玛纳斯河流域信息化监测系统设计研究

陶 晨

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

新疆玛纳斯河流域信息化系统单一、落后，信息化效率低，不能有效获取水量的各项特征指标，导致用水调度一般仅靠经验来操作，不利于灌区的高效运行与发展[1-3]。通过现代技术对河流流域信息进行有效提取与应用，可为流域产业高质量发展奠定扎实基础, 促进玛纳斯河流域的良性发展。本文通过文献调研[4-10], 针对新疆玛纳斯河流域信息化发展建设的不足，通过信息化技术开发设计了一套新型信息化监测系统，包括水位及流量监测系统、水质监测系统，并将其集成设计为综合监测系统研究，对险情做出及时预报，一定程度地提高了信息化监测效率，值得推广应用。

本文设计的水位监测方法是在河岸上建立消力井，或连接到固定结构(如桥墩或桥梁支架)上的消力井。如图1所示，水下取水口允许水进入水面相同高度的消力井，然后，浮子或传感器——无论是压力、光学还是声学——可测量井内的水位。电子记录设备或数据记录器定期记录阶段测量值，每15 min一次。此外遥测系统也可能存在于静水井中，允许数据实时远程传输到主机。在需要测流的地方安装消力井可能并不一定具有成本效益或节省空间，在这些情况下，可以使用安装在沿着河岸的PVC或金属管内的通风压力传感器测量水位。在桥梁或高架结构可用于仪表安装的位置，也可以使用非接触式雷达或超声波水位传感器。此外，必须始终相对于恒定的参考标高或基准来测量水位，根据项目的持续时间，可能有必要定期测量水位计结构及其基准的高程，以确保高程不会因沉降或自然侵蚀而改变。

水位流量关系或“额定值”是一个动态变量，通过比较水位计处的水位与同一点的流量来确定。只有通过测量多个水位范围内的流量，才能建立精确的水位流量关系。此外，应持续调查河道是否因侵蚀、泥沙沉积、植被生长和结冰而发生变化。当在足够多的水位之间建立流量时，水位流量关系可以以图形的形式可视化。当这种关系通过定期更新得到适当维护时，它可以为给定的河流或河流提供有用的流量信息。

玛纳斯河流域监测项目也需要对水质进行观察和测量。当前不同品牌、不同型号的多参数探测仪各不相同，多参数探测仪通常具有一系列端口，用于连接电导率、温度、深度、pH值、溶解氧、浊度和液位传感器和探头。理想情况下，这些传感器应可在现场更换，以便进行即兴维护和系统修改。一些探空仪将配备内置传感器，留出更多传感器端口用于额外测量。大多数探空仪都有一个内部电池和内存，因此可以在没有定期出勤的情况下长时间部署。数据记录器和外部电源连接允许更长时间的部署，尤其是通过无线遥测实时访问数据时。第一级结构设计中，先将PCB安装在组件和传感器在上面，之后将BLYNK应用程序安装在Android版本中以查看输出。当系统启动，给设计模块提供直流电流，以接通Arduino和WIFI，传感器接口包括pH传感器、温度传感器和浊度传感器等。模型内置ADC和WIFI模块，将嵌入式设备连接到Internet，传感器则连接到Arduino UNO板用于监控数据，ADC将转换相应的传感器所读取的数字值，最后将其传输到主机，实现对玛纳斯河流水质进行实时监测。

有许多水文和水质参数可以在溪流或河流中测量，但一个监测项目的需求可能与另一个有很大不同。监测点的数量、位置以及每个项目使用的仪器将因项目而异，但通常的解决方案是围绕至少一个测流仪点和相关仪器。为了有效，应实时提供测量数据。最简单、最有效的方法是在河岸或直立结构(如桥墩或桥梁支架)上安装测流站。围绕静水井建造的流量计可以包含其他仪器，例如配备传感器阵列的多参数探空仪，以及数据记录器和遥测系统。有多种遥测选项可供选择，任何计算机都可以提供连续的实时数据。这确保了项目的顺利运行，如果超出参数限制，任何控制措施都可以立即实施。集成数据记录系统是一个实时监测站，其中包含数据记录器、遥测模块和电源/充电电源。由于向监控位置运行交流电源通常成本高昂，因此使用集成太阳能电池板持续为12VDC电池充电，以实现自主运行。多参数探空仪为在同一地点部署多个传感器提供了一个多功能平台。这些探空仪还可以作为传感器和数据记录器或电源之间的接口。潜水压力传感器测量大气和其上方水头施加在其上的组合压力。电缆中的通风管会自动校正大气压力影响，遥测技术提供对数据的实时访问。无线通信可以是无线电对岸、蜂窝或基于卫星的。通过基于云的数据中心，可以全天候即时访问项目数据。监控数据可以实时查看，也可以作为图表来识别趋势。当指定参数超过预定义限制时，可通过文本或电子邮件发送实时自动警报。图2为本次设计的综合监测系统。

图2 综合监测系统

监测目标将确定河流或河流站的大致位置，还必须考虑现场的具体特征，以确保监测项目的成功。在选择场地时，必须考虑场地的物理限制、到达场地所需的时间和物理通道以及安全问题。监控位置应相对容易接近，以便携带设备进行定期校准和维护。如果使用遥测，确定是否有足够的蜂窝覆盖范围从站点获取信号，否则可能需要卫星遥测。选择安装地点时，应确保横梁占据的物理区域内的流动条件合理恒定，传感器应位于通道的直线段，远离可能导致流量分布变化的曲线位置。此外，因避免现场上游或下游的人为控制，流量结构，因为这可能会改变流量剖面，使额定值的制定变得困难。

此外，应该确保数据记录和遥测设备安装在高水位线以上，根据最低预期阶段安装传感器，以防止其被洪水淹没或被高水位损坏。另外还需考虑冰在冬天是否会形成，尽量将传感器安装在冻结线以下。对于泥沙问题，应该尽可能尝试垂直消力井，传感器安装管道应使用底部销牢固地连接到河流或河岸，以便传感器始终重新部署在同一位置。任何可能暴露在地面附近的传感器电缆都应穿过导管连接到数据记录器盒。

本次设计的监测系统目前已在PC端上进行实时运用。该系统还结合山洪灾害监测预警平台和图像视频平台的功能实现了对水利工程的水雨情监测信息、基础信息、责任人等查询和管理，能够结合水利工程的防洪指标、汛限指标第一时间发出短信预警通知，方便县乡二级的领导和工作人员及时响应，做好应对方案。同时通过管理员权限每年都有更新水利工程基础信息、防洪指标、责任人、预警规则等信息，以保证平台的可用性。在移动端上，结合APP的功能实现了对玛纳斯河流的实时信息和基础信息在手机上的随时随地查询，即便不在办公室，也能够及时查询确认信息。移动端的信息管理也能够通过PC端进行基础信息、库容曲线、预警指标等更新，因此值得推广应用。

新疆玛纳斯河流域信息化系统单一、落后，信息化效率低，不能有效获取水量的各项特征指标，导致用水调度一般仅靠经验来操作，不利于灌区的高效运行与发展。本文通过现代技术先设计了一种消力井式水位测量系统，该系统可定期记录阶段测量值，允许数据实时远程传输到主机；
之后开发了一个基于嵌入式C语言程序设计的多接口传感器线路，实现对玛纳斯河流水质进行实时监测；
最后将所有设计系统集成到一个实时监测站，通过基于云的数据中心，可以全天候即时访问项目数据。监控数据可以实时查看，也可以作为图表来识别趋势。当指定参数超过预定义限制时，可通过文本或电子邮件发送实时自动警报。当前，通过对玛纳斯河流检测区域的温度、风速、水位等监测数据变化趋势可知，该系统运行稳定且高效，值得应用推广。