洞庭湖区水利信息化建设思考.docx

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洞庭湖区水利信息化建设思考

洞庭湖区重要水利信息化建设项目的思考

根据洞庭湖的实际情况，从满足湖区水利事务综合统一的精细化管理，提高湖区水利工程的运行效益，最大幅度系统、科学进行湖区水利防涝减灾指挥、水资源利用和保护，从信息化角度建议在洞庭湖区重点开展数字洞庭湖、湖区泵站运行监控管理信息系统、蓄洪垸安全预警系统、重要干堤安全监测系统、湖区综合信息网和综合办公系统的建设工作。

一、数字洞庭湖

1.1建设目标

数字洞庭湖研究和建设的总体目标是：

以信息技术和3S技术为基础，建立洞庭湖区以描述水资源系统发展以及湖区演变的数字模型，建立覆盖湖区范围的防洪减灾综合调度体系和水环境监测体系，实现对湖区水资源配置管理、防洪指挥、水生态环境治理提供动态、全面、及时的虚拟现实环境和管理决策支持。

1.2体系结构

数字洞庭湖的体系结构包括洞庭湖空间信息平台、专业基础信息和模型平台和业务应用处理等三层。

如图所示。

图1：

数字洞庭湖结构示意图

洞庭湖空间信息平台由洞庭湖区基础地理信息、各类元素的空间信息和基础属性组成，空间数据描述各特征对象的空间位置，点、线、面用于表达如街道、湖泊和林地、工程等地理特征；非空间属性数据提供如街道名称、湖泊的盐度和林地的组成、工程的特性、社会经济信息等描述信息。

最终形成洞庭湖区各种专题的地理信息，如多尺度、多分辨率、多维的湖区各行政区划图、土地利用现状图、滩地分布图、防洪工程分布图、河道平面变迁图、交通管网和水系图等线划地图、数字正射影像图、数字高程模型。

专业基础信息平台由业务逻辑处理的各类模型、方法，如水文模型、泥沙淤积模型、洪水演进模型以及淹没模型、洪水预报模型、水质评价以及预警模型，洞庭湖动态监测信息由水文测报系统、水质监测系统、工程运行监视系统等采集的水环境、水量以及工程运行信息，通过数字地图动态显示和监控实时变化量，通过模型系统对监测数据进行处理、判断和反映。

业务处理部分按照基于防汛调度、水资源监控、水环境监测以及其它相关业务的要求，完成特定的应用。

数字洞庭湖系统的技术基础将利用基础测绘、GPS、遥感、遥测收集空间信息，利用GIS对空间信息进行处理，利用实时、动态监测系统进行变化量监控，利用专业模型处理业务。

1.3建设内容

建设内容主要包括空间地理模型、动态监测系统、专业模型的建设，建设的关键是洞庭湖区的空间地理模型和专业模型系统。

1.3.1洞庭湖数字模型建设

（1）数字模型

洞庭湖空间数据库涉及空间特征数据和属性数据，空间特征数据表示空间元素或实体的空间位置、几何特征和拓扑关系，属性数据是空间元素或实体的基本性质。

洞庭湖区空间数据库应涉及湖区内地形、地貌、行政区划、交通道路、建筑物、水系、植被、土壤等基础地理信息，以及水库、湖泊、河道长度、堤垸、行滞洪区、泵站、电排、涵闸、水文站、雨量站、水质站、土地利用、滩地分布、水土流失等水利专题空间数据。

基础空间数据采用国家测绘部门的基础地理信息数字地图，相关的属性数据来自统计部门，水利部门组织水利专题数据，基础地理信息比例尺应到1：

1万，专题数据应到1：

500。

湖区遥感和航拍影像资料，图像分辨率至10米以内，在此基础建立整个湖区的DOM数据，开发相应的飞行、演示、分析软件。

（2）模型系统

按照防汛减灾、水土流失、水环境监测等专题建立模型。

专题模型系统在原有信息的基础上结合空间数据和属性数据，利用GIS、三维动态技术形成直观、动态演示的模型系统，以助于各业务人员的分析，有利于管理人员决策。

防汛减灾模型主要包括洞庭湖水文模型、洪水演进模型、灾害评估模型、淹没模型等模型和方法。

防汛减灾模型应结合湖区和四水的水位雨量实测数据、洪水淹没和灾害等实时视频，以及空间地理信息和有关重点防洪对象分布图、滞洪区分布图、堤垸分布图等防汛专题图，以便业务处理系统进行综合分析和会商决策。

水土保持模型主要包括洞庭湖地面沉降模型、泥沙淤积模型、土壤侵蚀特性等模型和方法。

水土保持模型将结合洞庭湖基础地理信息以及四水尾闾地貌、洞庭湖地貌、滩地分步图等专题图，利用有关的遥感图像、航拍图像，水文观测资料，为湖区水土保持分析提供依据。

水环境模型主要包括水质评价模型、洞庭湖水污染趋势模型等。

水环境模型将结合覆盖湖区的地表、地下水及大气降水、重点排污口、取水口的水质监测信息。

（3）模型的应用

模型的应用主要在两个方面：

第一是基于模型平台的实时监控；第二是基于模型的虚拟现实演示和决策分析。

利用洞庭湖数字模型和采集系统可构建基于GIS的洞庭湖水资源管理实时监控系统、实时汛情监视系统、工情监测系统、水质动态监测系统、水土保持动态监测系统。

利用洞庭湖数字模型和决策支持系统可构建基于GIS、三维可视、动态的洞庭湖演变模拟系统、洪水淹没演进系统、灾情评估系统、防洪减灾调度指挥系统、水资源调度、水质评价和预测预警系统等。

，

通过构建的洞庭湖数字模型和相关应用系统建设，可为湖区水资源配置管理、防洪减灾指挥、水生态环境治理提供动态、全面、及时的虚拟现实环境和管理决策支持。

1.3.2湖区防洪减灾综合调度数字体系建设

洞庭湖区的防洪减灾工作是我省防汛工作的头等大事，如何建立有效监测汛情灾情发展、如何快速及时进行防汛减灾调度、如何协调湖区各防汛机构的关系确保防洪工程高效运行，确保人民生命财产的安全等等，需要建立一套完整的、科学的湖区防洪减灾综合调度体系。

数字洞庭湖最直接的应用是能有效地提供防洪减灾的支持。

除基于洞庭湖数字模型建立各种防洪决策支持模型和应用系统外，如洪水灾情损失分析评估、洪水在湖区水系河道中动态演示和推进模拟、洪灾淹没演进、溃垸以及行洪、滞洪、蓄洪推演和灾情评估等，同时建立监控体系、调度体系。

（1）汛情监测系统

利用湖区和周边已建水雨情采集系统，在重点堤垸、电排、涵闸等处设立内外河水位自动测量以及汛情视频采集系统，通过省防汛通信网络和水利计算机网络传送至各级防办、洞工局，利用数字模型和地理信息系统，在汛情查询系统中动态、实时地显示监测数据和图像、视频，实现对湖区汛情的实时监测。

（2）防洪工程安全监控体系

结合拟建的湖区重要堤防、河道以渗压监测为主的安全监测系统，易出险处或主要工程的视频监视系统，监视内外河水势以及工程运行情况，利用各级防汛工情采集系统，利用数字模型和地理信息系统，在工程安全查询系统中动态、实时地显示监测数据和图像、视频。

（3）水电工程联合调度系统

建立湖区和四水上重要防洪调度控制性工程的联合调度系统，并能处理湖区各级泵站、电排站等运行调度指挥，通过地理信息系统，在洞庭湖数字地图上，实时反映工程运行调度情况，并模拟洪水演进过程。

（4）社会危机应急联动系统

利用拟建的蓄洪垸安全预警系统，结合当地防汛抗旱指挥系统，同城市应急系统（如110，119，或电力110等）建立联动的社会公众应急服务系统，利用洞庭湖数字模型和GIS，借助遥感影像和视频，快速制订最优抗洪抢险人财物调配方案和生命财产安全转移方案，快速评估各种方案灾情损失情况。

1.3.3湖区水环境数字监测体系建设

数字洞庭湖另一个重要的应用是建立湖区水环境监测体系。

湖区水环境监测体系能有效地从点到面地监测湖区水污染情况，为洞庭湖区的水环境保护和生态系统建设提供及时、可靠的依据。

湖区水环境监测系统基于洞庭湖数字模型，主要通过建立湖区的水质监测站网，利用地理信息系统动态显示监测数据，利用专题模型对水环境作出区域性或局部性的评价分析。

（1）地表径流水质监测

依据湖区各水文、水质监测站建立湖区地表径流水质采集系统，利用地理信息系统和洞庭湖数字模型，动态显示湖区主要地表径流以及洞庭湖各监测区域的水质情况。

（2）地下水水质监测

在湖区按城镇、农村选取典型站点建立地下水质监测系统，利用地理信息系统和洞庭湖数字模型，实现洞庭湖各监测区域的地下水质监测。

（3）排污口监测

在主要的城市排污口设立自动水质监测仪，对排污量、污染物进行实时监测。

（4）评价和预测预警系统

依据水质评价模型以及监测数据，对洞庭湖监测区域的水环境状态进行现状评价和发展趋势预测分析，通过地理信息系统和洞庭湖数字模型对评价和预测在数字地图上进行虚拟演示，以助于决策分析。

二、湖区泵站运行监控管理信息系统

2.1.建设目的

以排区为中心，进行排区信息管理系统试点建设，以准确、及时了解和监控各排区内泵站机组、节制闸实时运行情况，实现排区机电排灌设备的集中监控和统一调度。

2.2基本思路

各大小泵站设立泵站遥测RTU，实时采集泵站的机组启停运行信息和内外河水位信息，通过GPRS传送到排区管理中心；节制闸设立闸位遥测RTU，将闸位和上下游水位通过GPRS传送到排区管理中心；雨量、水位通过GPRS传送到排区管理中心。

在排区管理中心，设立单独的机房和值班调度室，建立单独的网络，同泵站计算机监控系统网络隔离开。

中心设立专门的信息接收工控机接收上述信息，预处理后，存入数据库，排区管理信息系统通过统一的界面，完成各泵站运行、节制闸开启以及排区内主要泵站内外河、节制闸上下游水位以及排区雨情等信息的实时监测。

2.3建设主要内容：

（1）泵站遥测监控RTU

泵站遥测监控终端（RTU）主要监测远程泵站的基本运行数据，即泵站各泵机组启停、故障信号，外河、前池和内湖水位数据及水位上、下限值，并将采集的数据发送到中心。

RTU工作思路：

a．PLC完成泵站机组启、停开关量数据采集，通过RS485总线传送嵌入式工业微机。

b.采集外河水位、前池水位和内湖水位；

c.嵌入式工业微机处理、存储和实时显示机组运行和水位数据,建立数据库；

d.通过GPRS/GSMDTU与中心通信；

e.采用自报方式，提供召测功能；

f.可设置日期和时间及参数，也可接收排区管理中心主控机发来的校时和修改参数；

g.实现水位上、下限报警。

（2）节制闸门远程监控RTU

主要监测闸门的开度，启停时间，闸前、后水位，并将监测数据发送至中心，提供闸门现地、远程控制功能。

闸门遥控RTU的主要功能如下：

a.自动检测各扇闸门的开度及运行状态信息

无论是处在自动控制状态或是手动控制状态，系统将自动检测各闸门的工作状态和开度。

b.提供直观的显示界面

操作员可在显示模块中清晰看到各闸门的实时开度情况。

运行、停止、故障等状态，由面板上的信号灯直观显示。

c.具有现地控制、远程控制选择

系统可进行现地控制、远程控制切换，现地控制为最高级。

d.具有故障告警和越限告警以及告警自动记录功能

系统实时监测各种告警信息，做出告警动作，并自动记录告警类型和过程。

e.自动操作记录和单门开启时间、累计时间统计

（3）排区水情、雨情遥测和集中监测

雨水情遥测RTU的任务就是按照水文报汛的要求，及时准确地将雨量、水位传感器的数据自动采集、编码、处理、发送到中心。

并提供特征水位、临界雨量的自动短信发送，远程短信查询功能。

雨水情遥测终端RTU的主要功能为：

•实现雨量或水位信息实现自动采集。

•能固态存储最近至少4周的历史数据。

•以自报方式为主，提供遥测功能

•自动报警短信发送，远程查询功能；

•采用GPRS方式通信。

•采用太阳能电源系统供电。

（4）各遥测点（即RTU）与排区中心通信组网

以公网为主，GPRS主要完成数据传输，3G或电信全球眼作为视频传输；

同时可以建立专业的扩频系统，作为湖区语音、数据、视频的应急通讯，建立部分专线光缆解决控制、视频传输。

（5）视频系统

提供视频监视功能，视频可传输到排区管理中心、县、市水利局，以及洞庭湖工程管理局。

（6）排区中心信息管理软件开发

排区信息管理信系统基于B/S方式，以GIS地图为依托，数据库采用MSSQLServer2000以上版本。

Web端放在排区管理中心的服务器中，本地直接直接用浏览器访问本系统，远程用户通过互联网在权限许可下访问。

排区管理信息系统主要有如下功能模块：

图2：

排区信息管理系统功能示意图

三、蓄洪垸安全预警系统

3.1建设目标

按照蓄滞洪区建设与管理规划的要求，运用现代信息技术，利用汛情险情监测设施，建立覆盖全垸预警信息传输通信网络和预警警报设施，结合有关防御预案、群测群防体系，为各级政府和社会公众提供蓄洪区预警服务，争取有效防范时间，规避蓄洪风险。

3.2基本思路

预警系统站点包括预警指挥中心平台、预警通信系统和预警设施的建设。

在各蓄洪垸中建一个预警指挥中心，以安全平台为基础，划分预警单元，并在各预警单元中设立预警广播通信装置，预警范围覆盖周边村组，当预警指挥中心接收到预警监测信息后，通过手动或自动的方式向村组、企业或防指成员发送手机短信和打电话，同时启动各预警单元的广播预警通信装置，从而达到及时预警、有效避灾的目的。

预警通信网络可采用SCDMA无线宽带通信组网，实现宽窄带传输一体化，满足湖区水利各类业务高数据带宽传输，以及广域覆盖需求，提供语音集群功能，形成高效的应急通信解决方案。

预警设施利用无线广播装置、短信、电话，以无线广播为主。

蓄洪垸的监测预警系统结构示意图所示。

图3：

蓄洪垸预警系统结构示意图

四、重要干堤安全监测系统

4.1建设目标

按照洞庭湖堤防工程的划分，对重要防洪堤在汛期考虑到堤身受洪水位浸泡时间较长可能发生渗透破坏，导致管涌、溃堤，给垸内带来洪水灾害，根据二、三级级堤防的观测要求，为观测堤身浸润线，堤基渗透压力及减压排渗工程的渗控效果，应当选择若干有代表性和控制性的断面进行渗压渗流观测。

4.2建设内容和思路

堤防渗压、浸润线观测方法为用垂直于大堤轴线取观测断面，在整个观测断面埋设渗压观测点，堤基渗压观测的观测方法为在堤脚、压浸平台中部及末端三点布置观测断面，自动观测采用压力传感器，观测数据经电缆传至接收发送机，最终送到远方的监测中心。

堤防渗压观测按照每个观测断面布置从内河至外堤压渗平台依次安装4个测压管，测压管埋深分别为5m、8m、8m、6m，如图所示，每个测压管中放置高精度扬压力计1支，接入到自动观测仪器。

图4堤身渗压观测断面设计图

监测中心通过无线方式同各安全监测遥测点相连。

无线信道采用超短波或GPRS/GSM，接收到堤防渗压观测断面以及闸门数据，保存到排区管理中心数据库，排区管理工作站监测软件实时显示所有观测资料，并提供相应的分析和图形绘制、打印功能。

五、湖区综合信息网和综合办公系统

5.1建设目标

以湖南省洞庭湖工程管理局为中心，洞庭湖区涉水事务综合管理为目标组建湖区综合信息网站，建立综合办公系统。

5.2建设思路和内容

湖区综合信息网分内网、外网两个部分，外网主要是湖区涉水事务的公众信息发布，提供洞庭湖水利新闻、办事流程、政务公开、政策法规、水利工程概况、水环境、水资源保护、防洪排涝减灾信息、洞庭湖可持续发展研究、重大课题、论坛等内容。

外网以中英两种文字发布。

内网结合综合办公系统建立，结合内部办公、工程项目管理、财务、科技管理以及业务系统建立，业务系统主要涉及前述的数字洞庭湖，湖区泵站运行监控系统、蓄洪垸安全预警系统、湖区堤防安全监测系统等。

提供移动办公的功能。