不超过25%。

数字化监测系统可以有效提升数据采集精度、信息传输效率以及防汛抗旱信息量，通过互联网共享发挥数字化优势，及时向公众发布雨水情信息，为防汛抗旱调度决策提供强有力的支撑，并增强群众的防灾意识。