灌区量水信息采集系统设计

洪小珺 袁 媛，2 张国文，2

1中铁水利水电规划设计集团有限公司 江西省南昌市 330029

2中铁水利信息科技有限公司 江西省南昌市 330029

0 引言

水作为“生命之源，生态之基，生产之要”，长久以来人们认为水是天之所赐，用之自然，随着社会的发展，水资源作为人类生存和发展最重要的资源，引起了社会的高度重视。我国每个人的平均水资源占有量仅有2500 m3，水资源十分贫乏，仅为世界人均水资源占有量的四分之一。节约用水，实行最严格的水资源管理制度是当今我国的重要国策之一，对灌区而言，加强水管理，抓好量水已经是摆在面前的迫切任务，其必要性和意义表现为以下几点：

（1）灌区量水已成为灌区水资源优化配置基础

随着社会的不断进步、国民经济的飞速发展，人们对生态环境的要求逐渐提高，人类社会活动中用水的矛盾也越来越突出。与此同时，随着人们对水资源的需求与日俱增，开发利用水资源的成本也在快速增加。因此，必须加大对水资源利用的有效地监，保障水资源的合理利用。对灌区而言，特别是用水数量和量水精度管理要求也越来越高。而要做到这些，就必须依赖于灌区量水提供基础数据［1］。灌区量水信息采集系统已成为提高灌区现代化管理水平和优化配置水资源的有效手段。

（2）量水是灌区推进节水农业的重要手段

水资源紧缺将成为推行节水农业必然的选择。准确测定灌区各级渠道流量、渠道的输水损失以及用户的用水量，是灌区现代化节水改造的重要依据，同时根据所采集的量水信息数据，可以统计出灌溉效率，从而为加强田间用水管理、减少水量浪费和准确评价各种措施的合理性提供技术支撑，推动节水农业的不断深入。

（3）量水是发挥灌溉工程综合效益的有效手段

根据对不同地区以及不同作物的各成长阶段合理配置水资源和水量，特别是根据灌区各用水户的实时用水需求，开展动态科学的用水优化调度，必须要有用水量的详细信息数据作为支撑。因此，灌区量水采集是科学管理、合理调度灌溉用水，发挥灌溉工程综合效益的有效手段。

1 建设目标

根据灌区量水实际需求，按照“总体规划、分步实施，建管科学，效益优先”的原则，以总干渠供水渠道为重点，工程措施与非工程措施相结合，配套完善量水设施，采用水工建筑物量水、堰槽量水、雷达波明渠流量计、雷达式水位计、电子水尺等自动化量水方式，实现各干渠主要进水闸、节制闸、分水口，各县、乡镇交界处等重点流量的精准及实时在线监测，同时探索小型渠道量水新方法和技术，让灌区“进、出水账明白”“用水计费透明”，对干渠主要水闸配套建设闸位信息自动采集，实时掌握闸位信息，了解灌区输水、调水情况，提高灌区用水管理及配水调度水平，为灌区水资源的优化配置提供技术支撑和决策支持［2］。

（1）实现实时量水：渠道流量是关于时间变化的，用水量更是瞬时流量关于时间的累积，传统人工水位流量关系量水是间歇性的，取平均值计算，不能够真实反映实际情况，本次设计目标需要在线实时量水，在桌面或移动终端能够实时监测流量变化过程和时段累积流量。

（2）实现精确量水：传统量水方法受多种因素制约，只能称之为流量估算，准确度低，误差20%往往都难以保证，不能作为水费计收依据，本次设计目标量水控制在10%范围之内。

（3）实现多点量水：灌区全面量水受资金投入限制，难度较大，适当控制量测范围，抓住要点，控制性断面做到准确量水，满足灌区水量宏观调配控制。

（4）实现可靠量水：可靠性及连续性是灌区量水的关键，灌区量水要能够提供连续可靠的流量数据为水量调度，灌区管理即水费计收提供有效服务。

2 信息采集系统设计

2.1 信息采集站

灌区信息采集的目标是各个站点的流量信息，但明渠流量一般难以直接得到，根据不同的量水方法，需要采集水位、流速、闸门开度、断面尺寸和流速系数、流量系数等信息。

本次设计实时动态信息全部采用自动化采集方式，底层传感器将参数信息变换成标准信号，接入信号采集器（嵌入式系统）或RTU变成计算机能够识别和接受的数据信息，再通过通信模块将这些数据信号传送给信息中心数据库。

信息采集通信传输设计主要设备包括RTU、各类传感器（水位计、明渠流量计、明渠量水装置）传输、GSM/GPRS/CDMA通信模块、太阳能电池板、蓄电池等组成。如图1所示。

图1 信息采集通信设计图

灌水时可以根据实际情况采用不同的数据采集工作方式，主要有自报式、应答式、自报/应答兼容式三种工作方式。

（1）自报式

自报式的自动测报系统指监测站在水位发生变化时，其被测参量达到规定的增量变化时，测量站自动采集信息数据并进行存储，同时把监测到的数据向控制中心发送。

自报式监测设备采集到的信息数据自动向中心站进行单向的发送，数据只进行单向传输，即中心站只接收监测设备发来的数据，而不向监测设备发送信令信号。因此，自报式监测站系统结构简单，可靠性高、功耗低、抗干扰性能强，具有运行可靠和系统安装维护容易等优点，适合长期无人值守的野外使用。缺点是信号发送是随机的，在监测数据数量很多时，容易发生信号的碰撞。

（2）应答式

应答式的自动测报系统指当监测站监测数据有变化时，会自动采集、记录、存储这些数据，但不主动向中心站发送数据，只在接收到控制中心的检测命令后，才将存储的当前数据发送给中心站［3］。

应答式自动测报系统结构比较复杂，其信道是双向的，采集到的数据既要向上传输，而且还要接收中心站向下发送的信令信号。应答式自动测报系统会将采集的数据暂时保存在设备中，在收到中心站发送来的信号后再向上发送数据。应答式自动测报系统功耗较大，不适合长期无人值守的野外监测站。应答式自动测报系统由于收发双方有信令信号联系，比较灵活，可以按照指令发送采集的数据，数据传输不会产生错误。

（3）自报应答兼容式

自报应答兼容式既可实时上报监测数据，又可随时响应中心站向下发送的信令信号，具有自报式和应答式两种工作方式的特点，但设备更为复杂，功耗也更大。

根据以上分析比较，从系统供电、可靠性及维护等因素综合考虑，选择相适应的工作方式。地理位置复杂，供电条件和交通都不便的地点，选择简单和省电的自报式；对用户有特殊要求，需随时了解采集信息数据的监测站，采用自报应答兼容式。灌区量水信息采集在正常工作状态下，可按1～2小时间隔采集数据。突发应急状态时，采集频次可临时调整，缩短采集间隔时间。固定量水信息采集不能满足需要时，可安装移动监测点，对量水信息进行动态跟踪监测。总之，量水信息系统应在保证系统可靠的基础上，力求省电、简单，使其发挥有效的社会效益和经济效益。

2.2 信息传输系统设计

采集的信息数据通过通信模块传输至数据中心数据库。

监测站点采集信息的传输方式有很多：光纤、超短波、卫星、GSM、GPRS以及物联网等，不同的通信方式适用于不同的应用场合，和距离、带宽、环境条件及投资都有关系。

（1）超短波

超短波频段一般在30MHz～3000MHz。在水利数据监测系统中，实时实测信息数据通过监测终端机（RTU），经过编码处理，制成射频载波并进行功率放大后发射到中继站接收。中继站对接收到射频信号后解调成数字信号，经纠错编码、数据再生等处理后再发送到中心站。中心站将接收到的信号进行解调、译码，由前置计算机传送到主计算机系统［4］。

（2）卫星传输

对于移动通信信号覆盖不到的地点，采用卫星通信，是一种行之有效的办法。卫星通信适用于地形复杂、偏远区域的通信，具有覆盖范围广、传输距离远等优点。缺点是价格较贵，卫星终端设备、使用和运行维护成本较高。

（3）GSM移动通信信道

利用GSM手机的短信息功能传送水利数据或其他短数据，不须自建通信网络，站点之间的传输信号不易相互干扰，而且设备耗电省，费用低。

（4）GPRS通用无线分组业务

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。具有实时性强、传输可靠性高、传输范围广、传输功耗小和成本低等优点，可远程控制各监测点设备，野外的供电环境要求低。

综上所述，选择时应根据建设成本、环境条件和运行费用进行综合考虑，确定和选择适合的组网方式。根据项目站点分散，距离较远，环境复杂，视频信号转换成定时照片信号传输带宽要求不高等多种因素，选择相应的传输方案。

3 结束语

在深入调查灌区量测水等水利基础设施建设情况的基础上，根据管理体制及特点，结合部门机构设置情况，采用云计算、大数据等高新信息化技术，高起点搭建项目框架，设计支持整体业务的量测水信息化系统，选择信息采集设备和技术架构方案，制定保障制度体系运行维护措施等，保证系统的扩展性和兼容性，为业务系统的功能升级、技术更新留有余地，从而促进灌区管理和服务水平登上新台阶。