数字化水文水资源监测模式探究

贾 海

（河北省承德水文水资源勘测局 承德市 067000）

随着我国经济的快速发展，人们对水资源利用提出更加便捷、高效的要求。水文水资源监测站作为水文处理工作的最前沿，要积极地运用高新技术，以便更好地满足大众对于便捷高效水资源的需求，采用整体数字化的方式进行信息的采集和分析代替以往的水资源要素人工监测预报方式，促使数字化监测模式和雨水情报工作能够有机结合起来，在预测和分析水文情势变化规律上有着非常显著的成效。加快水文测报工作的现代化进程，使水文水资源和水环境突发情况的监测能力得到全方位的提升，从而使水文水资源的监测工作能够适应和促进社会经济的发展需要，提升服务的效率。

1 数字化水文水资源监测系统概述

数字化水文水资源监测系统的主要构成是传感器、处理器以及通信模块，该系统可以准确高效地完成水文数据的实时采集、处理以及传输，为科学管理水资源和防汛抗旱工作提供数据保障。我国从20世纪70年代起开始对数字化水文监测系统进行研究，随着当前微电子技术、遥感技术和计算机技术的成熟普及，数字化水文水资源监测系统的功能也随之完善，其应用范围也变得更加广泛，对水情变化情况及趋势的预测也更加准确。有助于水利管理部们更好地预判水资源状况，及时采取科学有效措施，保证用水安全，降低因为旱涝灾害造成的影响[1]。

2 数字化水文监测系统设计原则

系统设计依据的是我国当前已经颁布的 《水位观测标准》、《水文自动测报系统规范》等一系列规范制度。除此之外，在设计过程中，要把提高监测系统整体性能作为目标，遵循以下原则：一是要保证监测数据的可靠性。由于水文监测系统的传感器模块安装在自然环境中，因此需要对传感器加装保护装置，尽可能避免传感器受到恶劣天气等外界因素造成的干扰。同时还要对其内部结构进行优化，保证设备在无人看守的状态下也能在恶劣天气下完成对数据的采集工作，并且保证数据的准确性。二是要保证监测系统的实用性。由于基层水文监测站工作人员素质参差不齐，因此，监测系统在设计上要尽可能地降低其操作难度，增加良好的人机界面，使数据的显示更加直观。为了方便基层工作人员操作管理，还需要为设备增加自我诊断功能。三是设备的经济性。只有严格控制住系统的造价，才能让数字化水文水资源监测系统能够大范围的推广。因此在设计过程中不能过度追求技术的先进性，应以性价比最高的技术作为优先选择。

3 数字化水文监测系统的结构及其功能

数字化水文水资源监测系统是由主控制器模块、数据采集模块、通信模块、实时时钟电路、储存器模块、串口通信设计、电源模块以及人机接口组成。其中最主要的组成部分是主控制器模块、传感器模块、电源模块和通信模块。

3.1 主控制器模块

主控制器是数字化水文监测系统的核心，监测系统的整体性能都是由主控制器的性能决定。主控制器与其他模块相互连接，完成对数据资料的分析处理和临时储存，把ADC/DAC技术集成到微型处理器上，从而实现数据量形式变换。例如，通过ADC技术放大信号，扩大微弱降雨量数据，使处理的精确度大大提高。在主控制器中整合多个I/O端口，便于系统进行升级，同时还可以满足后续的扩充需求和提高微处理器的使用寿命。

3.2 传感器模块

数据的采集是由传感器设备完成，水文水资源系统中，应用较多的是水位传感器和雨量传感器。降雨量在水文计算中是一项非常重要的数据，通过对该地区的历史降雨量进行分析可以对未来的水情变化进行推算和预测，并及时将数据提供给相关部门，以便更好地防范未来可能发生的旱涝灾害。雨量计是雨量传感器的关键，其中比较常见的一般为容栅式雨量计、翻斗式雨量计以及虹吸式日记型雨量记，其中更为常用的是计算准确且结构简单并具有较高稳定性的翻斗式雨量记。水利行业中，农田灌溉以及湖泊和水库的管理都需要应用到水位资料[2]。我国在以往很长时间内都是由人工观测水尺读书进行水位测量，当前，例如激光水位计和浮子水位计等自动化水位传感器已经取代了这种传统的测量方式。

3.3 电源模块

由于水文系统终端大多设置在野外，如果为其架设专用电缆则会使成本大大增加，太阳能蓄电池能很好地解决这个问题。一般选择密封铅酸蓄电池，保证其可以在潮湿的环境下运行，同时要考虑其供电的持久性，为了使电能的消耗降低，通常采用将其分为常供电路与非常供电路的方法进行分区管理。保证其即便长时间处于阴雨天气中依然有足够的电能供应。

3.4 通信模块

数据传输的两种方式分别是有线传输和无线传输，其中无线传输由于受恶劣环境以及地形的影响较小，通常将其作为水文监测系统中的主要传输方式。在众多的无线传输模块种类中，当前应用比较广泛的是具有成本低、兼容性好且数据传输速度快等优点的GPRS通信方式。为了进一步提高水文监测系统的整体性和稳定性，还可以选择使用GPRS DTU通信模块，该模块可以在 （-25～60）℃的环境下正常运行，同时还具备能耗低的优点，可以极好地满足水文水资源监测系统的各项技术指标。

4 系统结构的合理性和先进性分析

水文监测系统中，由于流量ADCP的监测数据大，相关因子多，需要配合使用专业的分析软件取得更好的分析结果，因此要使用现场计算机通过软件对流量数据进行处理和分析，并将处理后的流量结果存入至本地数据库。由于人机对话原因以及处理能力的因素，数据采集仪不宜直接连接ADCP，最终结果通过网络进行储存，从技术上来看更加具有合理性。

水位采集的数据使用无线传输的方式接入到遥测终端，再由终端数据输出端口接入总线，在结构上有更高的先进性和合理性。

雨量、水温、气温、蒸发、风向风速以及空气湿度等信号的采集一般采用的是直接传感器，再由转接模块接入总线，这种方式可以避免因为传感器特点形成多个RTU采集，大大降低设备投资，从结构上具备更强的先进性和合理性。

由于视频图像见识数据大，并且独立成为一个子系统，采用网络连接的方式与现场计算机组成B/S结构，可以使监控操作更加便捷。

考虑到电信费用的因素，在进行数据上传时，无线传输一般只通过综合数据采集仪对主要的水文数据参数进行传输。从结构上来看，数字化水文监测系统通过现场的工业总线TCP/IP以及RS485组网，从结构形式上看更加接近分布式采集监控系统，有较高的先进性和合理性。

5 数字化水文监测系统构成

数字化水文监测系统主要是由气象监测仪、水文监测仪、通信网络以及监测信息数据中心等组成，本系统可以采集雨量、气温、湿度、蒸发量、风向和风速等水文气象要素，并且自动将数据信息存入本地数据库，同时为了方便之后进行的数据查询和结果输出，系统还可采用网络传输的方式将数据上传至远程分中心进行解码以及保存工作。

6 数字化水文监测系统功能

该系统主要借助传感器模块，通信模块以及主控制器模块等模块对降雨量、水位等资料进行实时采集，并对数据资料进行处理后传输至地方水利局，相关管理人员对数据资料进行分析，并对是否需要采取应急措施作出判断。例如，某湖泊处于下游位置，水位低于警戒水位，此时水文监测系统监测到上有地区出现较大降水，为了避免发生洪涝灾害，水库就需要及时开闸，预留一部分库容来承接上游来水。系统还应具有面向用户的窗口，比如很多地方水利部门都设置建立了水文信息管理平台，把水文信息管理平台作为水文水资源监测系统的扩充，有助于监测数据的利用率最大化。水文信息管理平台还可以二次处理已经上传的水文资料，使其能够达到便于工作人员日常管理应用的目的。把实时的水文资料集合到平台，使平台具备信息查询功能，可提供不同用户查询所需要的数据。平台还应该具备预警功能，有利于保障汛期安全，提高处理突发事件的效率。为加强平台功能，平台内部还要包含以下几个模块：一是管理模块。该模块主要用于提高平台安全性，其功能为支持用户信息验证以及记录系统日志。二是基础资料模块。该模块主要包含地方水库、渠道以及测量点资料。三是综合查询功能。系统要具备查询资料和打印资料的功能。四是DTU管理模块，该模块可以对下属的其他设备发送控制指令，实现对信息的添加、修改以及删除等操作。最后，系统还需要具备发布信息的功能，技术人员依托网页制作技术将水文信息发布到互联网。实现网络资源共享，以便用户可以及时的了解各地区的水文水资源情况。随着当前手机APP软件逐渐成熟，水文水资源监测APP也可以着手开发应用，或者利用微信公众号将水情状况进行公布，这些措施都可以大大提高水文数据的传输效率。

7 结 语

采用数字化水文水资源监测系统，可以自动、快速地完成水文监测站的大部分主要任务，同时由于数字信号具有容量大、传输速度快、抗干扰能力强，放大不失真，便于计算机操作处理等优点，因此，在采集水位、雨量等信息数据的时候有着较高的准确性，数据传输也有较强的时效性。同时数字化水文水资源监测系统的视频监视功能以及对现场的实时监控都可以降低基层水文监测人员的工作量，保障人生安全，提高工作效率。数字化水文水资源监测系统采集的各项水文数据达到98%以上的准确率，接受处理信息的误码率＜2%，在传输信息上的误差率＜3%。设备仪器的完好率99%，传输信息的畅通率达到100%。

数字化水文水资源监测系统可以有效地提高信息采集的准确性和数据传输的时效性，使防汛抗旱的信息量大大增加，并将采集到的水情信息共享到互联网，充分利用水情信息采集系统的数字化优势，为防汛抗旱的指挥调度提供准确有效的数据支持。系统还可以利用互联网向公众发布实时的水情雨情信息，提高群众防灾意识，降低旱涝灾害给人民群众带来的损失。

[1]杨薇.论数字化水文水资源监测模式[J].工业C,2016,(02)：158-158，160.

[2]李东武.崔力超.JDZ-1型翻斗式雨量传感器比测试验分析[J].甘肃水利水电技术,2008,(01)：19-20.