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太原理工大学硕士研究生学位论文 河道水文全天候监测系统 摘要 水文监测是指水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集 成。河道水文的监测是指对河流、渠道的水文参数的监测。即对水位、 流量、流速、降雨( 雪) 、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等参数的监测。 虽然现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术已经迅速发展， 在很大程度上促进了河道水文监测技术的自动化进程。但是，目前在该 领域仍然存在以下两方面难题： 1 恶劣环境下对河道水位的监测 由于河道的水文监测点全部分布在野外，河水又不断流动且携带大 量泥沙，因此在传感器及现场数据采集处理仪器的选择、监测点的供电 、数据的实时传输、数据的远程通信几方面均存在困难。此外，北方地 区的严寒对系统的稳定性也提出了考验。由于冬季河道结冰，使这些地 区无法进行正常的水文自动检测与预报，使河道水文不能实现全天候的 监测功能。 2 冰凌灾害监测与预报 为了解决冰凌问题，无论从理论上还是实践上都需要了解冰厚及其冰 的形成规律，这就要求对冰层厚度的连续自动化检测。这也是河道水文 ： 查堕塑三查兰婴主婴塞竺堂垡堡兰 的监测内容之一。可是至今还没有完善的仪器能对其进行方便的检测。 本论文主要探讨对河道冰厚、水位的检测。同时，结合g s m 刚络短 消息业务( s m s ) 实现数据的远程通信，再结合计算机管理软件，设计并 实现了河道水文的全天候自动监测系统。完成对河道水文信息( 本文指 河道水位、冰厚数据) 的远程调用以及对河道水文历史信息的存储，计 算和数学分析。 河道水文全天候自动化监测的实现，为水文部门解决周边地区水资源 严重短缺问题及修复和保护生态环境问题提供了详实的第一手资料。是 水利部门在进行水资源管理、洪水预报以及冰凌灾害预报时的重要信息 来源和技术保障。 本文主要论述了河道水文的全天候系统监测站的设计与实现。首先 介绍了课题的研究意义，国内外河道水情冰情监测领域的现状，并对目 前数据远程通信方式进行分析比较，着重介绍了g s m 网络、短消息、l k 务 及其在河道水文监测领域应用的可行性分析。接下来对河道水文的全天 候监测系统的总体设计进行阐述，包括系统的总体结构、工作原理及主 要功能。然后分别对监测站的硬件殴计及软件设计进行详细论述，对系 统的硬件及软件抗干扰技术作了介绍。接着对豁测中心管理系统软件作 了简要介绍。在介绍完整个系统之后，本文给出了系统调试的相关内容， 并对调试中出现的一些问题进行了分析与总结。另外，还做了对电容冰 厚传感器的机理实验并对该种传感器的应用前景作了分析。最后本文进 行了系统可靠性分析，简要叙述了系统的应用情况，并对本次设计工作 以及在设计过程中所采用的新方法作了总结，对系统将来的发展进行了 展望。 查堕里三查兰堡主里! 塞生兰生笙苎 结合山西河道水资源勘测的工程需求，有两套河道全天候水文自动 监测系统已经投入试验运行。从实际应用的情况来看，系统运行稳定、 可靠，基本达到了预期的要求。利用g s m 网络短消息业务能够实现数据 的远程通信，基于这种技术的自动监测系统特别适用于监测站点多而分 散或地处偏僻地区的情况，因此，该技术在工业测控领域有着广泛的应 用前景。 关键词：全天候，河道水位，冰厚，g s m ，短消息，监测 s y s t e m a b s 劂c t h y d r o j o g i c a lm o m t o r i n gr e f e r st ot h ei n t e g r a t i o no f h y d r o l o g i c a ls e n s o r t e c h n o l o g ya 1 1 dt h em e m o r y ，t h et r a n s m i s s i o n ，t h e p r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 ye t c y h ec o n t e n to f r i v e r 。c o u r s eh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gi n c l u d e ss o m e n y d l 0 9 1 。龇p a r a m e t e ro fr i v e r sa n dt h a to fc h a n n e l ：t h ew a t e 卜1 e v e l ，t h ef l u x h en o w i n g s p e e d ，r a i n ( s n o w ) ，e v a p o r a t e s ，t h es i l t ，t h ei c e ，t h es o i lm o i s t u r e s e n t i m e n t ，t h ew a t e rq u a l i t ya n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h em o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 9 y ，s e n s o r t e c n n o j o g y ，c o r n m u n i c a t i o na n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y ，t h er i v e r 。c o u r s e n y d r o l 0 9 1 c a lm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o m o t e d g r e a t l y b u t ，a t p r e s e n t ，t w 0p r o b l e m sh a v en o tb e e ns o l v e dy e ta sf o i i o w i n ： l w a t e r - 1 e v e lm o n i t o r i n gu n d e rs e r i o u sc i r c u m s t a n c e si nt h er i v e r c o u r s e a st h em o n l t o r i n g p o i n t sa r ec o m p l e t e l yd i s t r i b u t e di nt h eo p e na r e a a n d t h er i v e ra l w a y 8 。a r r i e sm a s s i v es i l t sw h i l ei ti s f l o w i n g ，s oi t i s d i f f i c u l ti n 、 m a n ya s p e c t ss u c ha st h es e l e c t i o no f s e n s o r ，t h ef i e l dd a t a g a t h e r i n 2 p r o c e s s l n g1 n s t m m e n t，t h ep o w e rs u p p l y ，r e a l t i m et r a n s m i s s i o no f t h ed a t a a n dt h ec o m m u n i c a t i o nw a y t h e n o r t h e r ns e v e r ew i n t e ra l s op r o p o s e dt o t n 。3 y 8 t 。m 5s t a b i l i t y d u r i n gt h ef r o z e ns e a s o ni nn o r t h ，i ti su n a b l e t oc a r r y o nt h en o r m a lh y d r o l o g i c a la u t o m a t i cd e t e c t i o na n d f o r e c a s t i t t h u st h ea 1 i 奎堕里三盔堂堡主堕塞生兰垡鲨苎 - w e a t h e rh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n go fr i v e r - c o u r s ec a n n o tb er e a l i z e d 2 t h em o n i t o r i n ga n dt h ef o r e c a s t i n go f i c yd i s a s t e r t os o l v ei c yp r o b l e m s ，t h ei c et h i c k n e s sa n di t sf o r m a t i o nr e g u l a t i o n s h o u l db ek n o w n ，w h e t h e ri t st h e o r yo rt h ep r a c t i c e s ot h ec o n t i n u o u s a u t o m a t e de x a m i n a t i o nt oi c el a y e rt h i c k n e s si sr e q u e s t e d ，w h i c hi so n ei t e m o f r i v e r - c o u r s eh y d r o l o g y b u t ，s t i l ln o w ，n oi d e a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n tc a n b ec o n v e n i e n t l yu s e di nt h i sf i e l d t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h em e a s u r e m e n to fi c et h i c k ，t h ew a t e r 1 e v e l ，s i m u l t a n e o u s l yu n i f i e st h eg s mn e t w o r ka n ds h o r tm e s s a g e ss e r v i c e ( s m s ) t or e a l i z e t h ed a t a s l o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n ，r e c o m b i n e s c o m p u t e rm a n a g e m e n ts o f t w a r e d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ea 1 1 w e a t h e r a u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mo fr i v e r - c o u r s eh y d r o l o g y c o m p l e t e st h e r i v e rc o u r s eh y d r o l o g yi n f o r m a t i o n ( i nt h i sp a p e r ，i tr e f e r st ow a t e r - l e v e l a n di c et h i c k n e s s ) l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o na sw e l la st oh y d r o l o g yh i s t o r y i n f o r m a t i o nm e m o r y ，c o m p u t a t i o na n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s t h er e a l i z a t i o no fr i v e r - c o u r s eh y d r o l o g i c a la l l w e a t h e ra u t o m a t e d m o n i t o r i n gh a sp r o v i d e dt h ed e t a i l e dm a t e r i a l ，w h i c hc a nh e l ph y d r o l o g i c a l d e p a r t m e n tt os o l v et h es e r i o u ss h o r t n e s so f w a t e rr e s o u r c e sa r o u n dl o c a la r e a ， t or e p a i ra n dp r o t e c te c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e m s w h i c ha r ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o nr e s o u r c ea n dt e c h n i c a la s s u r a n c ei nw a t e rr e s o u r c em a n a g e m e n t a n dt h ef l o o df o r e c a s t i n gf o rh y d r o l o g i c a ld e p a r t m e n t t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm o n i t o r i n gs t a t i o no ft h er i v e r c o u r s e h y d r o l o g i c a la l l w e a t h e ra u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m l o n g - d i s t a n c ea r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e m e a n i n go fs t u d y i n gt h et a s ka n dt h ea c t u a ld e v e l o p m e n ts t a t eo fr i v e r - c o u r s e m o n i t o r i n g ( i n c l u d i n gi c ea n dw a t e ri n f o r m a t i o n ) s o m ec u r r e n tm e t h o d so f d a t at e l e c o m m u n i c a t i o na r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ，t h eg s mn e t w o r ka n d v 二垦! 要塞三盔堂堡主堑塞竺堂垡垒壅 s m sa r ed e s c r i b e d ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ef e a s i b i l i t yo f a p p l y i n gt h eg s m n e t w o r ka n ds m st ot h ef i e l do fr i v e r c o u r s e m o n i t o r i n gi sg i v e n n e x t d i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g no ft h es y s t e mw h i c h i n c l u d i n gt h et o t a l 疗a m e w o r k t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h e m a i nf u n c t i o no ft h es y s t e m t h e nt h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no f m o n i t o r i n gp o i n t sa r ed e s c r i b e d r e s p e c t i v e l yi nd e t a i l a n dt h ea n t i - j a m m i n gt e c h n i q u eo ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h es y s t e mi sp r o v i d e dr e s p e c t i v e l y a n dt h e nt h ep a p e rd e s c r i b e s t h em o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r e a f t e r w a r d st h ed e b u gm e t h o d so f t h es y s t e m 。 a r e g i v e n ，a n dt h ea n a l y s i sa n dt h es u m m a r i z ea i ma ts o m ep r o b l e m s a p p e a r m gd u r i n gt h ed e b u gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d l a s t l yt h er e l i a b i l i t yo ft h e w h o l es y s t e mi sa n a l y z e d ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi sd e s c r i b e ds i m p l y ， t h ew h o l ed e s i g nt a s ka n dt h en e wm e t h o d su s e dd u r i n gt h ed e s i g np r o c e s sa r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ep r o s p e c to ft h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi sa l s o p r o p o s e d a st h e ya r e r e q u i r e db yt h e s h a n x i w a t e r - s u r v e y i n gp r o j e c t ，t w o m o n i t o r i n gs y s t e m sh a v eb e e nu s e di ne x p e r i m e n t a lr u n n i n go nt h et w o m o n i t o r i n gp o i n t sn o w f r o mt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h es y s t e mc a nr u ns t a b l y a n dr e l i a b l y , r e a c ht ot h ep r o s p e c t i v e d e m a n d u s i n gs m so ft h eg s m n e t w o r k ，d a t at e l e c o m m u n i c a t i o nc a nb er e a l i z e d t h i st e c h n i q u ei ss u i t a b l e f o rt r a n s m i t t i n ga s m a l lq u a n t i t yo fd a t as u c ha st h ei n f o r m a t i o no fo r i e n t a t i o n ， r e m o t em e a s u r e m e n t ，r e m o t ec o n t r o l ，a n da l a r ms i g n a l a u t o m a t i cm o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nt h et e c h n i q u ei se s p e c i a l l ya p p l i c a b l ew h e nt h e r ea r el o t so f s c a t t e r e do rr e m o t em o n i t o r i n gp o i n t s s o ，t h i s t e c h n i q u em u s tb ew i d e l y 、 a p p l i e di nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o li n d u s t r y k e y w o r d s ：a l l w e a t h e r ，w a t e r l e v e l ，i c et h i c k n e s s ，g s m ，s m s ，m o n i t o r v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 水资源是生命的源泉，是生态系统不可缺少的要素，同土地、能源等构成人类经 济与社会发展的基本条件。随着人口与经济的增长，世界水资源的需求量不断增加， 水环境的不断恶化，水资源紧缺已成为共同关注的全球性问题。1 9 9 7 年1 月，联合 国在对世界淡水资源的全面评价的报告中指出：缺水问题将严重地制约2 l 世纪经 济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。 我国的水资源状况也不容乐观。人均占有水量只有2 3 0 0 立方米，约为世界人均 水量的四分之一，接近国际标准规定的严重缺水边缘( 人均拥有水量2 0 0 0 立方米) 。 此外，由于工农业盲目和不科学的发展，水资源污染问题在我国也显得特别突出。水 资源短缺和水污染并存的局面，严重地威胁着人民生活和经济的发展，类似黄河断流 和淮河大面积污染的生态环境灾害，均对受影响地区经济发展和生态环境造成巨大冲 击，经济损失惨重。同时，地区水量分布不均洪涝灾害复杂、生态环境恶化问题亦日 趋严重。 此外，我国地域辽阔，地形复杂，又地处亚洲季风区，气候异常，河流来水量变 化剧烈，水、旱灾害发生频繁，大小洪水连年不断。加之我国北方地区，冬季气温比 较低，冰冻现象普遍存在。河流、湖泊、明渠和水库由冰冻形成的各种各样的冰坝、 冰塞，冰凌堆积等自然现象，不仅严重影响许多水利工程设施和水上交通运输的正常 运行，也给河流沿岸人民的生命财产和水电大坝安全造成威胁。可以说，我国是世界 上洪水灾害冰凌灾害频发的国家之一。如1 9 9 8 年长江流域、松花江和嫩江流域发生 的大面积特大洪水造成了历史上罕见的水灾，给人民的生命财产造成了严重的损失a 北方地区凌汛险情也很严重，一是凌汛来势猛烈，二是地冻未消，取土抢险困难。据 统计，解放前，黄河改道后的百余年间，仅山东境内因凌汛决口就有3 5 次之多，2 0 0 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 年发生在内蒙古乌海市黄河冰凌决堤以及近年来多次发生的黄河中、下游地段冰凌决 堤都给沿岸人民造成很大的损失和痛苦c i 2 j 。究其原因，报汛不及时，水情( 包括冰 情) 不明是加重灾害的主要原因。 建设水情自动测报系统是一项投资少、工期短而又十分有效的非土建工程性的防 汛减灾措施，已为世界各国所普遍采用。推广水情自动测报技术，提高防汛减灾管理 水平，确保安全度汛、造福人民，已经成为水利工作者的重要职责。 在水情自动测报系统中，冬季水文检测( 包括水情、冰情) 对于城市蓄水、河道、 长距离输水渠道等，是十分重要的。由于恶劣的检测环境，使得冬季冰下水位检测同样 是一个较难解决的水利工程难题。由于资金投入的不足，以及各种历史原因，目前国内 对冰隋检测领域的研究基本处于一种空白状态。国家水利部水文司虽然于1 9 9 4 年1 月l 同 公布了关于“河流冰情观测规范”( s l 5 9 9 3 ) 的中华人民共和国行业标硝3 1 ，但由于没有 可供实际使用的冰生消过程自动检测设备，目前我国北方冰冻地区冬季对冰层厚度、冰 下水位的检测完全采用人工凿冰进行，是我国水文自动监测、灾害预警系统的一个“技 术、设备盲区”。 具体到河道水文监测方面，虽然现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技 术的迅速发展，很大程度上促进了河道水文监测技术自动化的发展。但是，目前仍然 存在以下两方面难题： 1 恶劣环境下对河道水位的监测 由于监测点全部分布在野外，而且河水不停流动且携带大量泥沙，在传感器及现 场数据采集处理仪器的选择方面、供电方面、数据的实时传输与通信方式上存在困 难。北方地区的严寒对系统的稳定性也提出了考验，北方结冰地区冬季无法进行正常 的水文自动检测与预报，使河道水文不能实现全天候的监测功能 2 冰凌灾害监测与预报 为了解决冰凌问题，无论从理论上还是从实践上，都需要了解冰的生消过程形成 规律，这就要求对冰层厚度的连续自动化检测河道水文的监测内容之一。可是至 今还没有完善的仪器对冰的生消过程方便地进行连续自动化监测。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 本论文主要探讨通过对河道冰厚、水位的检测，进而实现对河道水文的全天候自动 监测系统。同时结合g s m 通讯技术和相关的电子信息处理技术与计算机管理软件，完成 河道水文信息( 本文指河道水位、冰厚数据) 的远程调用以及对水文历史信息的存储， 计算和数学分析。 河道水文全天候自动化监测的实现，为水文部门解决周边地区水资源严重短缺问 题及修复和保护生态环境问题提供了详实的第一手资料，是水利部门在进行水资源管 理、洪水预报以及冰凌灾害预报时的重要信息来源和技术保障，为进一步提高水资源 管理的现代化程度提供了有效方法和途径。可以协助政府走出一条建设节水型社会、 实现人与自然和谐相处、经济与社会可持续发展的成功之路。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 在水情监测领域，世界上许多国家都投入了大量的物力和财力来对水情实时监测和 水资源管理进行研究，以期能更好地利用水资源和提高管理效率。目前，世界上在这方 面取得较好成绩的国家，包括美国、澳大利业等。 以维多利亚州g o u l b u m - m u r r a y 水务局监测和灌溉管理系统为例，维多利亚州的 g o u l b u m m u r r a y 水务局是澳大利亚负责g o u l b u m 和m u r r a y 流域水资源管理最大的农村 水利机构。它负责管理六大灌区和维多利亚州水资源调度，主要业务是在所有的河道系 统建立完善的实时水情监测和管理系统。其中包括s c a d a 系统，计算机系统、水情数 据库及水资源管理和灌溉供水计划和调度。对于复杂的g m w 水务局河道系统，使用者 可以从计算机网络系统上通过数据对河道系统进行管理。澳大利亚r u b i c o n 公司开发 的软件在水务局计算机网络二十多个u n i x 和n t 服务器上运行。这一软件管理整个地 区4 0 0 0 0 监测站的数据并系统运行，每个主系统上采用r u b i c o n 的m d l c 驱动器运 行c i t e c t 的软件。 在冰情监测领域，从文献资料4 1 知，国际上对冰的学术研究组织是“国际冰研究与 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 工程专业委员会( s e c t i o no f i c er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g ) ”，它是国际水利工程与研究 协会( i a h r ) 地球物理分部下属的第四个专业委员会，成立于1 9 7 3 年。对冰的科学研 究比较活跃的国家主要是地处寒冷地区的国家。如：芬兰、挪威、瑞典、新西兰、日本、 美国、俄罗斯等国家。美国陆军寒压研究和工程实验室、芬兰赫尔辛基大学地球物理系、 芬兰海洋研究所、芬兰和瑞典冰服务中心等都是国际著名的冰研究机构。 在冰隋监测中，最为直观而且重要的指标之一是冰的厚度。然而，由于检测环境大 多处于气温寒冷、风雪交加的野外恶劣环境，使得对冰层厚度与冰冻条件下水位等冰情 参数的检测要比一般水情参数( 如水位、雨量等) 的检测困难的多。 从检测技术应用领域看，目前，国内外测量冰、雪厚度的方法可以归纳为三种类型： 第一类：依靠发射的电磁波、声波等穿透冰层，用其返回到接收器时的时间换算出 冰、雪的厚度，属于物理探测技术。利用卫星、雷达进行海冰监测就属于这一类型。所 以穿透速度是关键指标，但由于冰、雪的性质受到其内部温度的控制，而自然界冰、雪 的温度又随气温昼夜发生变化。因此，与冰性质有关的物理参数是在一定范围的变化值， 这样就造成实测方法有较大误差和误差因素的不确定性。 第二类：依靠超声波和激光到达冰、雪界面时反射回来的时间，计算出距界面的距 离，也属于物理探测技术。但实测精度受到局部表面起伏的影响，厚度的变化需要在冰、 雪层的表面和底面相对测试才能体现，仰视冰剖面声纳探测冰层厚度就属于这一方法。 第三类：直接钻孔测量。该方法简单可靠，但需要强体力劳动，因现场条件的限制， 无法实现定点定时观测。 国际上对于在冰冻条件下对河道水位检测的资料报道很少。经资料检索，日本专利 ( 专利号：go lf2 3 3 0z7 1 4 3 2 f ) 提出可在野外环境冰冻条件下对河道水位检测的 种水位测量装置”。它是一种外形为圆柱形简装罱，上面封口垂直安置于水中，筒内罐 入防冻油，其厚度比预计的冰层厚一些，水可从简的下部进入筒中，由于比重不同，防 冻油飘浮在水上面，可阻挡冷空气接触水，使筒中的水不结冰，在筒中有水的情况下， 由于有圆柱形筒的保护防冻油不会流失，且能在筒中随着水位的变化上下自由移动。筒 内中心部位垂直装一根杆，水位信号检测装置置于套在杆上的一个可移动的圆柱体上， 与防冻油层一起随水位的变化上下移动，水位信号由圆柱形筒顶端引出，并由筒外装置 4 奎堕堡三盔堂堡主婴壅生兰堡笙塞 输出o - i o v 直流电压【5 ，6 】。一般情况下对冰冻条件下河道水位的检测都需建保温测井或 凿冰开洞进行测量。 1 2 2 国内研究现状 我国水文站对冰厚及冰冻条件下河道水位的检测大多采用人力穿冰打孔，然后用量 冰尺或水尺测得冰厚、水浸冰厚、水位等数据，这种方法劳动强度大，当冰厚达到或超 过1 m 时，穿冰打孔非常艰苦，特别是冰面上出现沿流水、融冰水等情况时，穿冰打孔就 更困难了。现在较为先进的方法也就是用机械、电钻、汽车钻等穿冰打孔，这些都没有 摆脱穿冰打孔的传统方式。文献i ，1 介绍的不冻孔测桩式冰厚测试仪，是对现行穿冰打孔 方法的改进，其结构及原理为利用系有一个浸泡在冰层下部的小横棒的电热丝装置，该 装置被附在固定于冰层且冰层上面标有刻度的固定竿上。检测时给电热丝通电加热后向 上提升电热丝直n d , 横棒到达冰底下界面，然后读取固定在冰上长度计的刻度获得冰层 厚度数值( 如图l 一1 所示) 。 图卜1 不冻孔测桩式冰厚测试装置 f i g1 - 1m e a s u r e m e n td e v i c eo f i c et h i c k n e s st h r o u i g hs t a k ew i t h o u tf r o z e nh o l e 虽然这种方法获得的数据可靠，但它既花力气，又花时间，而得到的测量数据 有限。该仪器在新立城水库进行了3 年的比测应用，效果良好。但它还没有实现 自动化。 冰情观测是水文测量的一项重要内容，也是目前我国在这一领域最薄弱环节， 特别是在冰冻条件下河流水位，河道冰生、消变化的检测方法与设备上尤为突出。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于没有有效的监测手段，使我们对北方河道冰凌灾害处于无预防状态，严重威 胁着沿岸地区人民的生命和财产安全。 随着我国经济建设的发展，南水北调、引滦入津、引黄入晋、许多北方大中 城市的市区河道蓄水工程以及越来越多的水利水电工程项目投入建设。而冬季结 冰现象对水利设施，包括设备、工程设施的安全正常运行有着不容忽视的影响。 因此，对河冰的监测是水利水电工程中必不可少的监测内容。 可见，对冰的厚度及其变化过程规律的了解，对结冰条件下河道水位的检测将 涉及地理气候环境监测、水文预报、冰凌灾害预报、水电设施、交通安全运行等 诸多应用领域。 实现河道水文全天候自动化监测，可以为提高我国冰凌、冰塞形成机制预报 研究的水平提供科学保证，为我国在冬季结冰时对河道水位进行自动化监测提出 新的尝试。 1 3 课题来源及主要内容 本课题来源于山西省水文水资源勘测局的实际工程应用项目：永定河上游引晋入 京输水工程。系统由山西省水文水资源勘测局监控中心和南洋河流域若干监测点、桑 干河流域若干监测点组成。已建好并投入使用的监测点有两个：石佛寺监测点和固定 桥监测点。在两个测点分别安装了测报仪、电导式冰厚传感器、太阳能供电系统，对 河道四季水位及冬季冰厚进行实时监测。 本论文提出了基于s m s 的河道水文全天候自动测报系统的总体设计，包括系统总 体结构及其功能，并根据本人在该课题中的主要任务对监测站的硬件和软件设计作了 详细论述，对监测中心管理软件作了简要介绍，并给出了调试的相关内容。同时还提 出了利用电容传感器来完成河道水文的全天候检测任务的构想，并对该种传感器进行 了机理实验，迸一步验证该方案的可行性。最后对系统的设计作了总结与展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章河道水文全天候测报系统的总体分析与设计 2 1 河道水文全天候监测系统的功能需求分析 2 1 1 系统概况 山西地处山地、高原地区，总的地势北高南低，由北向南、向东、向西三个方向 倾斜，省内水系呈放射状向黄河及华北平原发散，分别属于黄河、海河两大水系。 海河流域七大水系之一的永定河系( 见图2 一1 ) ，位于东经1 1 2 。1 7 。4 5 、 北纬3 9 。4 1 。2 0 ，东邻潮白河、北运河，西邻黄河，南为大清河，北为内陆河。 流域面积4 7 0 1 6 k m 2 ，其中山区面积4 5 0 6 3k i n ，平原面积1 9 5 3 km 。永定河全长7 2 1 7 k m ， 流经内蒙古、山西、河北、北京、天津五省、市、自治区的4 3 个县市。永定河上游 有桑干河和洋河两大支流，至怀来县朱官屯汇合后称永定河，在延庆县纳妫水河，经 官厅水库流入官厅山峡( 官厅水库至三家店区间) 。从官厅至朱官屯河长3 0 k m ，官 厅山峡河长1 0 8 7 k m ，至三家店流入平原。上游洋河是永定河主要支流之一，发源于 内蒙古兴和县，上源有三河，即东洋河、西洋河和南洋河，三河于柴沟堡附近岸庄屯 汇流后称洋河。 洋河流域面积1 6 9 3 3 km 2 ，干流由岸庄屯至朱官屯河长1 0 6 k m ，东洋河河长1 3 5 k m ， 流域面积3 6 7 4 km 2 ；西洋河河长5 6 3 k m ，流域面积9 8 0 k r ：南洋河河长l o o k m ，流 域面积2 8 9 0 km 2 。 桑干河是永定河另一主要支流，发源于宁武县管岑山( 以恢河为主流) ，在朔城区 二十里铺汇合源子河后始称桑干河，桑干河自西而东横贯于大同盆地，在省境内全长 2 5 2 k m ，流域面积1 5 4 6 4 k m 2 。桑干河干流流经宁武、朔州、山阴县，省境外流域面积 1 7 1 4 2 k m 2 ，多年平均径流量为6 6 6 亿m 3 ，多年平均流量为2 1 1 m 1 s ，多年平均径流 模数为1 2 3 一( s k m 2 ) 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1 永定河流域图8 f i g2 - 1v o rg d i n gr i v e r sd r a i n a g ea r e ac h a r t 洋河和桑干河汇入官厅水库，以下称永定河。 由于大同、天镇等地年降水量小，桑干河的洪水威胁也小。所以终年水位较低。 本系统中的测点就分布在永定河上游的桑干河及南洋河河道中，己运行的两个测 点分别在隶属于大同市水文勘测局的固定桥水文站( 桑干河) 和石佛寺水文站( 南洋 河) 附近的河道内，而控制中心则位于3 0 0 余公里以外太原市的山西省水文局办公大 楼内。由于大同、天镇等地年降水量小，桑干河的洪水威胁也小。所以终年水位较低。 但由于该流域处于永定河的上游，在引晋入京供水系统：i 二程中，具有战略性意义。所 以，对该流域的全天候水文检测的意义也就尤为重大。 2 1 2 系统功能需求的分析 测控数据采集点在北纬4 0 0 左右的野外，冬季气温比较低，大多在一2 0 ， 给系统的耐寒性能提出了较高的要求。而且，由于系统测点终端地处偏远，交流供电 得不到保证，所以采用蓄电池加太阳能电池的供电方式。由于太阳能电池只能在光照 下给蓄电池充电，因而系统2 4 小时连续工作的特性要求在保证能实现正常工作的前 提下，设计必须尽可能地降低对蓄电池电能的消耗。此外，河道水文监测系统要求数 8 奎堕望三查堂堡主堕塞圭兰垡堡奎 据采集及信息发布准确可靠。在本系统中表现为系统能抗雷击、抗电磁干扰并具有故 障报警和软故障自恢复功能。 总丽言之，基于以上所述特殊的自然条件，本系统在设计时要具有耐寒、低功耗、 电源方便、防雷、抗干扰等特点。 2 2 系统组成 根据前面的需求分析，本文设计了河道全天候水文监测系统，系统结构如图2 2 所示。 。震霁古g s mm n o d e m 彩夕 “磊h 、， 厂n 上位管理p c 机 弋m 网络 土 囵图配7 夕太 “磊、 田 、 图2 - 2 系统组成 f i g2 - 2m a i nf r a m eo f t h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e m 本系统由一个控制中心、若干管理员手机和若干测点组成( 目前，有两个测点己 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 投入试验运行且工作正常) ，控制中心主要监测各个测点的水位、冰厚数据，对其进 行数据整理、分析，从而达到远程监测的目的；同时，管理员可以通过手机调用各测 点数据，达到实时监测的效果。控制中心、手机和测点之间使用m o d e m 通过公用g s m 网相连，控制中心的计算机系统可采用普通或工业用p c 。 现场测点电路由冰厚传感器、智能化单片机水情测报仪及太阳能供电系统等组 成，具体结构如图2 3 所示。 2 3 系统工作原理 图2 - 3 测点组成 f i g2 - 3c o m p o n e n to f t h em e a s u r i n gp o i n t s 系统工作时，现场监测点的传感器将河道水文信号输至测报仪，先经过测报仪的 信号调理电路将其处理为0 4 - 2 o v 电压信号后输入测报仪中，然后再进行a i d ( a n a l c ，g zd i g i t a l 模拟数字) 转换、计算，结果存储在测报仪中，并同时显示在仪器 的l c 9 ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示屏) 上。g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) m o d e m 通过r s 2 3 2 串口与测报仪相连。当需要发送水位( 冰厚) 信 息时，测报仪将水位( 冰厚) 数据送至与之相连的g s mm o d e m ，以短消息的形式发 出。当控制中心的g s mm o d e m 收到短消息后，会自动将收到的短消息送至与之相连 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 的上位p c 机，由上位p c 机对收到的信息进行判断、处理。若工作人员或上级负责 人员需要了解当时的水位情况，也可以通过手机短信的形式进行实时查询。 当控制中心需要向监测点发送指令信息时，中心首先将待发指令按规定的格式送 至与之相连的g s mm o d e m 。当监测站的g s mm o d e m 收到短消息后会自动将收到的 短消息送至与之相连的测报仪，测报仪对收到的指令信息进行判断，然后完成相应的 操作。 2 4 系统的特点 从上一世纪七十年代中期开始到现在，随着计算机和网络技术的高速发展，水文 自动测试系统的建设进入了网络化阶段。近三十年的发展历史，使得水文自动测报系 统的建设和技术有了巨大的进步。遥测系统的功能大为扩展，为防汛、水利调度、水 环境管理等各应用服务提供了很多实时数据。通过对河道水文监测技术的发展分析， 以及对目前新型监测手段的理解认识，确定了本系统的系统组成方式及特点： ( 1 ) 分布式的体系结构 分布式控制系统具有两个方面的特征：一是面对各种各样的工业生产过程系统， 其规模与功能是不确定的：二是面对各种复杂的生产工艺要求，其控制逻辑的组合也 是不确定的。因此，d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 能够应用户需求的变化而变 化。 系统的监控中心与监测点之间以及各监测点之间距离较远，地理位置较分散，将 来要监测的水文参数也不尽相同，所以适合采用分布式的体系结构。系统中，测量控 制单元可以安装在靠近变送器的地方，使变送器的信号不需要远距离传输，从而，信 号的衰减和系统所受的外界干扰可以大大减轻。 这样的系统结构很适合河道水文的全天候监测，不仅满足了监测点少的现状，还 能够很好地适应将来监测任务或监测点数量的变化。 ( 2 ) 环保便捷的太阳能电池 水文遥测系统采集数据测量站点大多数处于地形环境十分复杂、交通不便、传 太原理工大学硕士研究生学位论文 输距离远、无电网供电的地方。在设计完成的全天候水文监测