水情自动测报实验室建设实践与应用探析

李继清　杨卓

摘要：实验室及实验教学对培养有创新意识、创新能力的高素质人才具有极其重要的作用。水情自动测报实验室作为华北电力大学水电学科教学实验中心的一部分，既是教学基地也是科研场所，可以培养学生分析问题、解决问题和创新思维的能力，推动华北电力大学水电实验中心不断优化、完善实验教学体系，充分调动学生实验的积极性和主观能动性。

关键词：水情自动测报实验室；建设实践；教学应用

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）08-0233-02

当前水安全和水资源问题已经成为社会和经济发展中的重要因素。安全问题特别是因洪水等自然灾害所引发的突发事故，其危害巨大。因此，研究水情安全监控系统，通过对水情的动态监控，及时发现事故，为管理部门提供信息管理和决策支持手段。水情信息的采集从古代石鱼观测到新中国成立后水文站网规划，建立专门的水文站进行水文数据收集，再到改革开放后开始探索水情自动测报系统建设，水情信息的采集逐渐专业化。水情自动测报系统采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进手段，对江河流域及水库安全度汛和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发挥重大作用。

实践教学是高等教育人才培养的重要途径，实验室及实验教学对培养有创新意识、创新能力的高素质人才具有极其重要的作用。水情自动测报实验室作为华北电力大学水电学科教学实验中心的一部分，既是教学基地也是科研场所，可以培养学生分析问题、解决问题和创新思维的能力，是培养高质量的本科生及硕士生、博士生的必要条件，促进华北电力大学水电学科的发展。下面，笔者结合教学和实验室建设的经验，就建设水情自动测报实验室及其教学应用略述己见，以起到抛砖引玉的作用。

一、实验室建设指导思想及规划历程

水电学科是华北电力大学的新建学科，目前开设了水利水电工程专业和水文水资源工程两个本科专业。本学科遵循“新模式、高起点、高标准、高速度”的发展目标与战略，成立了水电能源与工程研究中心，归属可再生能源学院。针对水电学科软硬件环境较为薄弱的实际情况，学校近几年投入大量资金来建设水电学科实验室。按照学科规划，水电学科实验室一直本着“高起点、高水平、高利用率”的原则进行建设可再生能源学院学科，将逐步建设12个教学实验室，建成有华电自身特点与优势的水电专业特色，整体达到国内先进水平。

20世纪80年代初，我校曾开设水工结构工程和农田水利工程两个本科专业，并拥有农田水利工程专业硕士学位授予权，而后由于历史原因和学校变迁，水利专业停办。2004年，我校恢复水利学科，后经国务院学位委员会批准，先后获得水文学及水资源专业二级学科和水利工程一级学科硕士学位授予权。在实验室建设方面，已先后建立了“河流与水工模拟实验中心”、“水力学实验室”等。但是由于水利学科是新建学科，上述实验室还不能完全满足我校水电学科两个专业的实验教学要求，无法保证学生的实验示教。另外，在2013版的水文水资源工程专业本科生教育教学培养方案中，显著加强了实践和创新能力的培养。基于此，结合水文与水资源工程专业的6门核心专业基础课和专业课的课程实验需求，在2011年，我校从中央财政“修购专款”项目划拨经费，购置了仪器设备，用于专门的水情自动测报与水安全实验室建设。

二、实验室建设实践

水情自动测报系统由GPRS RTU实验平台、现场传感器、中心控制站、远程传输单元、采集存贮单元、遥测终端、遥测端太阳能供电、交流避雷器附属实验装置、水文信号综合显示仪、水下无线传输转换器、水位雨量数据采集仪及水文自动监测终端机等实验装置组成，搭建了水情数据的采集、传输和显示系统平台。可以把校内人工河、雁翅水文站和校内气象站的实时数据传输到室内和在人工河旁的液晶演示屏，并依次显示校内人工河、雁翅水文站和校内气象站的水情和气象数据。

1.系统设计。水雨情的数据信息主要包括降雨、水位、流量、气象要素（温度、湿度、风力等）信息。观测场地有校外水文站（降雨、水位、流量观测）、校内人工河（水位、流量观测）和三食堂楼顶（气象观测）三处。人工河附近安装了多媒体电子展示屏，使过往师生能够直接感受到丰富的实时水文信息和水文科普知识，形成了一套集成度高、便于管理的完整的校园水文信息采集科普园。

2.系统组成。水情自动测报系统由信息采集系统、信息传输系统、软件系统和显示系统四部分组成：（1）信息采集系统。水雨情信息由太阳能电池配合蓄电池供电，观测和采集设备转换成电子信号保存，并传输到实验室和显示系统。（2）信息传输系统。现场数据采集系统记录下来的现场数据，先上传至中转站，再上传到实验室服务器。短距离传输采用有线的方式，长距离传输采用ZIGBEE或者GPRS方式。（3）软件系统。软件系统包括水雨情和气象信息的收集、传输、示、保存及查询。（4）显示系统。显示系统由两部分组成：LED屏和电脑终端，同时显示实时信息。结构布置详见图1。

3.系统功能。水情自动测报系统完成的功能：（1）校外水文站现场采集实时数据并传输到校内实验室和人工河旁的LED显示屏。（2）校内人工河水位、流量数据的现场采集，并传输到实验室服务器、终端和室外LED屏并显示。（3）校内三食堂楼顶室外气象观测场的数据采集、传输及室内外显示。（4）校内主楼B座四层、七层实验室间数据的传输及显示。水情自动测报系统运用当今最先进的水文信息采集技术，将雨量、降雪量、水位、流量等信息实现自动采集；采用先进的通信技术使数据集成到实验室中心；采用先进的展示技术，使水文信息在实验室中心计算机上实现自由查询，并且在校园内的多媒体展示屏上实时更新信息。

三、实验室教学科研应用及改革

水情自动测报及水安全分析实验室建设完成后，基本满足《水文测验学》、《水文信息采集与处理》、《水电站水库调度及其自动化系统》等本科专业课程的相关实验要求及其他相关硕士研究生的实验教学任务。先后开设了“水情数据自动测报系统演示实验”、“水文气象数据遥测及信息处理演示实验”等具体实验项目，并支撑了2项国家自然科学基金项目和2项横向课题的顺利开展，形成以科研支持和带动教学。此外，依托实验室内仪器、自动化观测系统和相关软件，在教师的指导下，积极引导学生开展大学生创新创业训练计划项目，先后开展了小流量低流速河道的流量测验新方法——电波流速仪流量测验系数率定、基于虚拟现实的流域电子沙盘设计等。对于发挥学生的创新思维，提高学生动手能力以及分析解决问题能力，非常有效，并培养了学生的科研意识和能力，为后续的硕士和博士研究生创新能力培养奠定了良好的基础。在未来的实验教学改革中，将着重培养学生的工程实践能力和创新精神，在教师和实验人员的指导下，自行设计实验路线来开展实验，组织实施完成创新训练项目。

四、结语

通过水情自动测报及水安全分析实验室的建设，合理调配，营造一个全方位、多功能、生动、开放的观摩、实验实习环境，为水利水电工程和水文学及水资源工程专业提供水情自动测报方面的直观印象、实时数据和研究手段，加深对水资源的理解，逐步培养学生良好的创新思维、实践能力和严谨的科学态度。同时，也注重引导学生将实验中所获得的感性认识与所学理论知识进行关联，形成以科研支持教学、带动教学、构建科学的教学体系。

参考文献：

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