洞庭湖區(qū)水利信息化建設(shè)思考

/洞庭湖區(qū)重要水利信息化建設(shè)項目的思索依據(jù)洞庭湖的實際狀況，從滿足湖區(qū)水利事務(wù)綜合統(tǒng)一的精細(xì)化管理，提高湖區(qū)水利工程的運行效益，最大幅度系統(tǒng)、科學(xué)進(jìn)行湖區(qū)水利防澇減災(zāi)指揮、水資源利用和愛惜，從信息化角度建議在洞庭湖區(qū)重點開展數(shù)字洞庭湖、湖區(qū)泵站運行監(jiān)控管理信息系統(tǒng)、蓄洪垸平安預(yù)警系統(tǒng)、重要干堤平安監(jiān)測系統(tǒng)、湖區(qū)綜合信息網(wǎng)和綜合辦公系統(tǒng)的建設(shè)工作。一、數(shù)字洞庭湖1.1建設(shè)目標(biāo)數(shù)字洞庭湖探討和建設(shè)的總體目標(biāo)是：以信息技術(shù)和3S技術(shù)為基礎(chǔ)，建立洞庭湖區(qū)以描述水資源系統(tǒng)發(fā)展以及湖區(qū)演化的數(shù)字模型，建立覆蓋湖區(qū)范圍的防洪減災(zāi)綜合調(diào)度體系和水環(huán)境監(jiān)測體系，實現(xiàn)對湖區(qū)水資源配置管理、防洪指揮、水生態(tài)環(huán)境治理供應(yīng)動態(tài)、全面、剛好的虛擬現(xiàn)實環(huán)境和管理決策支持。1.2體系結(jié)構(gòu)數(shù)字洞庭湖的體系結(jié)構(gòu)包括洞庭湖空間信息平臺、專業(yè)基礎(chǔ)信息和模型平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用處理等三層。如圖所示。洞庭湖動態(tài)監(jiān)測信息洞庭湖基礎(chǔ)空間信息洞庭湖動態(tài)監(jiān)測信息洞庭湖基礎(chǔ)空間信息業(yè)務(wù)應(yīng)用處理洞庭湖學(xué)問模型系統(tǒng)采集設(shè)施模型、方法空間數(shù)據(jù)工程屬性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用處理業(yè)務(wù)應(yīng)用處理理業(yè)務(wù)處理層空間信息平臺圖1：數(shù)字洞庭湖結(jié)構(gòu)示意圖洞庭湖空間信息平臺由洞庭湖區(qū)基礎(chǔ)地理信息、各類元素的空間信息和基礎(chǔ)屬性組成，空間數(shù)據(jù)描述各特征對象的空間位置，點、線、面用于表達(dá)如街道、湖泊和林地、工程等地理特征；非空間屬性數(shù)據(jù)供應(yīng)如街道名稱、湖泊的鹽度和林地的組成、工程的特性、社會經(jīng)濟(jì)信息等描述信息。最終形成洞庭湖區(qū)各種專題的地理信息，如多尺度、多辨別率、多維的湖區(qū)各行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖、灘地分布圖、防洪工程分布圖、河道平面變遷圖、交通管網(wǎng)和水系圖等線劃地圖、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型。專業(yè)基礎(chǔ)信息平臺由業(yè)務(wù)邏輯處理的各類模型、方法，如水文模型、泥沙淤積模型、洪水演進(jìn)模型以及沉沒模型、洪水預(yù)報模型、水質(zhì)評價以及預(yù)警模型，洞庭湖動態(tài)監(jiān)測信息由水文測報系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、工程運行監(jiān)視系統(tǒng)等采集的水環(huán)境、水量以及工程運行信息，通過數(shù)字地圖動態(tài)顯示和監(jiān)控實時變更量，通過模型系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、推斷和反映。業(yè)務(wù)處理部分依據(jù)基于防汛調(diào)度、水資源監(jiān)控、水環(huán)境監(jiān)測以及其它相關(guān)業(yè)務(wù)的要求，完成特定的應(yīng)用。數(shù)字洞庭湖系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)將利用基礎(chǔ)測繪、GPS、遙感、遙測收集空間信息，利用GIS對空間信息進(jìn)行處理，利用實時、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行變更量監(jiān)控，利用專業(yè)模型處理業(yè)務(wù)。1.3建設(shè)內(nèi)容建設(shè)內(nèi)容主要包括空間地理模型、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、專業(yè)模型的建設(shè)，建設(shè)的關(guān)鍵是洞庭湖區(qū)的空間地理模型和專業(yè)模型系統(tǒng)。1.3.1洞庭湖數(shù)字模型建設(shè)（1）數(shù)字模型洞庭湖空間數(shù)據(jù)庫涉及空間特征數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間特征數(shù)據(jù)表示空間元素或?qū)嶓w的空間位置、幾何特征和拓?fù)潢P(guān)系，屬性數(shù)據(jù)是空間元素或?qū)嶓w的基本性質(zhì)。洞庭湖區(qū)空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)涉及湖區(qū)內(nèi)地形、地貌、行政區(qū)劃、交通道路、建筑物、水系、植被、土壤等基礎(chǔ)地理信息，以及水庫、湖泊、河道長度、堤垸、行滯洪區(qū)、泵站、電排、涵閘、水文站、雨量站、水質(zhì)站、土地利用、灘地分布、水土流失等水利專題空間數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)接受國家測繪部門的基礎(chǔ)地理信息數(shù)字地圖，相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)來自統(tǒng)計部門，水利部門組織水利專題數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理信息比例尺應(yīng)到1：1萬，專題數(shù)據(jù)應(yīng)到1：500。湖區(qū)遙感和航拍影像資料，圖像辨別率至10米以內(nèi)，在此基礎(chǔ)建立整個湖區(qū)的DOM數(shù)據(jù)，開發(fā)相應(yīng)的飛行、演示、分析軟件。（2）模型系統(tǒng)依據(jù)防汛減災(zāi)、水土流失、水環(huán)境監(jiān)測等專題建立模型。專題模型系統(tǒng)在原有信息的基礎(chǔ)上結(jié)合空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，利用GIS、三維動態(tài)技術(shù)形成直觀、動態(tài)演示的模型系統(tǒng)，以助于各業(yè)務(wù)人員的分析，有利于管理人員決策。防汛減災(zāi)模型主要包括洞庭湖水文模型、洪水演進(jìn)模型、災(zāi)難評估模型、沉沒模型等模型和方法。防汛減災(zāi)模型應(yīng)結(jié)合湖區(qū)和四水的水位雨量實測數(shù)據(jù)、洪水沉沒和災(zāi)難等實時視頻，以及空間地理信息和有關(guān)重點防洪對象分布圖、滯洪區(qū)分布圖、堤垸分布圖等防汛專題圖，以便業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和會商決策。水土保持模型主要包括洞庭湖地面沉降模型、泥沙淤積模型、土壤侵蝕特性等模型和方法。水土保持模型將結(jié)合洞庭湖基礎(chǔ)地理信息以及四水尾閭地貌、洞庭湖地貌、灘地分步圖等專題圖，利用有關(guān)的遙感圖像、航拍圖像，水文觀測資料，為湖區(qū)水土保持分析供應(yīng)依據(jù)。水環(huán)境模型主要包括水質(zhì)評價模型、洞庭湖水污染趨勢模型等。水環(huán)境模型將結(jié)合覆蓋湖區(qū)的地表、地下水及大氣降水、重點排污口、取水口的水質(zhì)監(jiān)測信息。（3）模型的應(yīng)用模型的應(yīng)用主要在兩個方面：第一是基于模型平臺的實時監(jiān)控；其次是基于模型的虛擬現(xiàn)實演示和決策分析。利用洞庭湖數(shù)字模型和采集系統(tǒng)可構(gòu)建基于GIS的洞庭湖水資源管理實時監(jiān)控系統(tǒng)、實時汛情監(jiān)視系統(tǒng)、工情監(jiān)測系統(tǒng)、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、水土保持動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。利用洞庭湖數(shù)字模型和決策支持系統(tǒng)可構(gòu)建基于GIS、三維可視、動態(tài)的洞庭湖演化模擬系統(tǒng)、洪水沉沒演進(jìn)系統(tǒng)、災(zāi)情評估系統(tǒng)、防洪減災(zāi)調(diào)度指揮系統(tǒng)、水資源調(diào)度、水質(zhì)評價和預(yù)料預(yù)警系統(tǒng)等。，通過構(gòu)建的洞庭湖數(shù)字模型和相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，可為湖區(qū)水資源配置管理、防洪減災(zāi)指揮、水生態(tài)環(huán)境治理供應(yīng)動態(tài)、全面、剛好的虛擬現(xiàn)實環(huán)境和管理決策支持。1.3.2湖區(qū)防洪減災(zāi)綜合調(diào)度數(shù)字體系建設(shè)洞庭湖區(qū)的防洪減災(zāi)工作是我省防汛工作的頭等大事，如何建立有效監(jiān)測汛情災(zāi)情發(fā)展、如何快速剛好進(jìn)行防汛減災(zāi)調(diào)度、如何協(xié)調(diào)湖區(qū)各防汛機(jī)構(gòu)的關(guān)系確保防洪工程高效運行，確保人民生命財產(chǎn)的平安等等，須要建立一套完整的、科學(xué)的湖區(qū)防洪減災(zāi)綜合調(diào)度體系。數(shù)字洞庭湖最干脆的應(yīng)用是能有效地供應(yīng)防洪減災(zāi)的支持。除基于洞庭湖數(shù)字模型建立各種防洪決策支持模型和應(yīng)用系統(tǒng)外，如洪水災(zāi)情損失分析評估、洪水在湖區(qū)水系河道中動態(tài)演示和推動模擬、洪災(zāi)沉沒演進(jìn)、潰垸以及行洪、滯洪、蓄洪推演和災(zāi)情評估等，同時建立監(jiān)控體系、調(diào)度體系。（1）汛情監(jiān)測系統(tǒng)利用湖區(qū)和周邊已建水雨情采集系統(tǒng)，在重點堤垸、電排、涵閘等處設(shè)立內(nèi)外河水位自動測量以及汛情視頻采集系統(tǒng)，通過省防汛通信網(wǎng)絡(luò)和水利計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送至各級防辦、洞工局，利用數(shù)字模型和地理信息系統(tǒng)，在汛情查詢系統(tǒng)中動態(tài)、實時地顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像、視頻，實現(xiàn)對湖區(qū)汛情的實時監(jiān)測。（2）防洪工程平安監(jiān)控體系結(jié)合擬建的湖區(qū)重要堤防、河道以滲壓監(jiān)測為主的平安監(jiān)測系統(tǒng)，易出險處或主要工程的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視內(nèi)外河水勢以及工程運行狀況，利用各級防汛工情采集系統(tǒng)，利用數(shù)字模型和地理信息系統(tǒng)，在工程平安查詢系統(tǒng)中動態(tài)、實時地顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像、視頻。（3）水電工程聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)建立湖區(qū)和四水上重要防洪調(diào)度限制性工程的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，并能處理湖區(qū)各級泵站、電排站等運行調(diào)度指揮，通過地理信息系統(tǒng)，在洞庭湖數(shù)字地圖上，實時反映工程運行調(diào)度狀況，并模擬洪水演進(jìn)過程。（4）社會危機(jī)應(yīng)急聯(lián)動系統(tǒng)利用擬建的蓄洪垸平安預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)合當(dāng)?shù)胤姥纯购抵笓]系統(tǒng)，同城市應(yīng)急系統(tǒng)（如110，119，或電力110等）建立聯(lián)動的社會公眾應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)，利用洞庭湖數(shù)字模型和GIS，借助遙感影像和視頻，快速制訂最優(yōu)抗洪搶險人財物調(diào)配方案和生命財產(chǎn)平安轉(zhuǎn)移方案，快速評估各種方案災(zāi)情損失狀況。1.3.3湖區(qū)水環(huán)境數(shù)字監(jiān)測體系建設(shè)數(shù)字洞庭湖另一個重要的應(yīng)用是建立湖區(qū)水環(huán)境監(jiān)測體系。湖區(qū)水環(huán)境監(jiān)測體系能有效地從點到面地監(jiān)測湖區(qū)水污染狀況，為洞庭湖區(qū)的水環(huán)境愛惜和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)供應(yīng)剛好、牢靠的依據(jù)。湖區(qū)水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于洞庭湖數(shù)字模型，主要通過建立湖區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)，利用地理信息系統(tǒng)動態(tài)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用專題模型對水環(huán)境作出區(qū)域性或局部性的評價分析。（1）地表徑流水質(zhì)監(jiān)測依據(jù)湖區(qū)各水文、水質(zhì)監(jiān)測站建立湖區(qū)地表徑流水質(zhì)采集系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)和洞庭湖數(shù)字模型，動態(tài)顯示湖區(qū)主要地表徑流以及洞庭湖各監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)狀況。（2）地下水水質(zhì)監(jiān)測在湖區(qū)按城鎮(zhèn)、農(nóng)村選取典型站點建立地下水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)和洞庭湖數(shù)字模型，實現(xiàn)洞庭湖各監(jiān)測區(qū)域的地下水質(zhì)監(jiān)測。（3）排污口監(jiān)測在主要的城市排污口設(shè)立自動水質(zhì)監(jiān)測儀，對排污量、污染物進(jìn)行實時監(jiān)測。（4）評價和預(yù)料預(yù)警系統(tǒng)依據(jù)水質(zhì)評價模型以及監(jiān)測數(shù)據(jù)，對洞庭湖監(jiān)測區(qū)域的水環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)狀評價和發(fā)展趨勢預(yù)料分析，通過地理信息系統(tǒng)和洞庭湖數(shù)字模型對評價和預(yù)料在數(shù)字地圖上進(jìn)行虛擬演示，以助于決策分析。

二、湖區(qū)泵站運行監(jiān)控管理信息系統(tǒng)2.1.建設(shè)目的以排區(qū)為中心，進(jìn)行排區(qū)信息管理系統(tǒng)試點建設(shè)，以精確、剛好了解和監(jiān)控各排區(qū)內(nèi)泵站機(jī)組、節(jié)制閘實時運行狀況，實現(xiàn)排區(qū)機(jī)電排灌設(shè)備的集中監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度。2.2基本思路各大小泵站設(shè)立泵站遙測RTU，實時采集泵站的機(jī)組啟停運行信息和內(nèi)外河水位信息，通過GPRS傳送到排區(qū)管理中心；節(jié)制閘設(shè)立閘位遙測RTU，將閘位和上下游水位通過GPRS傳送到排區(qū)管理中心；雨量、水位通過GPRS傳送到排區(qū)管理中心。在排區(qū)管理中心，設(shè)立單獨的機(jī)房和值班調(diào)度室，建立單獨的網(wǎng)絡(luò)，同泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)隔離開。中心設(shè)立特地的信息接收工控機(jī)接收上述信息，預(yù)處理后，存入數(shù)據(jù)庫，排區(qū)管理信息系統(tǒng)通過統(tǒng)一的界面，完成各泵站運行、節(jié)制閘開啟以及排區(qū)內(nèi)主要泵站內(nèi)外河、節(jié)制閘上下游水位以及排區(qū)雨情等信息的實時監(jiān)測。2.3建設(shè)主要內(nèi)容：（1）泵站遙測監(jiān)控RTU泵站遙測監(jiān)控終端（RTU）主要監(jiān)測遠(yuǎn)程泵站的基本運行數(shù)據(jù)，即泵站各泵機(jī)組啟停、故障信號，外河、前池和內(nèi)湖水位數(shù)據(jù)及水位上、下限值，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心。RTU工作思路：a．PLC完成泵站機(jī)組啟、停開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，通過RS485總線傳送嵌入式工業(yè)微機(jī)。b.采集外河水位、前池水位和內(nèi)湖水位；c.嵌入式工業(yè)微機(jī)處理、存儲和實時顯示機(jī)組運行和水位數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)庫；d.通過GPRS/GSMDTU和中心通信；e.接受自報方式，供應(yīng)召測功能；f.可設(shè)置日期和時間及參數(shù)，也可接收排區(qū)管理中心主控機(jī)發(fā)來的校時和修改參數(shù)；g.實現(xiàn)水位上、下限報警。（2）節(jié)制閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控RTU主要監(jiān)測閘門的開度，啟停時間，閘前、后水位，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至中心，供應(yīng)閘門現(xiàn)地、遠(yuǎn)程限制功能。閘門遙控RTU的主要功能如下：a.自動檢測各扇閘門的開度及運行狀態(tài)信息無論是處在自動限制狀態(tài)或是手動限制狀態(tài)，系統(tǒng)將自動檢測各閘門的工作狀態(tài)和開度。b.供應(yīng)直觀的顯示界面操作員可在顯示模塊中清晰看到各閘門的實時開度狀況。運行、停止、故障等狀態(tài)，由面板上的信號燈直觀顯示。c.具有現(xiàn)地限制、遠(yuǎn)程限制選擇系統(tǒng)可進(jìn)行現(xiàn)地限制、遠(yuǎn)程限制切換，現(xiàn)地限制為最高級。d.具有故障告警和越限告警以及告警自動記錄功能系統(tǒng)實時監(jiān)測各種告警信息，做出告警動作，并自動記錄告警類型和過程。e.自動操作記錄和單門開啟時間、累計時間統(tǒng)計（3）排區(qū)水情、雨情遙測和集中監(jiān)測雨水情遙測RTU的任務(wù)就是依據(jù)水文報汛的要求，剛好精確地將雨量、水位傳感器的數(shù)據(jù)自動采集、編碼、處理、發(fā)送到中心。并供應(yīng)特征水位、臨界雨量的自動短信發(fā)送，遠(yuǎn)程短信查詢功能。雨水情遙測終端RTU的主要功能為：實現(xiàn)雨量或水位信息實現(xiàn)自動采集。能固態(tài)存儲最近至少4周的歷史數(shù)據(jù)。以自報方式為主，供應(yīng)遙測功能自動報警短信發(fā)送，遠(yuǎn)程查詢功能；接受GPRS方式通信。接受太陽能電源系統(tǒng)供電。（4）各遙測點（即RTU）和排區(qū)中心通信組網(wǎng)以公網(wǎng)為主，GPRS主要完成數(shù)據(jù)傳輸，3G或電信全球眼作為視頻傳輸；同時可以建立專業(yè)的擴(kuò)頻系統(tǒng)，作為湖區(qū)語音、數(shù)據(jù)、視頻的應(yīng)急通訊，建立部分專線光纜解決限制、視頻傳輸。（5）視頻系統(tǒng)供應(yīng)視頻監(jiān)視功能，視頻可傳輸?shù)脚艆^(qū)管理中心、縣、市水利局，以及洞庭湖工程管理局。（6）排區(qū)中心信息管理軟件開發(fā)排區(qū)信息管理信系統(tǒng)基于B/S方式，以GIS地圖為依托，數(shù)據(jù)庫接受MSSQLServer2000以上版本。Web端放在排區(qū)管理中心的服務(wù)器中，本地干脆干脆用閱讀器訪問本系統(tǒng)，遠(yuǎn)程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)在權(quán)限許可下訪問。排區(qū)管理信息系統(tǒng)主要有如下功能模塊：圖2：排區(qū)信息管理系統(tǒng)功能示意圖

三、蓄洪垸平安預(yù)警系統(tǒng)3.1建設(shè)目標(biāo)依據(jù)蓄滯洪區(qū)建設(shè)和管理規(guī)劃的要求，運用現(xiàn)代信息技術(shù)，利用汛情險情監(jiān)測設(shè)施，建立覆蓋全垸預(yù)警信息傳輸通信網(wǎng)絡(luò)和預(yù)警警報設(shè)施，結(jié)合有關(guān)防衛(wèi)預(yù)案、群測群防體系，為各級政府和社會公眾供應(yīng)蓄洪區(qū)預(yù)警服務(wù)，爭取有效防范時間，規(guī)避蓄洪風(fēng)險。3.2基本思路預(yù)警系統(tǒng)站點包括預(yù)警指揮中心平臺、預(yù)警通信系統(tǒng)和預(yù)警設(shè)施的建設(shè)。在各蓄洪垸中建一個預(yù)警指揮中心，以平安平臺為基礎(chǔ)，劃分預(yù)警單元，并在各預(yù)警單元中設(shè)立預(yù)警廣播通信裝置，預(yù)警范圍覆蓋周邊村組，當(dāng)預(yù)警指揮中心接收到預(yù)警監(jiān)測信息后，通過手動或自動的方式向村組、企業(yè)或防指成員發(fā)送手機(jī)短信和打電話，同時啟動各預(yù)警單元的廣播預(yù)警通信裝置，從而達(dá)到剛好預(yù)警、有效避災(zāi)的目的。預(yù)警通信網(wǎng)絡(luò)可接受SCDMA無線寬帶通信組網(wǎng)，實現(xiàn)寬窄帶傳輸一體化，滿足湖區(qū)水利各類業(yè)務(wù)高數(shù)據(jù)帶寬傳輸，以及廣域覆蓋需求，供應(yīng)語音集群功能，形成高效的應(yīng)急通信解決方案。預(yù)警設(shè)施利用無線廣播裝置、短信、電話，以無線廣播為主。蓄洪垸的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖所示。圖3：蓄洪垸預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

四、重要干堤平安監(jiān)測系統(tǒng)4.1建設(shè)目標(biāo)依據(jù)洞庭湖堤防工程的劃分，對重要防洪堤在汛期考慮到堤身受洪水位浸泡時間較長可能發(fā)生滲透破壞，導(dǎo)致管涌、潰堤，給垸內(nèi)帶來洪水災(zāi)難，依據(jù)二、三級級堤防的觀測要求，為觀測堤身浸潤線，堤基滲透壓力及減壓排滲工程的滲控效果，應(yīng)當(dāng)選擇若干有代表性和限制性的斷面進(jìn)行滲壓滲流觀測。4.2建設(shè)內(nèi)容和思路堤防滲壓、浸潤線觀測方法為用垂直于大堤軸線取觀測斷面