黄贵龙，李 杰

(1.横山区雷惠渠管理处，陕西 榆林 719100；2.横山区河务水库管理站，陕西 榆林 719100)

陕西省横山区雷惠渠灌区位于横山区东北部的无定河中游河谷川道地区，始建于上个世纪三十年代。渠首建在横山区雷龙湾乡无定河的峡谷地段，距横山县城约30 km。建国后，几经扩建延长，现干渠总长45 km，东西支渠长13 km，各类渠系建筑物347座，设计流量4 m3/s[1]，设计灌溉面积1.7万hm2，有效灌溉面积1.5万hm2，实际灌溉面积0.1万hm2。受益区包括雷龙湾、横山、波罗3个乡(镇)的20个行政村以及石马洼农场的5个分场和1个林场，受益人口4万多人。由于雷惠渠建设年代较早，工程设计标准低，经过多年的运行，工程老化损坏严重[2]，渠系有效利用系数不足0.4。由于灌区工程具有分散性、水资源有限性、水情雨情多变，以及农作物需水的时效性、灌溉供水的动态性、提高水资源利用效益的系统性等方面的特点，导致其灌溉管理工作极具复杂性。为了加强其管理，需对灌区测水量水信息化进行分析。

1 系统建设任务

雷惠渠灌区测水量水信息化系统是充分利用现代信息技术，基于灌区设施基础信息资源，深入开发出包括渠道水情信息的测量、采集、传输、存储、分析和处理等功能的系统软件，建立涵盖雷惠渠灌区干支渠的水情、流速、瞬时流量、累计流量测报站点，并利用现代移动无线传输技术，实现自动化程度较高的实用、可靠、先进、高效测水量水信息采集系统。建成后的系统具备现场读数、实时电脑和手机客户端远程登录、远程数据采集控制、数据报表生成和分析、数据资料直观显示和表格化显示，以及数据资料的实用性导出和打印(导出Excel报表，可供人工二次操作使用)；实现灌区水费征收的流量统计；系统软、硬件充分考虑后期扩容和升级，硬件加设多用途端口，系统软件具备后期扩容升级能力。

2 系统主要技术指标

雷惠渠灌区测水量水信息自动化系统要求能够实时、准确、快速、自动的采集各个遥测站的自动化信息，为应用系统提供基础数据，实现对汛情险情的实时监视和监测。

(1)系统应满足10 min内完成一次全系统实时数据收集、处理和存储的要求。

(2)工作频段为GPRS/GSM900/1800/1900 MHz。

(3)数据传输速率，短信息，9600 bps。

(4)系统畅通率≥98%。

(5)系统的通信误码率小于10-4。

(6)系统参数的精度，流速传感器测量精度为±0.5%，水位计精度为±1 mm,整个系统精度为±2.5%，精确度高。

(7)具有主备信道自动检测能力，支持通信信道备份切换，并确保数据可靠传输。

(8)系统能依赖脉冲波动在无人状态下准确地完成检测工作，具有在-20～50 ℃的较大适用温度范围的性能，并且能耗低，平均故障间隔时间要大于4万h，适用于野外简陋的工作环境和无人值守的工作要求。

(9)为有效的防止雷电的破坏，遥测站数据采集终端设备抗雷击≥1500 V。数据超限报警及设备故障报警。

3 信息自动化系统构成

3.1 测水量水遥测站网布设

雷惠渠灌区测水量水信息自动化设计方案，测水量水信息采集系统建设覆盖雷惠渠灌区主干渠、干渠遥测站点测报点。

(1)建设雷惠渠灌区灌溉管理局总控中心。

(2)建设4个分布雷惠渠灌区干渠、东支渠、西支渠的遥测信息站点，同时根据水位、平均流速、瞬时流量、累计流量，可以掌握各个测站的水位、流速、流量等数据。信息站点供电采用太阳能供电。

3.2 测水量水信息采集通信组网结构

利用GPRS 通用无线分组建立雷惠渠测水量水系统，由遥感自动检测系统、GPRS数据传输系统、数据采集和贮存系统、数据分析系统这四大部分组成。在监测点整个系统通过遥感自动检测系统检测到实时的水情水量数据，经过GPRS网络通信在线传输到数据采集和贮存系统，该系统对接收到的数据立即进一步分析，采集的有用信息贮存在数据中心，需要时可以随时调用。对于每个采集通信组来说，具有在线快捷、成本经济、适应面广等诸多优点，尤其适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足数据采集及监控的双向数据信息传输。但是对与整个监测点来讲，遥感检测设备的供电程度直接决定了遥感检测数据的信号强弱，所以这也决定了整个通信网状结构之间的信号强弱。

3.3 测水量水信息系统采用远程终端客户机模式通信组网

远程终端工作在客户机模式是指终端与GPRS网络建立PPP连接后，终端作为TCP通信的客户端根据配置的通信参数向系统前置机指定的TCP服务端口发起TCP连接请求，正常情况下主站应该响应终端的TCP连接请求并通过TCP连接协商建立TCP连接，连接建立成功后终端按照应用层通信协议向主站发送登录请求，主站按照应用层通信协议应答登录确认，终端接收到主站的登录确认后，拨号及TCP链路建立流程结束，进入正常通信流程。

考虑到GPRS网络资源的分配模式，在GPRS终端长期无数据流量的情况下，网络将会回收网络资源，导致GPRE终端不能实时通信。为了满足终端与系统实时通信的需求，在TCP连接保持期间终端按照设定的心跳周期间隔定期向主站发送心跳报文，并通过检测主站回复的心跳应答检测当前TCP连接的状态。

在客户机模式下，终端和主站之间建立起来的TCP长连接是长期保持的，除了由于网络原因，TCP连接的两端设备都不应该中断连接，若终端检测到TCP连接终端则会主动再次发起TCP连接。

终端客户机模式的应用系统中，终端和系统前置机维持TCP长连接，并在连接中断时能够及时检测并恢复连接，因此远程终端和主站可以维持全双工的实时通信。这种技术适用于测水量水信息系统通信实时性要求较高的系统。

3.4 测水量水系统工作制式

系统采用GPRS查询应答兼容的工作制式。雷惠渠灌区的各渠道水量监测点通过用户申请到专用VPN，即GPRS通讯方式。每个用户有固定的IP地址，雷惠渠灌区灌溉管理处的测水量水系统数据中心通过专用的GPRS专用IP与各监测点建立数据通道，但这些监测点之间不能互通。这就保证了各个监测点的数据能及时准确地传入数据中心，确保数据的实时性、安全性，又不发生交错混乱。再者，专有的VPN用户传输的信息量大，不会造成因网络堵塞而造成的数据丢失，即使是远程下载，也不会妨碍下载速度，即使偶尔掉线也会自动连接成功。

3.5 测水量水系统构成

3.5.1 总控中心构成

总控中心是雷惠渠灌区对来自测水量水自动化系统中各个监测点数据进行接收、处理、上报的整体管理部门，总控中心要具备有解码的应用软件系统、办公计算机系统、网络传输的通信系统。

3.5.2 遥感监测点的构成

遥测站由遥测终端机(RTU)、信息采集装置、数据传输装置、遥测供电设备四部分组成[3]。主要通过RTU、采集装置和传输装置，对监测站点的水量数据进行遥感采集、存储、传输、分析，以完成灌区渠道实时水量的监控、调整和操控。

3.6 系统主要功能

(1)总控中心功能。完成一次所属全部遥测站所有水文参数的收集、数据处理、传输、入库的时间不超过10 min；收集所有测站的数据，并自动入库、备份；进行查询、整编、数字显示、报图报表和报警提示。

(2) 遥感监测点主要功能。水位观测设备采用压力水位计。当水位达到一定高度时，水位计压力与高度成正比，自动检测数据，并将采集的实时数据传输到采集终端。平均流速采集采用电磁式流速计进行断面流速的采集，通过采集终端计算出平均流速。由水位、平均流速、断面尺寸计算出瞬时流量，从而计算出累计流量。

系统遥感监测点通讯方式采用GPRS通讯方式。 系统采用GPRS查询应答兼容的工作制式。

4 设备选型

4.1 智能流量终端采集器

智能流量终端采集器核心部件为水位自动跟踪测速器、微处理器、数控界面。为了确保测量数据的准确性，选用水位自动跟踪测速器检测水位值和平均流速，微处理器根据预先设定的渠道的边坡系数、渠道宽度、水利坡道、流速垂直平面系数，便可自动计算出渠道的流量结果，并将该结果显示在智能流量终端采集器数控界面。流量显示仪屏幕在白天和夜晚都能够清晰读数，输出功能齐全，可以显示水位、瞬时平均流速、瞬时流量、累积流量，具有数据保存等功能。

4.2 GPRS通讯模块的选型

渠道水量监测点大多处在田野、位置偏僻、环境恶劣的地方，并且分布范围广，因此，水量监测点的通讯模块要具备建设成本低、维护费用低、传输速度快、确保传输通畅等功能。而GPRS通讯模块刚好符合要求。

4.3 传感器的选型

本系统中采用的传感器有：水位计、流速仪。在本系统中，总干渠上的水位采集点相对比较重要。为了保证系统的可靠性和测量精度，拟采用压力水位计。流速仪传感器有很多厂家，由于电磁式流速仪比较稳定可靠，故采用电磁式流速仪。

5 结 语

水利信息自动化是灌区发展的必选、必经之路，文章针对黄土高原灌区工程分散性强、水源有限、水雨情变化多端、农作物需水时效性强特点，通过分析探讨，提出雷惠渠灌区灌溉管理局建立 “总控中心自动控制灌区测水量水”智能化管理平台，利用先进的量水测水技术，使得有效的水资源发挥更大的作用，同时为判断减轻洪涝灾害提供科学依据。在雷惠渠灌区实施智能化水利信息化管理具有重要意义。雷惠渠灌区地处陕北横山县，在黄土高原上具有普遍的适用性，可供黄土高原区灌区进行自动化建设参考。