黄河下游数字供水管理系统设计与研究

2022-09-11

近年来, 黄河流域社会经济发展迅速, 对水资源的需求量逐年提高, 本系统初步实现为了合理分配、利用水资源。使用信息化手段把精确引水与水费收取结合起来, 能够及时准确的提供水量水费信息, 为水资源短缺地区水资源市场化探索出一条新路。本系统的建设可以充分利用“数字黄河”工程现有的建设基础, 采用目前先进的信息技术实现引黄供水的科学管理, 它是实现引黄供水现代化管理的重要标志。系统的建设完成, 将极大地提高黄河水资源开发、政务办公等方面的现代化水平, 提高黄河下游水资源的利用效率, 能够促进引黄供水事业的可持续发展, 为黄河水资源的充分利用产生巨大的社会效益和经济效益。

1 数据采集

1.1 监测设备

传统的流量测验手段由于其历时长、自动化程度低等固有的缺点, 越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要。使用传统的测验手段难以实现受人类活动影响的流量测验。先进的量测技术、量测仪器和试验设备, 是取得高精度测验成果、取得科技新突破保证安全生产的重要手段。

水资源市场化的前提是水量的精确计量, 精准的计量是本系统的核心内容, 是合理征收费用的关键。因此监测设备的选取至关重要。目前常用的流量在线监测仪器, 主要有声学多普勒流速剖面仪、时差法流量计和电磁流量计。这三种仪器的工作原理, 运行方式各不相同。根据实地考察, 最后决定选用声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) , 建立黄河下游引黄供水流量自动监测系统[1]。

1.2 工作原理

ADCP配有四个换能器。换能器与ADCP轴线成一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射某一固定频率的声波, 然后接收被水体中颗粒物反射回来的声波。假定颗粒物的运动速度与水体流速相同。当颗粒物的运动方向是接近换能器时, 换能器接收到的回波频率比发射波频率高。当颗粒物的运动方向是背离换能器时, 换能器接收到的回波频率比发射波频率低。这种颗粒物的运动引起频率的改变称为声学多普勒频移。声学多普勒流速剖面仪向水中发射固定频率的超声波短脉冲。这些脉冲碰到水中的散射体 (浮游生物, 泥沙等) 发生背散射。ADCP接受回波信号并处理得到流速。ADCP的工作特点是能够直接测出流量断面的流速剖面和流量, 测量时不扰动流场分成, 测验过程耗时少, 测速适应范围大, 测值精度高, 安装使用方便等, ADCP在走航测量中采集如下数据:相对流速, 船速, 水深, 船的航行轨迹[2]。

1.3 采集点选取

黄河下游可供取水的站点较多, 考虑到随着社会经济的发展, 取水站点可能会发生更改的情况, 本系统一期规划40个站点, 目前选取张菜园、柳园、渠村、潘庄、大王庙、曹店、胡楼7个引黄水闸试点作为流量自动监测系统的计量站点。试点的选择主要考虑引水量大, 可以体现引黄供水特点, 并且管理机构健全等综合因素。随着社会经济发展需要, 未来还可进一步曾加采集地点。

2 传输接口

2.1 数据传输

根据监测断面地理位置、环境通信状况及用户已建其他应用系统情况, 通信传输方式设计为GPRS网络通信为主信道方式, 同时采用黄委信息中心微波网路为辅助信道。利用GPRS等网络将采集的水情数据传输到黄委供水局服务器, 进行存储、分析、计算、输出、查询等处理。

2.2 数据处理

各监测站采集的实时水文数据通过数据通信设备汇集于中心站, 暂存于中心站数据库服务器作为原始资料, 经整编处理放入共享库供。

在中心站建设遥测数据接收系统, 完成对监测区域遥测数据的实时接收。中心站的接收机配置GPRS接收设备及相应软件。通过计算机将收到的数据进行自动汇集和整理, 显示和打印, 转储。中心站利用高档计算机来接收外业遥测站数据, 具有对数据进行检错、纠错、存储和转储等功能。数据转储系统主要是完成对接收数据库的数据信息进行重新组织, 去掉接收数据库里的冗余和不合理数据、提取接收数据库里的特征数据并加以处理, 使之成为能正确反映监测点的水文要素数据, 存储到数据库服务器中, 供用户使用。

3 应用软件系统

3.1 系统架构

系统的设计应从功能需求出发, 进行系统开发建设的体系架构设计、功能划分和数据存储部署设计。体系架构的设计思路是采用技术成熟、符合业界主流发展方向的软件架构, 设计要考虑技术成熟与先进实用的平衡、运行维护成本与建设成本的平衡、规范开放与安全稳定的平衡等。根据功能需求分析、技术成熟度分析、易用性分析和长期运行维护成本分析, 确定系统的体系架构, 以B/S三层架构为主, 按数据采集层、业务应用层、结果表现和用户接口层, 统一设计、同步开发。数据存储依托“数字黄河”工程已有黄河数据存储平台实行集中存储。

3.2 技术实现

应用软件系统采用数据库层、控件层、浏览器层这样的三层架构, 数据库利用黄委已经购买的Oracle主流数据库平台, 控件的开发可以利用基于JAVA的JSP技术, 无需再搭建新的网络环境, 直接利用现有的网络条件实现。基于B/S的软件开发模式, 用户只要安装了主流的网页浏览器, 就可以利用现有的网络环境接受信息服务。

基于先进性、开发性原则, 本系统将采用J2EE技术体系架构进行设计和开发。系统应用层采用完全的B/S模式, 用户在客户端只需要使用常用的浏览器即可, 不需要安装任何其他软件。系统中间层采用Spring和Hibernate来构造, 遵循J2EE标准, 具有很好的可移植性、可扩展性, 能够跨平台使用。采用多层组件技术。所有的应用软件都应该是配置实现的, 当用户业务发生变化时, 不需要重新编码, 只需要修改相应配置即可实现。

3.3 数据库

本着信息资源高度共享的原则, 要与数字水调、防汛减灾、水文水情、水质监测、涵闸远程监控、工程维护与运行管理等系统紧密结合, 将已建系统的有用信息为我所用。数字供水专业数据库的建设除了满足引水计量、水费计收外, 还应满足信息共享与综合信息服务的需求。

数字供水专业数据库主要包括:引水计量、水费征收等基本信息, 以及与供水业务相关的工程、涵闸监控、水质监测、水文水情、防汛减灾等信息, 还包括相关的历史信息等。这些数据信息从已建的相关业务系统的数据库中提取。引水计量、水费征收等基本信息的数据表为新建数据库部分。数据的安全保障, 存储、备份、恢复等业务由黄河数据中心进行统一管理与维护。

3.4 功能模块

本系统为一期建设, 根据崔庆、陈曦等在《黄河下游数字供水试点工程实施方案》中的描述, 目前暂定为引水计量模块、水费计收模块、信息服务模块、系统维护模块四个功能模块。考虑到系统得可扩展性, 未来也可增加新的模块, 现有模块的功能也可扩展。

引水计量模块是本系统建设的重要内容之一, 该系统可以把流量自动监测系统所采集的数据, 通过数据接口, 自动存入黄河数据中心的数据供水专业数据库中, 为水费征收、信息发布等提供数据支持。同时还提供对水量统计分析和引水数据的备份、恢复等。

水费计收模块可以根据不同用户、不同时段等不同条件下的水量统计结果, 参照相关部门制定的收费标准, 计算出应缴纳的水费。并由相关水费管理部门进行征收。所有的数据进行分类存储, 为以后水量水费的分析提供支持。

信息服务模块是通过数字供水门户网站, 提供水量、水价、水费、水质、水调、水情、涵闸、工程管理与维护、防汛减灾、政策法规等多种与供水管理相关的信息服务。

系统维护模块具有系统安装升级维护、系统用户管理、系统安全管理、系统参数管理等功能, 为整个应用软件系统最底层的管理单元。

4 结语

黄河下游水量不平衡问题历来十分突出, 据有关部门的统计数据表明, 多年水量平衡差值为29亿m3左右, 且水量平衡差值均为下游站偏小, 越是下游大量引水期, 平衡差值越大。本系统可在一定程度上减少水量平衡差, 如果能减少10%的水量差, 可减少水量损失近3亿m3, 全部按农业供水量计算, 可挽回水费损失300万元。此外, 本系统还提供了进行办公管理的多种应用软件:引水信息实时监测系统、引水信息计量系统、水费计收系统、政务办公系统、信息服务系统等。这些应用软件是严格按照满足供水管理现代化的要求设计开发的, 不仅可以规范供水管理工作流程, 还可以大大提高办公速度, 减少人为错误的发生, 全面提高办公效率和质量。

摘要：黄河下游地区水资源贫乏, 人口众多, 是水资源供需矛盾突出的地区之一。随着社会经济发展对水资源的需求越来越大, 水资源市场化是必然的发展趋势。但是目前黄河下游的引水供水存还存在引黄水闸工程老化、计量设施不完善、数据采集手段陈旧落后等方面的不足, 在一定程度上制约了黄河水资源的利用效率, 加剧了黄河水资源的供需矛盾。为此, 我们开展了黄河下游数字供水管理系统的研究, 以期对黄河水资源精细化管理有所帮助。本研究中参考了测量仪器在黄河其他河段的应用, 对比了仪器的测量精度和返回结果, 论证了两种传输信道的优点和缺点, 开发了黄河下游数字供水管理系统。在系统中, 我们用现代化的仪器设备对供水工程进行改造, 并采用J2EE软件技术体系架构开发了一套B/S供水业务系统。本文介绍了黄河下游数字供水管理系统的基本情况, 对系统的技术细节和功能模块作了分析。

关键词：黄河,数字化供水,水资源,ADCP