浅谈水资源监测系统建设要点

庄 冬

一、水资源监测系统建设背景

我国的水资源基本情况是人多水少、水资源时空分布不均匀，南多北少，生产力布局和水土资源分布不匹配，供需矛盾尖锐，缺口很大。基于我国水资源的现状，国务院出台了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，旨在通过强化用水定额管理来提高用水效率，节约水资源。落后的人工抄表管理模式显然不能满足当前水资源管理的要求，而且存在种种管理上的弊端，如抄表不到位、私自修改用水量、人情抄表等情况。针对这种管理模式上的弊端，利用信息化手段，远程对取水现场计量设施的数据进行读取、存储、分析，不仅可以将数据直观地呈现在管理者面前，而且可以节省大量人力资源、提高效率、实现自动化管理。实现这种自动化的水资源管理模式的关键在于水资源监测系统的构建。

二、水资源监测系统的原理

水资源监测系统由数据采集系统和水资源展示系统两部分组成。

数据采集系统包括：取水计量设施、远程终端单元（RTU）、数据传输单元（DTU）等设备。远程终端单元通过RS485接口与取水计量设施连接，然后根据取水计量设施的通讯协议对取水计量设施的数据进行读取并存储。最后，数据传输单元会以一定的时间间隔将远程终端单元中存储的数据传输至中心平台。

水资源展示平台：对采集到的数据进行分析、存储，然后以直观的方式将分析整理后的数据呈现在管理者面前。

三、水资源监测系统的实现

1.数据采集

数据采集是获得第一手数据、实现远程遥测的基本条件。数据采集通过现场取水实时监测实现，其主要由取水计量设施和数据传输设备组成，通过实时在线方式监测各个取水点取水情况，并将实时水量信息通过GPRS/GSM无线网络传输至水资源中心服务器。现场取水实时监测结构如图1所示。

取水计量设施由流量计和现场采集显示仪表构成。其中，取水计量设施需要具备数据传输模块，常见的有两种信息获取方式。

（1）具备RS232/485智能数字端口

采用双绞屏蔽线连接RTU与现场采集显示仪表，通过RS-485智能端口读取取水计量设施的内置数据。

（2）具备HART信号端口

对于不具备RS-485智能数字端口但是带有HART输出信号接口的取水计量设施，可通过“HART-RS485协议转换器”来实现RS485信号输出，以读取取水计量设施的内置数据。

2.数据传输

水资源监测信息系统的信息采集站点通常分布于广大分散的区域且传输的信息流量比较小，因此优先选择公共移动通信方式。各监测点与中心平台数据采集软件建立有效连接后，实时水量数据包便可经由公网（Internet）专线转发至中心平台。

3.数据管理

数据管理是管理水资源监测数据的软件平台，面向各级数据用户提供统一的数据服务。其内容主要包括水资源监测数据的存储和管理、监测数据的更新维护管理、数据库管理代码维护、数据库安全管理、数据库备份恢复、提供外部系统对水资源监测数据库的交互访问接口等。数据管理对各个取水点采集到的数据进行分析处理，将分析整理后的数据以直观的方式展现在管理者的面前。

四、水资源监测系统关键技术难点

1.精确性

数据的准确性是整个水资源监测系统的基础。为此，现场的取水计量设施选取计量精度较高的流量计仪表，在传输过程中采用数字信号传输，在每个环节都要确保数据的不失真，真正实现零误差远程监测。通过以下几点的努力来实现：（1）在数据采集层，数据采集使用数字信号，并实现RTU固态存储，确保采集数据的准确性。（2）在数据传输层，对传输网络进行优化，对远程接收数据和现场计量数据进行定期核对，确保数据传输过程中的准确性。（3）在业务应用层，对数据处理进行科学论证，确保应用数据的准确性。

2.安全性

图1 现场取水实时监测结构图

系统的安全性是整个水资源监测系统的保障。系统安全设计的目标是保证系统运行的安全，并在系统遇到故障时，能够有效地避免信息丢失和破坏，并尽快恢复系统的正常运行。系统安全需做以下几个方面：（1）系统的物理安全防护。物理安全包括电源供给、物理路由、通信手段、电磁干扰屏蔽、避雷等安全保护措施。（2）网络设施的安全防护。网络安全主要体现在以下几个方面：数据传输的安全、网络设备的安全、网络业务的安全、用户网络的安全、网络管理系统的安全和病毒防护。（3）数据安全的防护。数据安全包括数据传输、存储、访问、处理的安全以及数据的灾难备份。（4）系统与资源的访问控制与认证。系统与资源的访问控制与认证包括公网与专网之间的隔离与交换，资源的访问控制等防护措施。

3.时效性

数据的时效性是整个水资源监测系统的特点。水资源监测系统不仅监测用水户取水的累积取水量，还监测其瞬时取水量，因此对取水计量数据传输的时效性有着较高的要求。采集时间周期设置可调，正常使用时，最小采集周期为1h，最大周期为一周。另外，具备召测功能，急要数据可随时采集，10min内数据落地。

4.可扩展性

系统的可扩展性决定水资源监测系统的不断完善。系统具有一定的可扩充性，方便对系统进行改进、完善和升级，提供外部接口，以便于系统的集成，达到提高系统生命力、延长系统生命周期的目的。

着眼于未来水资源监测能力建设的发展，各取用水户数量将会有很大的增长，网络的规模和传输能力也有更进一步的要求，为了避免数据量大造成网络拥塞和不必要的重复投资，选取总体树形的星型网络拓扑结构来设计网络。未来容量扩充，可增加中间服务器，采用级联方式扩充容量，提高系统的数据传输能力。传输方案的主信道预留可扩充传输能力，满足未来几十年的发展需要。

五、水资源监测系统实用性

1.水资源监测系统使管理更便捷

水资源监测系统实现了对水资源的实时流量和历史流量等水量信息的统一管理。其报表生成功能，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。另外，系统还具备数据分析、数据的可视化表达、空间辅助决策、故障报警诊断、运行状况远程跟踪、远程参数设置、数据出错追溯、补漏计量以及数据共享互联等功能。

水资源监测系统具有良好的人机用户界面，界面风格符合水资源业务习惯，按功能模块来进行系统界面布局，做到整体统一。功能设计无论是文本部分还是图形部分都从实用的角度出发，做到形象直观，操作方便。操作流程应尽可能地简单实用，并提供完善的联机帮助和规范的术语提示。监测数据信息要有基于地理信息系统、概化图、过程线、直方图、饼图、表格等多种展示方式。

2.水资源监测系统带来的效益

（1）规范管理

水资源取用水监测系统建设将有效增加水资源费的征收力度，规范水资源管理，提高人们的节水意识。可以有效缓解由于缺水给工农业带来的巨大损失，经济效益巨大。

（2）指导决策

以水资源紧缺、水土流失严重为特征的水问题已制约了水资源的可持续利用，关系到经济发展与布局、关系到人民生活水平的提高和经济发展战略目标的实现。水资源监测系统建设可以为政策制定和水资源的优化调度提供依据，从而实现减少水资源浪费，合理配置生活、生态和工农业用水的目标，加强水资源的调控能力，提高水资源可持续利用水平。通过水资源监测系统建设提供的技术服务，可以及时了解全局的水资源信息，从整体上把握水利行业在水资源开发利用、节约保护、优化配置等工作的发展动态，提高工作效率与决策水平，对提高水利行业的整体管理水平具有极大的促进作用。

（3）促进可持续发展

水资源监测系统的建设，实现增加可供水量、提高水资源的利用率、改善生态环境的目标，为通过水资源的有效利用促进环境逐步改善、生态逐步恢复的国家生态发展规划提供有力支撑。过去，由于水资源管理缺乏统一的现代化技术，各自为政，在实行计划供水和节约用水时缺乏必要的科学化、定量化管理手段，存在大水漫灌、无序引水、无度引水等现象。通过水资源管理系统建设，加强水资源统一管理，通过水资源的合理配置，缓解因水资源短缺引发的环境问题。

六、小结

随着水利信息化的发展，水资源监测系统变得不可或缺。其在水资源的管理、优化配置方面扮演着不可替代的角色。本文基于实践的基础上整理了水资源监测系统建设的一些经验。水资源监测系统在实践的过程中还会不断改进，使其能够促进水资源的可持续利用。通过现代科技手段更好地为水利行业服务，使水资源的管理更加科学、有效