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)河務水庫管理站，陜西 榆林 719100)

陜西省橫山區(qū)雷惠渠灌區(qū)位于橫山區(qū)東北部的無定河中游河谷川道地區(qū)，始建于上個世紀三十年代。渠首建在橫山區(qū)雷龍灣鄉(xiāng)無定河的峽谷地段，距橫山縣城約30 km。建國后，幾經(jīng)擴建延長，現(xiàn)干渠總長45 km，東西支渠長13 km，各類渠系建筑物347座，設(shè)計流量4 m3/s[1]，設(shè)計灌溉面積1.7萬hm2，有效灌溉面積1.5萬hm2，實際灌溉面積0.1萬hm2。受益區(qū)包括雷龍灣、橫山、波羅3個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的20個行政村以及石馬洼農(nóng)場的5個分場和1個林場，受益人口4萬多人。由于雷惠渠建設(shè)年代較早，工程設(shè)計標準低，經(jīng)過多年的運行，工程老化損壞嚴重[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)作物需水的時效性、灌溉供水的動態(tài)性、提高水資源利用效益的系統(tǒng)性等方面的特點，導致其灌溉管理工作極具復雜性。為了加強其管理，需對灌區(qū)測水量水信息化進行分析。

1 系統(tǒng)建設(shè)任務

雷惠渠灌區(qū)測水量水信息化系統(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量、采集、傳輸、存儲、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、瞬時流量、累計流量測報站點，并利用現(xiàn)代移動無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)自動化程度較高的實用、可靠、先進、高效測水量水信息采集系統(tǒng)。建成后的系統(tǒng)具備現(xiàn)場讀數(shù)、實時電腦和手機客戶端遠程登錄、遠程數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)報表生成和分析、數(shù)據(jù)資料直觀顯示和表格化顯示，以及數(shù)據(jù)資料的實用性導出和打印(導出Excel報表，可供人工二次操作使用)；實現(xiàn)灌區(qū)水費征收的流量統(tǒng)計；系統(tǒng)軟、硬件充分考慮后期擴容和升級，硬件加設(shè)多用途端口，系統(tǒng)軟件具備后期擴容升級能力。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

雷惠渠灌區(qū)測水量水信息自動化系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r、準確、快速、自動的采集各個遙測站的自動化信息，為應用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對汛情險情的實時監(jiān)視和監(jiān)測。

(1)系統(tǒng)應滿足10 min內(nèi)完成一次全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)收集、處理和存儲的要求。

(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，流速傳感器測量精度為±0.5%，水位計精度為±1 mm,整個系統(tǒng)精度為±2.5%，精確度高。

(7)具有主備信道自動檢測能力，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)能依賴脈沖波動在無人狀態(tài)下準確地完成檢測工作，具有在-20～50 ℃的較大適用溫度范圍的性能，并且能耗低，平均故障間隔時間要大于4萬h，適用于野外簡陋的工作環(huán)境和無人值守的工作要求。

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

3 信息自動化系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 測水量水遙測站網(wǎng)布設(shè)

雷惠渠灌區(qū)測水量水信息自動化設(shè)計方案，測水量水信息采集系統(tǒng)建設(shè)覆蓋雷惠渠灌區(qū)主干渠、干渠遙測站點測報點。

(1)建設(shè)雷惠渠灌區(qū)灌溉管理局總控中心。

(2)建設(shè)4個分布雷惠渠灌區(qū)干渠、東支渠、西支渠的遙測信息站點，同時根據(jù)水位、平均流速、瞬時流量、累計流量，可以掌握各個測站的水位、流速、流量等數(shù)據(jù)。信息站點供電采用太陽能供電。

3.2 測水量水信息采集通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

利用GPRS 通用無線分組建立雷惠渠測水量水系統(tǒng)，由遙感自動檢測系統(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)測點整個系統(tǒng)通過遙感自動檢測系統(tǒng)檢測到實時的水情水量數(shù)據(jù)，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡通信在線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和貯存系統(tǒng)，該系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)立即進一步分析，采集的有用信息貯存在數(shù)據(jù)中心，需要時可以隨時調(diào)用。對于每個采集通信組來說，具有在線快捷、成本經(jīng)濟、適應面廣等諸多優(yōu)點，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。但是對與整個監(jiān)測點來講，遙感檢測設(shè)備的供電程度直接決定了遙感檢測數(shù)據(jù)的信號強弱，所以這也決定了整個通信網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的信號強弱。

3.3 測水量水信息系統(tǒng)采用遠程終端客戶機模式通信組網(wǎng)

遠程終端工作在客戶機模式是指終端與GPRS網(wǎng)絡建立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)前置機指定的TCP服務端口發(fā)起TCP連接請求，正常情況下主站應該響應終端的TCP連接請求并通過TCP連接協(xié)商建立TCP連接，連接建立成功后終端按照應用層通信協(xié)議向主站發(fā)送登錄請求，主站按照應用層通信協(xié)議應答登錄確認，終端接收到主站的登錄確認后，撥號及TCP鏈路建立流程結(jié)束，進入正常通信流程。

考慮到GPRS網(wǎng)絡資源的分配模式，在GPRS終端長期無數(shù)據(jù)流量的情況下，網(wǎng)絡將會回收網(wǎng)絡資源，導致GPRE終端不能實時通信。為了滿足終端與系統(tǒng)實時通信的需求，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)送心跳報文，并通過檢測主站回復的心跳應答檢測當前TCP連接的狀態(tài)。

在客戶機模式下，終端和主站之間建立起來的TCP長連接是長期保持的，除了由于網(wǎng)絡原因，TCP連接的兩端設(shè)備都不應該中斷連接，若終端檢測到TCP連接終端則會主動再次發(fā)起TCP連接。

終端客戶機模式的應用系統(tǒng)中，終端和系統(tǒng)前置機維持TCP長連接，并在連接中斷時能夠及時檢測并恢復連接，因此遠程終端和主站可以維持全雙工的實時通信。這種技術(shù)適用于測水量水信息系統(tǒng)通信實時性要求較高的系統(tǒng)。

3.4 測水量水系統(tǒng)工作制式

系統(tǒng)采用GPRS查詢應答兼容的工作制式。雷惠渠灌區(qū)的各渠道水量監(jiān)測點通過用戶申請到專用VPN，即GPRS通訊方式。每個用戶有固定的IP地址，雷惠渠灌區(qū)灌溉管理處的測水量水系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通過專用的GPRS專用IP與各監(jiān)測點建立數(shù)據(jù)通道，但這些監(jiān)測點之間不能互通。這就保證了各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)能及時準確地傳入數(shù)據(jù)中心，確保數(shù)據(jù)的實時性、安全性，又不發(fā)生交錯混亂。再者，專有的VPN用戶傳輸?shù)男畔⒘看?，不會造成因網(wǎng)絡堵塞而造成的數(shù)據(jù)丟失，即使是遠程下載，也不會妨礙下載速度，即使偶爾掉線也會自動連接成功。

3.5 測水量水系統(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)對來自測水量水自動化系統(tǒng)中各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行接收、處理、上報的整體管理部門，總控中心要具備有解碼的應用軟件系統(tǒng)、辦公計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。

3.5.2 遙感監(jiān)測點的構(gòu)成

遙測站由遙測終端機(RTU)、信息采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、遙測供電設(shè)備四部分組成[3]。主要通過RTU、采集裝置和傳輸裝置，對監(jiān)測站點的水量數(shù)據(jù)進行遙感采集、存儲、傳輸、分析，以完成灌區(qū)渠道實時水量的監(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站所有水文參數(shù)的收集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、入庫的時間不超過10 min；收集所有測站的數(shù)據(jù)，并自動入庫、備份；進行查詢、整編、數(shù)字顯示、報圖報表和報警提示。

(2) 遙感監(jiān)測點主要功能。水位觀測設(shè)備采用壓力水位計。當水位達到一定高度時，水位計壓力與高度成正比，自動檢測數(shù)據(jù)，并將采集的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉K端。平均流速采集采用電磁式流速計進行斷面流速的采集，通過采集終端計算出平均流速。由水位、平均流速、斷面尺寸計算出瞬時流量，從而計算出累計流量。

系統(tǒng)遙感監(jiān)測點通訊方式采用GPRS通訊方式。 系統(tǒng)采用GPRS查詢應答兼容的工作制式。

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跟蹤測速器、微處理器、數(shù)控界面。為了確保測量數(shù)據(jù)的準確性，選用水位自動跟蹤測速器檢測水位值和平均流速，微處理器根據(jù)預先設(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)，便可自動計算出渠道的流量結(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、瞬時平均流速、瞬時流量、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)測點大多處在田野、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)測點的通訊模塊要具備建設(shè)成本低、維護費用低、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、流速儀。在本系統(tǒng)中，總干渠上的水位采集點相對比較重要。為了保證系統(tǒng)的可靠性和測量精度，擬采用壓力水位計。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

水利信息自動化是灌區(qū)發(fā)展的必選、必經(jīng)之路，文章針對黃土高原灌區(qū)工程分散性強、水源有限、水雨情變化多端、農(nóng)作物需水時效性強特點，通過分析探討，提出雷惠渠灌區(qū)灌溉管理局建立 “總控中心自動控制灌區(qū)測水量水”智能化管理平臺，利用先進的量水測水技術(shù)，使得有效的水資源發(fā)揮更大的作用，同時為判斷減輕洪澇災害提供科學依據(jù)。在雷惠渠灌區(qū)實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)進行自動化建設(shè)參考。