都江堰是全國最大的灌區(qū)，覆蓋地域廣闊，建筑設(shè)施布點(diǎn)多，閘群、水文站、氣象站眾多，干渠、支渠縱橫，斗渠星羅棋布，且服務(wù)功能多樣，管理對象繁多，管理業(yè)務(wù)復(fù)雜，要科學(xué)管理和有效調(diào)度如此龐大復(fù)雜的灌區(qū)，充分利用水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)一套先進(jìn)、可靠的水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)是非常必要的。

　　一、水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　1.系統(tǒng)信息流

　　信息流分析是開發(fā)水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的前提，該系統(tǒng)信息流包括信息流過的四個(gè)重要環(huán)節(jié)即信息采集處理、信息傳輸交換、信息存儲管理和信息應(yīng)用等。

　　2.系統(tǒng)架構(gòu)

　　水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。其中四個(gè)環(huán)節(jié)的每一個(gè)單元都是水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)的重要部分。

(1)信息采集處理

　　通過水文氣象傳感器和數(shù)據(jù)采集器(RTU)，將灌渠或水庫流域的水、雨情信息采集變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，存儲并轉(zhuǎn)發(fā)到中心站。

　　①水文傳感器
　　目前，國內(nèi)外在水文氣象方面使用的傳感器品種繁多，原理也不盡相同。常用的傳感器有雨量計(jì)(翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)、光電式雨量計(jì)等)、水位計(jì)(浮子式水位計(jì)、壓阻式水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、雷達(dá)式水位計(jì)、激光水位計(jì)等)、超聲波流量計(jì)、溫度傳感器(地溫及水溫傳感器、氣溫傳感器)、氣溫/濕度傳感器、蒸發(fā)傳感器、日輻射傳感器、風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、氣壓計(jì)等。

　　②數(shù)據(jù)采集器
　　由于水文遙測站點(diǎn)大多在野外，供電困難，故水文數(shù)據(jù)采集器區(qū)別于其他SCADA系統(tǒng)的RTU的最顯著之處是靜態(tài)功耗極低，通常小于1mA，典型值在0.1～0.2mA左右。最近五年，國內(nèi)水文數(shù)據(jù)采集器在微功耗、可靠性等方面有了長足的進(jìn)展，并具備了三種工作模式即自報(bào)式、應(yīng)答式和混合式(在自報(bào)式的基礎(chǔ)上兼有應(yīng)答功能的遙測站組成的系統(tǒng)，稱為混合式系統(tǒng))，完全能夠滿足水文遙測數(shù)據(jù)采集需求。目前新型數(shù)據(jù)采集器具有以下特點(diǎn)：

　　1)智能化程度達(dá)到國際先進(jìn)水平。
　　2)采用表面封裝工藝生產(chǎn)，集成度高；微功耗，耗電少，數(shù)據(jù)存儲容量大，防干擾能力強(qiáng)，具備多種物理接口，可直接接人國內(nèi)外流行的各種傳感器。
　　3)支持超短波(VHF)信道、公用電話網(wǎng)(PSTN)信道、GSM短消息通信、CDMA通信、國際移動衛(wèi)星INMARSAT-C系統(tǒng)、全線通OMNlTRACS系統(tǒng)、全球星GIDBAISFAR系統(tǒng)、神州天鴻北斗系統(tǒng)、VSAT系統(tǒng)、CDPD、GPRS等多種通信終端設(shè)備。
　　4)支持多種通信規(guī)約。
　　5)提供用戶可編程界面，大量應(yīng)用功能及參數(shù)可現(xiàn)場靈活設(shè)置或遠(yuǎn)程設(shè)置。

　　(2)信息傳輸交換

　　信息傳輸交換主要依據(jù)通信規(guī)約及協(xié)議，依靠通信信道、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。水資源監(jiān)控及調(diào)度一方面將分散在整個(gè)流域內(nèi)的各遙測站點(diǎn)水文數(shù)據(jù)采集到中心站；另一方面，還要與上、下級水調(diào)系統(tǒng)，以及其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。

　　①水文遙測信息傳輸
　　目前水文遙測信息傳輸可用的信道有：超短波(VIF)信道、公用電話網(wǎng)(PSTN)信道、GSM短消息通信、CDMA通信、國際移動衛(wèi)星INMARSAT-C系統(tǒng)、全線通OMNITRACS系統(tǒng)、全球星GIDBALSTAR系統(tǒng)、神州天鴻北斗系統(tǒng)、VSAT系統(tǒng)、CDPD、GPRS等。通信規(guī)約滿足：1)可靠性(具有錯(cuò)誤檢測機(jī)制)，2)高效性(在保證信息完整的前提下傳輸數(shù)據(jù)量盡可能短)，3)安全性(防止非法用戶闖入)，4)靈活性(可以在多種信道上傳輸，具有自動路由切換功能)。

　　②中心站信息交換
　　迄今為止，中心站信息交換可用的信道有：專線微波、VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、PSTN、VPN、DDN信道、擴(kuò)頻通信等。在電力行業(yè)，通信協(xié)議遵循《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用層協(xié)議》(DL476-92)，適合與EMS、廠內(nèi)監(jiān)控等系統(tǒng)橫向信息交換；在水利或其他行業(yè)通常使用自定義的通信規(guī)約。

　　(3)信息存儲管理

　　水文氣象信息類型多、歷史長，并具有大量特征數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此它的存儲管理有非常明顯的個(gè)性。在水資源監(jiān)控和調(diào)度中，物理介質(zhì)主要依靠磁盤、磁帶和光盤存放，信息訪問、管理通常是以文件、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等方式進(jìn)行。

　　針對水文氣象及閘控、視頻數(shù)據(jù)的特性，在數(shù)據(jù)庫存儲、訪問上除已使用常規(guī)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，如基本遵循“第三范式”來設(shè)計(jì)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，使用索引、視圖、觸發(fā)器和存儲過程等來改善數(shù)據(jù)庫的訪問性能外，在存儲上還使用了分表技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫訪問上采用了中間件技術(shù)(內(nèi)含優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的連接數(shù)功能)等，極大地提高了系統(tǒng)的訪問速度及其可靠性和開放性。

　　(4)信息應(yīng)用

　　信息應(yīng)用是系統(tǒng)的最高層次，由基礎(chǔ)應(yīng)用(包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等)、基本應(yīng)用(包括閘門控制、灌渠分水量計(jì)算、水量平衡計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等)、高級應(yīng)用泡括水質(zhì)分析、防洪抗旱調(diào)度和灌渠優(yōu)化調(diào)度等)和數(shù)字化專業(yè)應(yīng)用等組成。

　　目前學(xué)術(shù)界正在研究在數(shù)字流域的框架下建立空間分布式水文預(yù)報(bào)模型、防洪抗旱調(diào)度模型(包括水庫流域和灌渠)、洪水災(zāi)害評估模型。它們較傳統(tǒng)的模型能更多更快地獲取信息，并將它們拓展到流域的三維立體空間上進(jìn)行可視化展示，使模型能真實(shí)地反映自然洪水發(fā)生的客觀規(guī)律，從而對灌渠和水庫的入庫洪水進(jìn)行有效的調(diào)控。

　　二、都江堰灌區(qū)水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.系統(tǒng)目標(biāo)

　　為貫徹水利部提出的資源水利、可持續(xù)發(fā)展水利的治水新思路，都江堰要進(jìn)行水利自動化、信息化建設(shè)的探索和實(shí)踐，把現(xiàn)代高科技全面引入灌區(qū)建設(shè)和管理，從而全面提升都江堰灌區(qū)水利自動化和管理水平。本項(xiàng)目建設(shè)包括水情遙測子系統(tǒng)、水質(zhì)自動監(jiān)測分析子系統(tǒng)、閘門自動控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息管理子系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)，完成灌渠的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、各種水情和工情監(jiān)視、閘門自動控制、水質(zhì)分析和灌渠調(diào)度等，使都江堰灌區(qū)調(diào)度管理全面走向自動化，建設(shè)的系統(tǒng)整體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

　2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。水情子系統(tǒng)由VHF和GSM信道構(gòu)成，其余是光纖信道。為預(yù)防通信異常，確保灌渠生產(chǎn)調(diào)度管理正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)中閘控、水質(zhì)和視頻系統(tǒng)將設(shè)置分中心站，數(shù)據(jù)在分中心站先進(jìn)行存儲再轉(zhuǎn)發(fā)到中心站，構(gòu)成現(xiàn)地、分中心、中心三級系統(tǒng)。

　　3.系統(tǒng)組成及功能

　　都江堰水資源監(jiān)控及調(diào)度系統(tǒng)由6個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括水情遙測子系統(tǒng)、水質(zhì)自動監(jiān)測分析子系統(tǒng)、閘門自動控制子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息管理子系統(tǒng)。

　　(1)水情遙測子系統(tǒng)

　　在紫坪埔、渠首六大干渠組建了 10個(gè)水情測站，實(shí)時(shí)采集岷江來水量、灌區(qū)干支渠水量、工業(yè)用水點(diǎn)水量、灌區(qū)土壤墑情及雨量。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集(VHF、GSM無線信道)和中心站組成，各遙測站與中心站構(gòu)成星狀網(wǎng)絡(luò)，中心站為中心節(jié)點(diǎn)。測站采取自報(bào)為主、應(yīng)答為輔的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，并且具有固態(tài)存儲數(shù)據(jù)功能。中心站具有數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、查詢等功能，并能向上級部門提供信息服務(wù)。

　　子系統(tǒng)中的核心設(shè)備ACS300是國內(nèi)唯一基于數(shù)據(jù)采集平臺(DCP)概念設(shè)計(jì)的高可靠和高智能化微功耗數(shù)據(jù)采集器的最新產(chǎn)品，也是國內(nèi)第一臺完全滿足工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的水情數(shù)據(jù)采集器，與在水利系統(tǒng)中廣泛使用的ACS系列產(chǎn)品相比，ACS300體積減小50%，靜態(tài)功耗降低50%，工作功耗降低75%，啟動時(shí)間減<