陶 晨

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

新疆瑪納斯河流域信息化系統(tǒng)單一、落后，信息化效率低，不能有效獲取水量的各項特征指標，導致用水調(diào)度一般僅靠經(jīng)驗來操作，不利于灌區(qū)的高效運行與發(fā)展[1-3]。通過現(xiàn)代技術對河流流域信息進行有效提取與應用，可為流域產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定扎實基礎, 促進瑪納斯河流域的良性發(fā)展。本文通過文獻調(diào)研[4-10], 針對新疆瑪納斯河流域信息化發(fā)展建設的不足，通過信息化技術開發(fā)設計了一套新型信息化監(jiān)測系統(tǒng)，包括水位及流量監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并將其集成設計為綜合監(jiān)測系統(tǒng)研究，對險情做出及時預報，一定程度地提高了信息化監(jiān)測效率，值得推廣應用。

1 水位及流量監(jiān)測系統(tǒng)

本文設計的水位監(jiān)測方法是在河岸上建立消力井，或連接到固定結(jié)構(gòu)(如橋墩或橋梁支架)上的消力井。如圖1所示，水下取水口允許水進入水面相同高度的消力井，然后，浮子或傳感器——無論是壓力、光學還是聲學——可測量井內(nèi)的水位。電子記錄設備或數(shù)據(jù)記錄器定期記錄階段測量值，每15 min一次。此外遙測系統(tǒng)也可能存在于靜水井中，允許數(shù)據(jù)實時遠程傳輸?shù)街鳈C。在需要測流的地方安裝消力井可能并不一定具有成本效益或節(jié)省空間，在這些情況下，可以使用安裝在沿著河岸的PVC或金屬管內(nèi)的通風壓力傳感器測量水位。在橋梁或高架結(jié)構(gòu)可用于儀表安裝的位置，也可以使用非接觸式雷達或超聲波水位傳感器。此外，必須始終相對于恒定的參考標高或基準來測量水位，根據(jù)項目的持續(xù)時間，可能有必要定期測量水位計結(jié)構(gòu)及其基準的高程，以確保高程不會因沉降或自然侵蝕而改變。

水位流量關系或“額定值”是一個動態(tài)變量，通過比較水位計處的水位與同一點的流量來確定。只有通過測量多個水位范圍內(nèi)的流量，才能建立精確的水位流量關系。此外，應持續(xù)調(diào)查河道是否因侵蝕、泥沙沉積、植被生長和結(jié)冰而發(fā)生變化。當在足夠多的水位之間建立流量時，水位流量關系可以以圖形的形式可視化。當這種關系通過定期更新得到適當維護時，它可以為給定的河流或河流提供有用的流量信息。

2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

瑪納斯河流域監(jiān)測項目也需要對水質(zhì)進行觀察和測量。當前不同品牌、不同型號的多參數(shù)探測儀各不相同，多參數(shù)探測儀通常具有一系列端口，用于連接電導率、溫度、深度、pH值、溶解氧、濁度和液位傳感器和探頭。理想情況下，這些傳感器應可在現(xiàn)場更換，以便進行即興維護和系統(tǒng)修改。一些探空儀將配備內(nèi)置傳感器，留出更多傳感器端口用于額外測量。大多數(shù)探空儀都有一個內(nèi)部電池和內(nèi)存，因此可以在沒有定期出勤的情況下長時間部署。數(shù)據(jù)記錄器和外部電源連接允許更長時間的部署，尤其是通過無線遙測實時訪問數(shù)據(jù)時。第一級結(jié)構(gòu)設計中，先將PCB安裝在組件和傳感器在上面，之后將BLYNK應用程序安裝在Android版本中以查看輸出。當系統(tǒng)啟動，給設計模塊提供直流電流，以接通Arduino和WIFI，傳感器接口包括pH傳感器、溫度傳感器和濁度傳感器等。模型內(nèi)置ADC和WIFI模塊，將嵌入式設備連接到Internet，傳感器則連接到Arduino UNO板用于監(jiān)控數(shù)據(jù)，ADC將轉(zhuǎn)換相應的傳感器所讀取的數(shù)字值，最后將其傳輸?shù)街鳈C，實現(xiàn)對瑪納斯河流水質(zhì)進行實時監(jiān)測。

3 綜合監(jiān)測系統(tǒng)研究

有許多水文和水質(zhì)參數(shù)可以在溪流或河流中測量，但一個監(jiān)測項目的需求可能與另一個有很大不同。監(jiān)測點的數(shù)量、位置以及每個項目使用的儀器將因項目而異，但通常的解決方案是圍繞至少一個測流儀點和相關儀器。為了有效，應實時提供測量數(shù)據(jù)。最簡單、最有效的方法是在河岸或直立結(jié)構(gòu)(如橋墩或橋梁支架)上安裝測流站。圍繞靜水井建造的流量計可以包含其他儀器，例如配備傳感器陣列的多參數(shù)探空儀，以及數(shù)據(jù)記錄器和遙測系統(tǒng)。有多種遙測選項可供選擇，任何計算機都可以提供連續(xù)的實時數(shù)據(jù)。這確保了項目的順利運行，如果超出參數(shù)限制，任何控制措施都可以立即實施。集成數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是一個實時監(jiān)測站，其中包含數(shù)據(jù)記錄器、遙測模塊和電源/充電電源。由于向監(jiān)控位置運行交流電源通常成本高昂，因此使用集成太陽能電池板持續(xù)為12VDC電池充電，以實現(xiàn)自主運行。多參數(shù)探空儀為在同一地點部署多個傳感器提供了一個多功能平臺。這些探空儀還可以作為傳感器和數(shù)據(jù)記錄器或電源之間的接口。潛水壓力傳感器測量大氣和其上方水頭施加在其上的組合壓力。電纜中的通風管會自動校正大氣壓力影響，遙測技術提供對數(shù)據(jù)的實時訪問。無線通信可以是無線電對岸、蜂窩或基于衛(wèi)星的。通過基于云的數(shù)據(jù)中心，可以全天候即時訪問項目數(shù)據(jù)。監(jiān)控數(shù)據(jù)可以實時查看，也可以作為圖表來識別趨勢。當指定參數(shù)超過預定義限制時，可通過文本或電子郵件發(fā)送實時自動警報。圖2為本次設計的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 綜合監(jiān)測系統(tǒng)

4 監(jiān)測系統(tǒng)位置及安裝

監(jiān)測目標將確定河流或河流站的大致位置，還必須考慮現(xiàn)場的具體特征，以確保監(jiān)測項目的成功。在選擇場地時，必須考慮場地的物理限制、到達場地所需的時間和物理通道以及安全問題。監(jiān)控位置應相對容易接近，以便攜帶設備進行定期校準和維護。如果使用遙測，確定是否有足夠的蜂窩覆蓋范圍從站點獲取信號，否則可能需要衛(wèi)星遙測。選擇安裝地點時，應確保橫梁占據(jù)的物理區(qū)域內(nèi)的流動條件合理恒定，傳感器應位于通道的直線段，遠離可能導致流量分布變化的曲線位置。此外，因避免現(xiàn)場上游或下游的人為控制，流量結(jié)構(gòu)，因為這可能會改變流量剖面，使額定值的制定變得困難。

此外，應該確保數(shù)據(jù)記錄和遙測設備安裝在高水位線以上，根據(jù)最低預期階段安裝傳感器，以防止其被洪水淹沒或被高水位損壞。另外還需考慮冰在冬天是否會形成，盡量將傳感器安裝在凍結(jié)線以下。對于泥沙問題，應該盡可能嘗試垂直消力井，傳感器安裝管道應使用底部銷牢固地連接到河流或河岸，以便傳感器始終重新部署在同一位置。任何可能暴露在地面附近的傳感器電纜都應穿過導管連接到數(shù)據(jù)記錄器盒。

5 監(jiān)測系統(tǒng)運行

本次設計的監(jiān)測系統(tǒng)目前已在PC端上進行實時運用。該系統(tǒng)還結(jié)合山洪災害監(jiān)測預警平臺和圖像視頻平臺的功能實現(xiàn)了對水利工程的水雨情監(jiān)測信息、基礎信息、責任人等查詢和管理，能夠結(jié)合水利工程的防洪指標、汛限指標第一時間發(fā)出短信預警通知，方便縣鄉(xiāng)二級的領導和工作人員及時響應，做好應對方案。同時通過管理員權限每年都有更新水利工程基礎信息、防洪指標、責任人、預警規(guī)則等信息，以保證平臺的可用性。在移動端上，結(jié)合APP的功能實現(xiàn)了對瑪納斯河流的實時信息和基礎信息在手機上的隨時隨地查詢，即便不在辦公室，也能夠及時查詢確認信息。移動端的信息管理也能夠通過PC端進行基礎信息、庫容曲線、預警指標等更新，因此值得推廣應用。

6 結(jié) 論

新疆瑪納斯河流域信息化系統(tǒng)單一、落后，信息化效率低，不能有效獲取水量的各項特征指標，導致用水調(diào)度一般僅靠經(jīng)驗來操作，不利于灌區(qū)的高效運行與發(fā)展。本文通過現(xiàn)代技術先設計了一種消力井式水位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可定期記錄階段測量值，允許數(shù)據(jù)實時遠程傳輸?shù)街鳈C；之后開發(fā)了一個基于嵌入式C語言程序設計的多接口傳感器線路，實現(xiàn)對瑪納斯河流水質(zhì)進行實時監(jiān)測；最后將所有設計系統(tǒng)集成到一個實時監(jiān)測站，通過基于云的數(shù)據(jù)中心，可以全天候即時訪問項目數(shù)據(jù)。監(jiān)控數(shù)據(jù)可以實時查看，也可以作為圖表來識別趨勢。當指定參數(shù)超過預定義限制時，可通過文本或電子郵件發(fā)送實時自動警報。當前，通過對瑪納斯河流檢測區(qū)域的溫度、風速、水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢可知，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定且高效，值得應用推廣。