黃貴龍，李 杰

(1.橫山區(qū)雷惠渠管理處，陜西 榆林 719100；2.橫山區(qū)河務(wù)水庫(kù)管理站，陜西 榆林 719100)

陜西省橫山區(qū)雷惠渠灌區(qū)位于橫山區(qū)東北部的無(wú)定河中游河谷川道地區(qū)，始建于上個(gè)世紀(jì)三十年代。渠首建在橫山區(qū)雷龍灣鄉(xiāng)無(wú)定河的峽谷地段，距橫山縣城約30 km。建國(guó)后，幾經(jīng)擴(kuò)建延長(zhǎng)，現(xiàn)干渠總長(zhǎng)45 km，東西支渠長(zhǎng)13 km，各類渠系建筑物347座，設(shè)計(jì)流量4 m3/s[1]，設(shè)計(jì)灌溉面積1.7萬(wàn)hm2，有效灌溉面積1.5萬(wàn)hm2，實(shí)際灌溉面積0.1萬(wàn)hm2。受益區(qū)包括雷龍灣、橫山、波羅3個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的20個(gè)行政村以及石馬洼農(nóng)場(chǎng)的5個(gè)分場(chǎng)和1個(gè)林場(chǎng)，受益人口4萬(wàn)多人。由于雷惠渠建設(shè)年代較早，工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，工程老化損壞嚴(yán)重[2]，渠系有效利用系數(shù)不足0.4。由于灌區(qū)工程具有分散性、水資源有限性、水情雨情多變，以及農(nóng)作物需水的時(shí)效性、灌溉供水的動(dòng)態(tài)性、提高水資源利用效益的系統(tǒng)性等方面的特點(diǎn)，導(dǎo)致其灌溉管理工作極具復(fù)雜性。為了加強(qiáng)其管理，需對(duì)灌區(qū)測(cè)水量水信息化進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)

雷惠渠灌區(qū)測(cè)水量水信息化系統(tǒng)是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，基于灌區(qū)設(shè)施基礎(chǔ)信息資源，深入開發(fā)出包括渠道水情信息的測(cè)量、采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和處理等功能的系統(tǒng)軟件，建立涵蓋雷惠渠灌區(qū)干支渠的水情、流速、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量測(cè)報(bào)站點(diǎn)，并利用現(xiàn)代移動(dòng)無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度較高的實(shí)用、可靠、先進(jìn)、高效測(cè)水量水信息采集系統(tǒng)。建成后的系統(tǒng)具備現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)、實(shí)時(shí)電腦和手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)報(bào)表生成和分析、數(shù)據(jù)資料直觀顯示和表格化顯示，以及數(shù)據(jù)資料的實(shí)用性導(dǎo)出和打印(導(dǎo)出Excel報(bào)表，可供人工二次操作使用)；實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水費(fèi)征收的流量統(tǒng)計(jì)；系統(tǒng)軟、硬件充分考慮后期擴(kuò)容和升級(jí)，硬件加設(shè)多用途端口，系統(tǒng)軟件具備后期擴(kuò)容升級(jí)能力。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

雷惠渠灌區(qū)測(cè)水量水信息自動(dòng)化系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、快速、自動(dòng)的采集各個(gè)遙測(cè)站的自動(dòng)化信息，為應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汛情險(xiǎn)情的實(shí)時(shí)監(jiān)視和監(jiān)測(cè)。

(1)系統(tǒng)應(yīng)滿足10 min內(nèi)完成一次全系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)的要求。

(2)工作頻段為GPRS/GSM900/1800/1900 MHz。

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率，短信息，9600 bps。

(4)系統(tǒng)暢通率≥98%。

(5)系統(tǒng)的通信誤碼率小于10-4。

(6)系統(tǒng)參數(shù)的精度，流速傳感器測(cè)量精度為±0.5%，水位計(jì)精度為±1 mm,整個(gè)系統(tǒng)精度為±2.5%，精確度高。

(7)具有主備信道自動(dòng)檢測(cè)能力，支持通信信道備份切換，并確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。

(8)系統(tǒng)能依賴脈沖波動(dòng)在無(wú)人狀態(tài)下準(zhǔn)確地完成檢測(cè)工作，具有在-20～50 ℃的較大適用溫度范圍的性能，并且能耗低，平均故障間隔時(shí)間要大于4萬(wàn)h，適用于野外簡(jiǎn)陋的工作環(huán)境和無(wú)人值守的工作要求。

(9)為有效的防止雷電的破壞，遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備抗雷擊≥1500 V。數(shù)據(jù)超限報(bào)警及設(shè)備故障報(bào)警。

3 信息自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 測(cè)水量水遙測(cè)站網(wǎng)布設(shè)

雷惠渠灌區(qū)測(cè)水量水信息自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案，測(cè)水量水信息采集系統(tǒng)建設(shè)覆蓋雷惠渠灌區(qū)主干渠、干渠遙測(cè)站點(diǎn)測(cè)報(bào)點(diǎn)。

(1)建設(shè)雷惠渠灌區(qū)灌溉管理局總控中心。

(2)建設(shè)4個(gè)分布雷惠渠灌區(qū)干渠、東支渠、西支渠的遙測(cè)信息站點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)水位、平均流速、瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，可以掌握各個(gè)測(cè)站的水位、流速、流量等數(shù)據(jù)。信息站點(diǎn)供電采用太陽(yáng)能供電。

3.2 測(cè)水量水信息采集通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

利用GPRS 通用無(wú)線分組建立雷惠渠測(cè)水量水系統(tǒng)，由遙感自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和貯存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)這四大部分組成。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)遙感自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到實(shí)時(shí)的水情水量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信在線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和貯存系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)立即進(jìn)一步分析，采集的有用信息貯存在數(shù)據(jù)中心，需要時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用。對(duì)于每個(gè)采集通信組來(lái)說(shuō)，具有在線快捷、成本經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)面廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。但是對(duì)與整個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)講，遙感檢測(cè)設(shè)備的供電程度直接決定了遙感檢測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)弱，所以這也決定了整個(gè)通信網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的信號(hào)強(qiáng)弱。

3.3 測(cè)水量水信息系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程終端客戶機(jī)模式通信組網(wǎng)

遠(yuǎn)程終端工作在客戶機(jī)模式是指終端與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立PPP連接后，終端作為TCP通信的客戶端根據(jù)配置的通信參數(shù)向系統(tǒng)前置機(jī)指定的TCP服務(wù)端口發(fā)起TCP連接請(qǐng)求，正常情況下主站應(yīng)該響應(yīng)終端的TCP連接請(qǐng)求并通過(guò)TCP連接協(xié)商建立TCP連接，連接建立成功后終端按照應(yīng)用層通信協(xié)議向主站發(fā)送登錄請(qǐng)求，主站按照應(yīng)用層通信協(xié)議應(yīng)答登錄確認(rèn)，終端接收到主站的登錄確認(rèn)后，撥號(hào)及TCP鏈路建立流程結(jié)束，進(jìn)入正常通信流程。

考慮到GPRS網(wǎng)絡(luò)資源的分配模式，在GPRS終端長(zhǎng)期無(wú)數(shù)據(jù)流量的情況下，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)回收網(wǎng)絡(luò)資源，導(dǎo)致GPRE終端不能實(shí)時(shí)通信。為了滿足終端與系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的需求，在TCP連接保持期間終端按照設(shè)定的心跳周期間隔定期向主站發(fā)送心跳報(bào)文，并通過(guò)檢測(cè)主站回復(fù)的心跳應(yīng)答檢測(cè)當(dāng)前TCP連接的狀態(tài)。

在客戶機(jī)模式下，終端和主站之間建立起來(lái)的TCP長(zhǎng)連接是長(zhǎng)期保持的，除了由于網(wǎng)絡(luò)原因，TCP連接的兩端設(shè)備都不應(yīng)該中斷連接，若終端檢測(cè)到TCP連接終端則會(huì)主動(dòng)再次發(fā)起TCP連接。

終端客戶機(jī)模式的應(yīng)用系統(tǒng)中，終端和系統(tǒng)前置機(jī)維持TCP長(zhǎng)連接，并在連接中斷時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè)并恢復(fù)連接，因此遠(yuǎn)程終端和主站可以維持全雙工的實(shí)時(shí)通信。這種技術(shù)適用于測(cè)水量水信息系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。

3.4 測(cè)水量水系統(tǒng)工作制式

系統(tǒng)采用GPRS查詢應(yīng)答兼容的工作制式。雷惠渠灌區(qū)的各渠道水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)用戶申請(qǐng)到專用VPN，即GPRS通訊方式。每個(gè)用戶有固定的IP地址，雷惠渠灌區(qū)灌溉管理處的測(cè)水量水系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通過(guò)專用的GPRS專用IP與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)通道，但這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間不能互通。這就保證了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能及時(shí)準(zhǔn)確地傳入數(shù)據(jù)中心，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、安全性，又不發(fā)生交錯(cuò)混亂。再者，專有的VPN用戶傳輸?shù)男畔⒘看?，不?huì)造成因網(wǎng)絡(luò)堵塞而造成的數(shù)據(jù)丟失，即使是遠(yuǎn)程下載，也不會(huì)妨礙下載速度，即使偶爾掉線也會(huì)自動(dòng)連接成功。

3.5 測(cè)水量水系統(tǒng)構(gòu)成

3.5.1 總控中心構(gòu)成

總控中心是雷惠渠灌區(qū)對(duì)來(lái)自測(cè)水量水自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、上報(bào)的整體管理部門，總控中心要具備有解碼的應(yīng)用軟件系統(tǒng)、辦公計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

3.5.2 遙感監(jiān)測(cè)點(diǎn)的構(gòu)成

遙測(cè)站由遙測(cè)終端機(jī)(RTU)、信息采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、遙測(cè)供電設(shè)備四部分組成[3]。主要通過(guò)RTU、采集裝置和傳輸裝置，對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水量數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感采集、存儲(chǔ)、傳輸、分析，以完成灌區(qū)渠道實(shí)時(shí)水量的監(jiān)控、調(diào)整和操控。

3.6 系統(tǒng)主要功能

(1)總控中心功能。完成一次所屬全部遙測(cè)站所有水文參數(shù)的收集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、入庫(kù)的時(shí)間不超過(guò)10 min；收集所有測(cè)站的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)入庫(kù)、備份；進(jìn)行查詢、整編、數(shù)字顯示、報(bào)圖報(bào)表和報(bào)警提示。

(2) 遙感監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要功能。水位觀測(cè)設(shè)備采用壓力水位計(jì)。當(dāng)水位達(dá)到一定高度時(shí)，水位計(jì)壓力與高度成正比，自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉K端。平均流速采集采用電磁式流速計(jì)進(jìn)行斷面流速的采集，通過(guò)采集終端計(jì)算出平均流速。由水位、平均流速、斷面尺寸計(jì)算出瞬時(shí)流量，從而計(jì)算出累計(jì)流量。

系統(tǒng)遙感監(jiān)測(cè)點(diǎn)通訊方式采用GPRS通訊方式。 系統(tǒng)采用GPRS查詢應(yīng)答兼容的工作制式。

4 設(shè)備選型

4.1 智能流量終端采集器

智能流量終端采集器核心部件為水位自動(dòng)跟蹤測(cè)速器、微處理器、數(shù)控界面。為了確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選用水位自動(dòng)跟蹤測(cè)速器檢測(cè)水位值和平均流速，微處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的渠道的邊坡系數(shù)、渠道寬度、水利坡道、流速垂直平面系數(shù)，便可自動(dòng)計(jì)算出渠道的流量結(jié)果，并將該結(jié)果顯示在智能流量終端采集器數(shù)控界面。流量顯示儀屏幕在白天和夜晚都能夠清晰讀數(shù)，輸出功能齊全，可以顯示水位、瞬時(shí)平均流速、瞬時(shí)流量、累積流量，具有數(shù)據(jù)保存等功能。

4.2 GPRS通訊模塊的選型

渠道水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)大多處在田野、位置偏僻、環(huán)境惡劣的地方，并且分布范圍廣，因此，水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通訊模塊要具備建設(shè)成本低、維護(hù)費(fèi)用低、傳輸速度快、確保傳輸通暢等功能。而GPRS通訊模塊剛好符合要求。

4.3 傳感器的選型

本系統(tǒng)中采用的傳感器有：水位計(jì)、流速儀。在本系統(tǒng)中，總干渠上的水位采集點(diǎn)相對(duì)比較重要。為了保證系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度，擬采用壓力水位計(jì)。流速儀傳感器有很多廠家，由于電磁式流速儀比較穩(wěn)定可靠，故采用電磁式流速儀。

5 結(jié) 語(yǔ)

水利信息自動(dòng)化是灌區(qū)發(fā)展的必選、必經(jīng)之路，文章針對(duì)黃土高原灌區(qū)工程分散性強(qiáng)、水源有限、水雨情變化多端、農(nóng)作物需水時(shí)效性強(qiáng)特點(diǎn)，通過(guò)分析探討，提出雷惠渠灌區(qū)灌溉管理局建立 “總控中心自動(dòng)控制灌區(qū)測(cè)水量水”智能化管理平臺(tái)，利用先進(jìn)的量水測(cè)水技術(shù)，使得有效的水資源發(fā)揮更大的作用，同時(shí)為判斷減輕洪澇災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。在雷惠渠灌區(qū)實(shí)施智能化水利信息化管理具有重要意義。雷惠渠灌區(qū)地處陜北橫山縣，在黃土高原上具有普遍的適用性，可供黃土高原區(qū)灌區(qū)進(jìn)行自動(dòng)化建設(shè)參考。