浅谈十八团渠灌区水利信息化管理存在的问题及发展方向

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  【摘 要】 水利信息化是灌区水资源管理的高效技术力量,适时与国际、国内水利信息化技术衔接,不断完善信息化处理功能,提高水资源优化配置能力,是灌区经济快速发展和水资源高效利用的必要条件。
  【关键词】 灌区;信息化;高效管理
  前言:
  我国人口众多,水资源的紧缺已成为制约我国经济社会发展的重要因素。其中,农业用水占占总用水量的70%以上。目前全国共有万亩以上灌区5683处,其中30万亩以上的大型灌区400多处。近年来,水利部加强了水利信息化建设工作,以水利信息化建设推动水利现代化的发展。灌区信息化建设是水利信息化建设的重要内容之一,灌区信息化建设是实现水利部党组新的治水思路的要求,是促进农村水利现代化的根本手段。灌区信息化就是充分利用现代信息技术,深入开发河广泛利用灌区管理的信息资源,大大提高信息采集和加工的准确性以及传输的时效性,作出及时、准确的反馈和预测,为灌区管理部门提供科学的决策依据,提高灌区管理的效率和水平,促进灌区实现科学管理和高效管理的过程。
  一、灌区基本情况
  农二师十八团渠灌区位于孔雀河冲积平原和霍拉山冲积扇的中间地带,十八团渠位于新疆巴音郭楞蒙古自治州库尔勒境内。十八团渠是解放之初,1950年9月15日由解放军二军步兵六师十八团官兵开工兴建,1951年5月15日竣工通水,全长62.10公里,龙口设计引水量28m3/s,加大流量32m3/s.全年平均引水量2.5亿m3—2.8亿m3,渠首位于孔雀河第一分水枢纽右岸开敞式引水,1965年修建,4孔平板铸铁闸门,闸孔单宽3.5m,最大过流能力75m3/s,沿线节制闸8座,分水闸30座,退水闸4座,以及配套建筑物输水渡槽座,洪渡,桥梁,陡坡,纳洪口共计136座。是灌区骨干水利工程,水系属巴州地区开孔河流域。主要承担29团和30团以及库尔勒市部分乡镇等26个单位的灌溉供水任务,灌区面积42.7万亩。
  二、灌区水利信息化发展的脚步
  1、 水利信息化
  水情自动测报是水利信息化的重要内容,水利信息化是水利现代化的标志。水利信息化包括建立防汛指挥系统、水质信息系统和水资源实时监控管理系统等,对提高信息采集、传输时效及自动化水平有重要作用。最终为实现水资源优化配置提供手段,为防汛抗旱决策提供依据,为水利更好地服务经济社会发展创造条件。
  2、 信息化系统的通信方式
  目前,在灌区水管理信息化系统中可用的通信方式大约有以下5种:PSTN通信、超短波通信、GSM通信方式、以太网网桥无线通信、光纤通信。
  灌区水管理信息化系统中采用何种通讯方式应该考虑下列6个因素:
  (1)灌区的运行方式;
  (2)自动控制设备在系统中的位置;
  (3)系统运行的可靠性要求;
  (4)通信系统使用的费用;
  (5)通讯信道的结构;
  (6)数据获取和控制系统的要求等。
  灌区水管理信息化系统采用的通信方式必须根据各个灌区的地理特点和现有通信状况、各种通信方式的特点进行合理选择,切忌不顾实际情况,盲目追求先进。要尽量使用现有邮电公网,以降低系统的建设成本和维护成本;要根据系统中的不同要求采用不同的组网方式,例如信息采集时的数据量不大,可采用超短波、PSTN、GSM/GPRS等通信方式,闸门/泵站监控及视频监控数据量大,尽量采用光纤通信或以太网网桥无线通信方式。
  十八团渠灌区水利信息化系统采用的通信方式为GSM通信。主要考虑:灌区是渠系闸门启闭运行;自动化控制设备随节制闸、分水闸分布面积较大,距离较远;而移动公司的GSM信号覆盖面广泛、信号稳定,是进行无线通信的良好资源。随着GSM通信的推广,短消息业务作为灵活而方便的通信方式,已被公众普遍接受。利用GSM短消息平台资源作为数据传输通道传递信息,它综合了计算机、移动通信等高新技术,具有覆盖面广、可靠性高、数据传输准确、通信费用少、简单、快捷、方便、实用、费用低廉等优点。这也是选择GSM通信方式的重要原因。
  3、水利管理自动化监测设备
  灌区水管理信息化不同于水管理自动化。自动化的含义只是用各种自动控制装置实现对闸门、泵站等的自动控制,而信息化则是指管理过程全部通过数字信息来表达、运作和管理。它包括信息采集、传输、存储、处理、决策支持及控制,因此是一个更为完整的系统。因此系统协调性更好,建设效益更高。所以水管理信息化的实现技术包括的范围更广,涉及内容也更多,系统设计也更复杂。
  管理信息系统(MIS)是为某个管理工作服务的信息系统。作为一个系统,它本身有其目的性、集合性、关联性和界限性,作为一项管理工作,必然有其目标、计划、预测和决策等基本环节,管理的本质在于决策。管理信息系统应满足管理和信息系统的所有特性;且管理信息系统的核心功能是预测与控制,这是区别一般的信息系统或数据处理系统的主要标志所在。灌区水管理信息系统就是用于灌区水资源管理的信息采集、传输、存储、处理、决策支持及控制系统。它涉及到传感技术、雨量测量、水位测量、流量测量、闸位测量等主要技术。
  十八团渠灌区水利信息化管理系统现阶段涉及到的主要技术有传感技术、水位测量、流量测量。管理信息系統是通过前端电传感器采集水流数据信息,水位传感器是当水位测井中的水位变化时,由浮子牵动钢带使水位轮转动,经过齿轮变速后带动轴角式机械编码器。该编码器中装有码轮,用格雷码方式通过开关状态来表示相应的水位,水位传感器与GSM通信信息监测设备连接,以短信方式将实时监测水位数据通过GSM网络发送至信息处理中心(管理信息系统),与预先录入人工测流水位-流量关系曲线同时信息处理,实现实时水位-流量数据,完成信息化实时监测和水量统计。
  三、灌区水利信息化存在的问题及优化建设   水利信息化的首要任务是在全国水利业务中广泛应用现代信息技术,建设水利信息基础设施,解决水利信息资源不足和有限资源共享困难等突出问题,提高防汛减灾、水资源优化配置、水质监测、水利政务等水利业务中信息技术应用的整体水平,带动水利现代化。
  十八团渠灌区水利信息化目前还没有做到尽善尽美,需要优化完善信息化功能,进一步提高水资源优化配置、防汛减灾能力,全面提升灌区水利信息化技术水平,促进灌区农业和经济稳步快速发展。
  1、优化现有信息化技术功能
  目前,灌区信息化尚不能做到雨量测量、流量测量(直接通过流量传感器来量测)及闸位测量等技术。通过进一步完善信息化技术功能,提高灌区信息化整体水平。
  1.1雨量测量
  雨量测量国内目前仍广泛使用翻斗式雨量传感器,按照规范要求有0.1mm、0.2mm、0.5mm、1mm等四种,装置简单、价格低,测量精度都能满足要求,可以通过无线或有线通信方式将测量数据传输给远程计算机。
  翻斗式雨量传感器由集水漏斗、翻斗等机械部分和磁钢、舌簧管等电器部分组成。降雨通过漏斗进入机械双稳态组件构成的翻斗内,当雨水达到一定的量(0.5mm)时,引起翻斗翻转并产生一个通断信号,通过屏蔽电缆传送到电子编码器。
  1.2流量测量
  灌区的流量测量主要采用两种方式,一种是用测得的水位值换算出流量值;另一种是直接通过流量传感器来量测。
  目前国内、国际上进行河道流量测量的方法大致有缆道测流、超声波时差法测流、超声波多普勒侧视测流、流量计测量法和水工建筑物(涵闸)流量测量等5种:
  1.2.1缆道测流
  缆道测流是根据我国国情独创的一种测流方式,已发展了五十多年,其技术、设备较为成熟,特别是全自动缆道测流系统的建成,推动了缆道测流的进一步发展,使缆道测流成为水文流量测量的主要手段之一,测流精度可达到2~5%,而且無须其它借用条件和辅助设备。其不足之处是利用缆道测流目前尚无法实现流量的实时自动监测。但可用此方法与水位自动测报组合使用,即利用缆道流量法建立水位流量关系曲线,再通过对水位的自动测量,由计算机通过计算得到实际流量,从而实现较高精度的流量自动实时监测。
  1.2.2超声波时差法测流
  超声波时差法测量流速起源于20世纪70年代,经过近三十年的发展,现国内外均有定型产品用于管道和渠道的超声波时差法测流设备。该法能方便地解决断面不同水层的平均流速测量。近几年以美国、德国为代表的发达国家充分利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体,构成了实时在线的流量测量系统。目前德国出品的AF81000/33超声波流量测验仪器系统,其工艺装备技术指标基本符合系统工程的要求。本方法只适用于断面较稳定,有一定水深的断面,另外须借用断面面积参数(另用人工方法测量)和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后,才能正常启用。该仪器的最大特点是可做到在线连续测量,缺点是在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用。
  其建站总投资大于缆道测流站。
  1.2.3超声波多普勒侧视流速流量测验
  超声波多普勒侧视流量站主要由两个超声波探头组成,两束沿水平方向发射,利用多普勒原理测量本层水流某一段上各点的二维流速。其工作原理是将探头固定安装在水面下某一水深处,使探头上的两个声学传感器位于同一平面上,成一定角度向对岸发射,超声波遇到水中的气泡杂质等其频率发生变化,根据频率大小计算出本层水流某一段上各点的二维流速,另外,通过水位计测得水深。根据预先建立的数学模型得到断面平均流速,再根据河道的实际过流面积计算出流量值。如果断面是规则的,则断面利用流速面积法积分得到流量精度可达2~5%,如果是不规则断面则流量精度主要取决于建立数学模型的精度或取决于率定的精度。超声波多普勒侧视测流仪的最大优点是安装方便,可靠性高。但由于该设备只用一个水层流速来推算流量,其精度不太高,且价格不菲,故只用在总干渠上。
  1.2.4流量计法
  为了解决农田灌溉水中悬移质含沙量高、水草杂质多,渠道坡度平缓的平原灌区灌溉用水量的自动计量和长期自动累计的问题,灌区流量测量系统可采用浑水流量计与量水涵洞水工建筑物两部分组成灌溉渠道量水遥测站,根据各个站点组网形成灌区水量自动化监测系统。灌溉渠道中的水流从前部挡水墙进入测流涵洞,水流用到流量计的旋杯转子,使转子旋转,流速越大,其转速越快,转速N与单位时间过水流量Q显线性关系。即Q=K0N,式K0为反映仪器结构、测量涵洞水工建筑物、渠道和水流特性等综合因素的流量系数,因此在现场实际情况下,用流速法标定。流量系数K0确定,只要测得流量计的转速N,便可计算求得单位时间过水流量Q和累计用水量。只要不更换断面,K0值保持不变,则每次测量无须重新设置K0值。
  1.2.5水工建筑物(涵闸)流量测量
  水工建筑物(涵闸)流量测量方法之一:涵闸流量测量是根据闸门上下游水位及闸门开度,通过经验公式计算出闸门过流量。其优点是工程量小,设备简单,成本低,只要准确地测量出上下游的水位及闸门开度,即可换算出流量。但不足之处是需要人工进行标定,建立与经验公式的相关系数,其精度主要取决于人工确定流量关系曲线。
  水工建筑物流量测量方法二:采用量水建筑物安装与明渠过水槽中,让所测水量全部通过量水建筑物,建立起水位流量Q=CHn涵数关系,用高分辨率水位计测量槽中水位H,计算得到流量。
  1.3闸位测量
  灌区的闸位测量目前采用较多的还是机械编码式闸位计,与行程开关结合可以实现对闸门的自动控制和遥控。
  2、健全水利信息化系统资源
  水利信息化是一个庞大的系统工程,需要把各部门信息资源进行整合,实现水利信息资源的优化配置,进一步健全水利信息化系统资源,提高灌区水资源利用率和防汛减灾能力。水利信息化建设主要在以下4个方面:采集传输、数据存储、应用系统、展示。
  2.1采集传输
  目前,灌区信息化数据采集尚不具备采集能力主要包括:雨量监测、水质监测、视频会议、视频监控、地下水监测、山洪预警监测等。
  2.2数据储存
  购置灌区电子地图、DEM(1)数据、高分辨率航片等基础数据。根据国家相关标准建设统一数据库,数据集中存储、统一管理、同步使用。
  以信息化监测管理系统为依托,实现管理处、管理站的办公管理。如公文流转、电子邮件、信息查询、通知发布等可以通过局域网络或广域网络进行,实现在线实时办公,提高事务处理的透明度和效率。将来网络完善后,还可以举行视频会议,实现可视的远程异地办公和重大问题决策会商。
  2.3应用系统
  所有应用系统采用B/S构架(2):数据安全、方便使用、易于维护。需要建设和完善的主要应用系统主要有:水质监测系统、防汛抗旱指挥系统、水利电子政务系统、分中心信息系统。
  2.4展示
  完善水利、政务网站建设,加大水利信息社会公开程度,提高水利信息的社会服务水平。
  四、结语
  灌区信息化建设是水利信息化建设的重要内容之一,深入开发和广泛利用灌区管理的信息资源,大大提高信息采集的准确性以及传输的时效性,作出及时、准确的反馈和预测,为灌区管理提供科学的决策依据,提高灌区管理的效率和水平,促进灌区实现科学管理和高效管理。从而提高水利行业的技术水平,推动水利现代化的发展。
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