塔里木河流域水文與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

艾再孜江·帕合提

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830049)

在當前研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，新疆地域遼闊，由于受通訊條件限制，網(wǎng)絡自動數(shù)據(jù)傳輸時斷時續(xù)，部分站點的數(shù)據(jù)傳輸有時會丟失。此外以往的信息傳輸技術(shù)存在平臺技術(shù)、位置、時間、數(shù)據(jù)格式等問題。為了消除上述依賴，為基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)的采集和處理提供松耦合的數(shù)據(jù)集成和測量站、分中心和中央通信網(wǎng)絡解決方案是極其重要的。建立覆蓋流域水文站的實時水文信息監(jiān)測網(wǎng)絡，優(yōu)化網(wǎng)絡通信渠道，保障水文信息安全可靠傳輸，解決數(shù)據(jù)同步、自動采集與人工錄入一體化問題，顯著提高信息采集、傳輸、處理和存儲能力，快速準確地進行區(qū)域洪水、干旱和水量預報[1]，建立水文智能監(jiān)測系統(tǒng)可以為內(nèi)外部服務對象贏得更多的預警時間，實現(xiàn)跨區(qū)域水資源管理和信息服務平臺應用集成等，能夠?qū)λ?、水質(zhì)、水資源等動態(tài)監(jiān)測信息進行管理和分析，為流域水資源評價、水資源規(guī)劃等提供全流程、全方位的支持[2]。

塔里木河水文信息系統(tǒng)的關(guān)鍵點在于將采集河流的信息由模擬量，轉(zhuǎn)化為方便存儲、傳送、計算的數(shù)字量，并使用信息系統(tǒng)進行管理、監(jiān)控、預測以及存檔[3]。在這一方面，國內(nèi)已有較成熟的機制，主要采用機器測量，結(jié)合人工錄入兩種方式進行水文信息的采集，在水文監(jiān)控上已取得了一些成果。本文論述的項目也是利用這種技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集。

1 研究區(qū)域

塔里木河是我國最大的內(nèi)陸河，位于新疆天山山脈與昆侖山、帕米爾之間，全長2 437 km，流域總面積102×104 km2，多年平均天然地表水年徑流量398.3×108m3。全流域總?cè)丝?02萬人，流域內(nèi)現(xiàn)有耕地2 044萬畝。受人類活動與氣候變遷等因素的影響，塔里木河流域水資源極其缺乏，源流水資源的不合理利用，使干流來水量減少，加之盲目開墾，亂砍濫伐，超載放牧等，致使塔里木河流域生態(tài)環(huán)境局部改善、總體惡化、干流斷流、胡楊林枯死、沙漠擴大，水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境惡化。

基于此研究背景，開發(fā)塔里木河流域水文與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為塔里木河流域綜合治理、水資源開發(fā)利用以及社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供及時、準確地水文水資源服務具有重要意義。該系統(tǒng)主要功能包括水文、水環(huán)境等基礎(chǔ)信息的傳輸、存儲、處理、預報評價、信息服務等支持功能。

2 系統(tǒng)介紹

塔河流域已有的28個觀測站點，具有水位和雨量傳感器(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)等自動采集設(shè)備組成，實時采集監(jiān)測點的水位、降雨等數(shù)據(jù)，其他水文觀測要素按照規(guī)范人工采集成冊，再輸入計算機數(shù)據(jù)庫，對自動采集的數(shù)據(jù)進行同步整合 以及手動輸入的數(shù)據(jù)，為水文信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源提供保障。

2.1 數(shù)據(jù)采集

采集的數(shù)據(jù)包括：日平均水位、日最高水位及其發(fā)生日期；日平均流量、日最大流量及其發(fā)生時間、旬平均流量、月平均流量和年平均流量；日平均氣溫、日最高(最低)氣溫，旬平均氣溫、月平均氣溫和年平均氣溫；日降水量、月降水量、年降水量；日蒸發(fā)量、月蒸發(fā)量、年蒸發(fā)量；風向，風速，最大風速；相對濕度：大氣壓：日照時數(shù)；地下水，水位(埋深)月統(tǒng)計和年統(tǒng)計，地下水月最大水位(埋深)；水質(zhì)資料數(shù)據(jù)。

水位觀測仍然保留原來形式的超聲波水文數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，通過RS-232接口將采集到的水位值寫入固態(tài)存儲器。在站計算機通過外部接口將黃委超聲波水位計采集儲存到固態(tài)存儲器中的實時水位讀入到本機數(shù)據(jù)庫中。其他觀測數(shù)據(jù)的采集仍沿用人工觀測記錄采集。

2.2 系統(tǒng)計算

目前自動監(jiān)測的參量只有水位，其他項目是人工觀測。在站數(shù)據(jù)處理的功能包括水位資料整編模塊，流量數(shù)據(jù)處理模塊、懸移質(zhì)輸沙率數(shù)據(jù)處理模塊、降水量數(shù)據(jù)處理模塊、逐日水面蒸發(fā)量計算模塊、氣溫數(shù)據(jù)處理模塊、水溫數(shù)據(jù)處理模塊和繪制曲線及圖形模塊。用程序統(tǒng)計各項資料的日、旬、月、年統(tǒng)計值，再通過計算機和GPRS傳輸?shù)礁鞯刂莘种行?。查詢與顯示水位過程線，水位流量、含沙量、氣溫、水溫過程線，降水、蒸發(fā)、大斷面等圖表。

2.3 測站數(shù)據(jù)上傳及發(fā)送

測站數(shù)據(jù)上傳是指從測站到分中心的遙測數(shù)據(jù)和人工數(shù)據(jù)的傳輸。該站數(shù)據(jù)上傳模塊包括數(shù)據(jù)傳輸、接受分中心查詢、人工數(shù)據(jù)傳輸、管理等五個功能模塊。塔里木河流域水文與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括實時雨水情數(shù)據(jù)庫、水文數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、地下水數(shù)據(jù)庫、生態(tài)環(huán)境信息庫、圖形數(shù)據(jù)庫、專業(yè)方法庫等數(shù)據(jù)庫，遙測站只包括實時雨水情數(shù)據(jù)庫和監(jiān)測設(shè)備庫。如圖1所示。

使用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的查詢分為三種：本地查詢、遠程查詢和全局查詢。本地查詢和遠程查詢只涉及單個節(jié)點(本地或遠程)的數(shù)據(jù)，查詢優(yōu)化采用的技術(shù)是集中式數(shù)據(jù)庫的查詢優(yōu)化技術(shù)。 全局查詢涉及多個節(jié)點上的數(shù)據(jù)，其查詢處理和優(yōu)化要復雜得多。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)圖示

3 系統(tǒng)實現(xiàn)測試

3.1 測試步驟

一般來說，測試過程按4個步驟進行，即單個模塊測試、組裝模塊測試、軟件集成測試和總體系統(tǒng)測試。

單個模塊測試：對每個程序模塊進行檢查，確保其是否正確實現(xiàn)了指定功能。目的是找出每個模塊中可能存在的各種錯誤。一般使用白盒測試的方法進行單元測試。

組裝模塊測試：是在單個模塊測試的基礎(chǔ)上組裝被測模塊，測試與設(shè)計相關(guān)的軟件架構(gòu)的結(jié)構(gòu)是否正常，一般采用黑盒測試的方法進行組裝模塊測試。

軟件集成測試：主要檢查實現(xiàn)的軟件是否按照需求說明書中確定的各項要求正常運行，軟件配置是否完整、正確。

總體系統(tǒng)測試：將經(jīng)過確認和測試的軟件放入實際運行環(huán)境，并結(jié)合其他系統(tǒng)組件，在實際使用環(huán)境中進行綜合測試，檢驗其是否能夠正常運行。

3.2 測試內(nèi)容

數(shù)據(jù)發(fā)送及接收：按水情報文編碼規(guī)范要求編制日報、旬報及月報。遙測站發(fā)送，四個分中心均能接收到水情數(shù)據(jù)。

采集控制：遙測站的實時遙測，可設(shè)定普通和加密采集周期；當水位到達設(shè)定上限時自動進入加密采集周期，以滿足增大測量密度的要求。

電源控制：在不需要數(shù)據(jù)采集和傳送期間，遙測設(shè)備均能掉電處于微功耗休眠狀態(tài)，只保留極少部分值守電路工作。

3.3 測試實例

本次測試以手工測試為主，主要涉及處理、發(fā)送、接收等子系統(tǒng)。暢通率結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明功能滿足用戶需求，實際效果符合預期效果。目前系統(tǒng)在各觀測站正常使用，運行狀況良好。

表1 暢通率測試結(jié)果

通過以上統(tǒng)計得到系統(tǒng)暢通率為：98.51%，達到水利部SL61-2003《水文自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和要求》。系統(tǒng)的發(fā)送接收時間從測站到所轄水文水資源勘測局分中心發(fā)送和接收處理所需時間約8秒3。系統(tǒng)的可靠性和發(fā)送數(shù)據(jù)的準確度抽樣校核幾個代表站的數(shù)據(jù)的準確度為百分之百正確。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域進入了信息時代，它們在成果控制、效率、利潤等方面都比原來的方法都取得了更好的表現(xiàn)。對河流及其流域的各種屬性進行信息化、控制和管理是塔里木河流域水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能。塔河水文系統(tǒng)是在.NET平臺上開發(fā)的，使用Web 服務來實現(xiàn)面向服務的SOA 架構(gòu)，并使用MVC 分層架構(gòu)來實現(xiàn)它。它采用了大量成熟的XML、JSP、AJAX等技術(shù)，具有安全性能高、穩(wěn)定性好、功能齊全、使用方便等特點。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水文信息的采集、傳輸、接收、匯總、處理和顯示功能，為塔里木流域綜合治理、水資源開發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展提供及時準確的水文水資源服務，加速當?shù)厣鐣徒?jīng)濟的發(fā)展。