戴紅，武建，馬士峰

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014)

0 引言

當前中國水利工程建設(shè)與發(fā)展面臨的主要問題，已經(jīng)由過去自然水患、突發(fā)水情的治理，轉(zhuǎn)變?yōu)閷λY源生態(tài)環(huán)境、水利工程的監(jiān)管。面對互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展的大勢，各地區(qū)水利部門應利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對現(xiàn)有的地表水高度、地下水情、水質(zhì)等情況，以及水利工程建設(shè)、投入使用過程中的滲流狀況，作出全方位的參數(shù)檢測、數(shù)據(jù)信息獲取、數(shù)據(jù)整合分析，提出智慧化水利總體架構(gòu)的建設(shè)建議，來為水利信息監(jiān)測人員的管理工作提供支持。

1 智慧水利信息化系統(tǒng)

智慧化水利信息系統(tǒng)，就是將多種傳感器、感應器等硬件設(shè)備，安裝到水庫下泄口、水源地、放射源區(qū)域，然后借助物聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)，將這些物理硬件設(shè)備進行普遍連接，以形成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中多元數(shù)據(jù)信息的搜集、傳輸與分析。當前智慧化水利信息系統(tǒng)中，所用到的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要包括GPRS、CDMA、4G等通信技術(shù)，以及云計算、大數(shù)據(jù)服務器、水利監(jiān)控軟件平臺等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過利用多種物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，進行區(qū)域水利系統(tǒng)實時指標的更快速感知，可以對遇到的地表水上升、地下水情、水環(huán)境污染、突發(fā)洪水災害等情況，作出全面監(jiān)測，并以此為依據(jù)制定巡查管護、抗災指揮和應急管理方案。

而在智慧水利信息化體系中，通常存在水文遙測終端機、水位計、明渠流量計、雨量筒，以及水壓傳感器、電導率傳感器、溫度傳感器、水濁度傳感器、射頻識別傳感器等設(shè)備，自動收集有關(guān)水利工程運行、水文變化情況等的信息，可以幫助管理部門及時、全面地掌握傳輸?shù)乃臄?shù)據(jù)。之后由水利局監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)軟件服務平臺，對采集到的水文數(shù)據(jù)信息進行分布式計算、存儲，同時為用戶提供按照個人需求的網(wǎng)頁訪問、信息獲取和下載服務，從而完成更智慧的重點區(qū)域水利信息、水利問題管理工作。

2 智慧水利信息化系統(tǒng)在某地區(qū)的建設(shè)策略

自20世紀80年代以來，某地區(qū)就以水資源監(jiān)控、防汛抗旱等作為管理目標，建立了一大批具有重要作用的水利工程項目。經(jīng)過利用水利信息化系統(tǒng)的調(diào)查統(tǒng)計得出，某地區(qū)圍繞著大小河流、湖泊，共設(shè)置水雨情監(jiān)測點4 000多個，以及數(shù)據(jù)采集中心站3個、墑情站300余個。

某地區(qū)已經(jīng)建成擁有1∶250 000比例的水利電子地圖，地圖中會反應實時雨情、水情等狀況，以及歷史水文、防汛防旱工作的開展情況，可以對現(xiàn)存在的水情、墑情、水資源污染問題作出監(jiān)測。其中中小河流水文監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉、水土保持、防汛抗旱等的監(jiān)測預警，會利用多種傳感器監(jiān)測設(shè)備，通過骨干網(wǎng)連通的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合水資源污染、地表水文、水位高度、地下水變化、明渠灌溉流量、水災害等業(yè)務監(jiān)測需求，開展不同水利區(qū)域的系統(tǒng)化數(shù)據(jù)監(jiān)測、統(tǒng)計分析與存儲，并傳輸至省水利廳的政務內(nèi)網(wǎng)、單位業(yè)務網(wǎng)，確保水利工程建得起、用得好、用得久。

3 智慧水利信息化系統(tǒng)在水利工程中的具體應用

3.1 在水環(huán)境資源的污染狀況監(jiān)測中的應用

不同地區(qū)水務部門，在水資源監(jiān)控系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測過程中，往往會從江、河、湖或水庫等區(qū)域，利用水資源測控終端機、水濁度傳感器，進行水資源量的取用。由水利監(jiān)控軟件平臺為中心，對取水流量、水泵/閥門狀態(tài)、設(shè)備供電進行自動控制，遠程控制取水的計量。如：湖北、湖南等地區(qū)存在著大量的湖泊，對于湖泊水質(zhì)、水環(huán)境污染狀況的監(jiān)測，往往先確定某一區(qū)域的多個取水點，再利用無線網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)、取水設(shè)備及智能檢測軟件，進行水環(huán)境酸度、堿度、pH值、固體物、氯化物、氮磷污染物、硫化合物、重金屬等的監(jiān)測。在檢出多種水污染指標超標后，采取與之相對應的管理措施進行控制。

3.2 在地表水文、水位高度監(jiān)測中的應用

中國不同地區(qū)存在著很多大大小小的河流、湖泊，而在河流湖泊上建立的水壩，主要目的在于調(diào)整水位高度、控制水溫變化狀況。之后在面對洪澇災害時，使用多種傳感設(shè)備進行及時預警，以盡可能降低人員、經(jīng)濟財產(chǎn)等方面的損失。如水利部門需要實時監(jiān)測河流水位、水流流速、流量，以及在單位時間內(nèi)的降雨量變化情況，對監(jiān)測到的異常數(shù)據(jù)采取自動報警，由壩體自動打開排水、排用等端口，通過系統(tǒng)內(nèi)不同模塊之間的協(xié)調(diào)運作，便于工作人員及時調(diào)整監(jiān)控計劃、洪澇災害等的處理規(guī)劃，其系統(tǒng)拓撲實現(xiàn)的流程如圖1所示。

圖1 水文、水位高度監(jiān)測系統(tǒng)拓撲流程圖

根據(jù)圖1可以看出，主要由壓力式/浮子式水位計、超聲波/雷達水位計，進行多個水文監(jiān)測點數(shù)據(jù)信息的獲取，包括重要區(qū)域、容易發(fā)生洪澇災害的位置監(jiān)測，然后經(jīng)由水文遙測終端機對多元數(shù)據(jù)作出搜集。再通過利用GPRS、CDMA、4G等通信技術(shù)，將收到的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)資源傳輸至水利監(jiān)控軟件平臺，該平臺會作出地表水文、水位高度的處理與決策。

3.3 在地下水位、水溫、水質(zhì)變化的監(jiān)測中的應用

地下水的開采、變化規(guī)律等的監(jiān)測，對區(qū)域水資源的保護具有重要意義。當前地下水監(jiān)測系統(tǒng)，對地下水監(jiān)測所涉及的數(shù)據(jù)，包括水溫、水位、水質(zhì)等的內(nèi)容。通常也會在不同時段，借助于多種水位傳感器、水溫傳感器、水質(zhì)傳感器，以及地下水遙測終端機等裝置，針對取水、輸水、供水、用水、排水等的流通環(huán)節(jié)，在不同地下水監(jiān)測點進行相關(guān)數(shù)據(jù)指標的搜集，具體系統(tǒng)拓撲實現(xiàn)的流程如圖2所示。

圖2 水位、水溫、水質(zhì)變化監(jiān)測系統(tǒng)拓撲流程圖

在地下水遙測終端機搜集到不同類別的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，也會經(jīng)由GPRS、CDMA、4G等網(wǎng)絡(luò)通信渠道，將水溫、水位、水質(zhì)等數(shù)據(jù)傳輸至云服務器，由云服務器進行分布式計算處理后，再傳輸至云水利監(jiān)控軟件平臺、管理人員的手機APP客戶端，進而保證雨水收集、污水排放，以及區(qū)域水溫、水位、水質(zhì)等指標變化的實時監(jiān)控管理。

3.4 在明渠灌溉水位、流量監(jiān)測中的應用

明渠常常與農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域所連通，通過引水、排水、灌溉等方式，在不同時間段對水利系統(tǒng)的水位作出調(diào)整，同時為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉提供支持。因而明渠水位、流量監(jiān)測系統(tǒng)，往往根據(jù)渠道現(xiàn)場的水位、水流流量等數(shù)據(jù)，配置各類水位計、明渠流量計、水文遙測終端機等設(shè)備進行實時監(jiān)測，由多種傳感器統(tǒng)計明渠的水位高度、輸水狀態(tài)，再通過GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)通信渠道，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息傳輸至水利監(jiān)控軟件平臺。

當前各地區(qū)使用的農(nóng)田灌溉管理系統(tǒng)，是以IC卡刷卡取水的方式，取代傳統(tǒng)專人看管的管理模式。根據(jù)不同農(nóng)田區(qū)域的土壤溫度、濕度、pH值、降水量等監(jiān)測信息，利用水利監(jiān)控軟件平臺的控制指令，對不同時間段灌溉用時、用水量、用電量等用水信息，作出自動化采集、自動結(jié)算，以及獲取各機井取水量的數(shù)據(jù)。其中水利監(jiān)控軟件平臺可根據(jù)監(jiān)測需求，靈活擴展多種數(shù)據(jù)采集、存儲頻率功能，同時支持遠程設(shè)置遙測終端機的工作參數(shù)。

4 結(jié)語

利用物聯(lián)網(wǎng)智慧化信息交互技術(shù)，提出一套完整的水利信息化系統(tǒng)建設(shè)方案，圍繞水環(huán)境污染、地表水文或水位高度、地下水水位或水溫變化、明渠灌溉水位和流量等監(jiān)測方向，形成具有完善功能的水利業(yè)務服務模塊，可以解決區(qū)域水利行業(yè)發(fā)展的信息化問題。