第1章 绪论

水利是国民经济的基础产业，水利的发展是保证国民经济和社会可持续发展的基础建设工程。新中国成立以来，经过半个多世纪的建设与发展，水利工程建设取得了巨大成就，但是，洪涝灾害、干旱缺水、水土流失和水污染等四大问题还远没有解决，每年带来的损失也越来越巨大，水资源与国民经济和社会发展不相适应的矛盾越来越突出，已经严重影响全面建设小康社会目标的实现！面对严峻的形势，应用现代科学理论和高新技术，对水利工程实行科学管理，确保对水资源的合理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护和综合治理，用水利信息化来带动水利现代化已经成为中国21世纪水利事业发展的必然。

水利信息化是水利现代化的基本标志和重要内容。水利信息化，具体来讲就是充分利用现代信息技术，开发和利用水利信息资源，包括对水利信息进行采集、传输、存储、处理和利用，提高水利信息资源的应用水平和共享程度，从而全面提高水利建设和水事处理的效率和效能。水利信息化的建设任务可分为三个层次，即国家水利基础信息系统工程、基础数据库和水利综合管理信息系统。水利信息化是从传统水利向现代水利转变的物质实现，是实现水资源优化配置和统一管理的需要，也是国家基础国情信息之一。

水利行业是一个信息密集型行业，古今中外均十分重视水信息的收集、整编和利用。长期的水利实践证明，完全依靠工程措施，不可能有效解决当前复杂的水问题。广泛应用现代信息技术，充分开发水利信息资源，拓展水利信息化的深度和广度，工程与非工程措施并重是实现水利现代化的必然选择。以水利信息化带动水利现代化，以水利现代化促进水利信息化，增加水利的科技含量、降低水利的资源消耗、提高水利的整体效益是21世纪水发展的必由之路。因此，加速水利信息化建设，既是国民经济信息化建设的重要组成部分，同时也是水利事业自身发展的迫切需要。

我国水利行业的现代信息技术应用工作起步较早，目前，信息技术在某些业务信息采集、传输、存储、处理、分析和服务的部分环节中已发挥了显著作用。但从总体上看，业务处理仅实现了部分数字化，相关技术规范不完善，硬件实施的研发与可靠性的提高方面有待进一步的完善，信息共享机制不健全，有限的数据资源总体质量不高，使用效率较低。水利信息化总体上仍在起步阶段，地区发展极不平衡。

在水利信息采集方面，全国水利系统已有50%的雨量监测数据和近40%的水位监测数据采集实现了数字化长期自动记录，流量和其他要素的自动测验方面也在进行积极的探索。部分重点防汛地区建成了水文信息自动采集系统，工情、旱情、灾情、水资源、用水节水、水质、水土保持、工程建设管理、农村水利水电、水利移民、规划设计和行政资源等信息采集也具有一定的手段。航空航天遥感、全球定位等技术在部分业务中得到应用。

在计算机网络与信息传输方面，目前从水利部到各流域机构和各省（自治区、直辖市）水文部门之间，初步形成了基于中国分组交换网的全国实时水情计算机广域网，能进行实时水情信息传输；部分地区建成了宽带计算机广域网，全国部分省级以上水利行政主管部门建立了信息发布网站，并连入因特网，开始向社会提供部分水利信息。部分重点防洪省（自治区、直辖市）已初步实现了水雨情信息传输网络化、接收处理自动化和信息管理数字化，提供水雨情信息服务的水平与能力有了一定的改善。

从信息利用的角度来看，现有预报模型只利用降雨、水位、径流资料，使用信息有限，利用现代化信息手段，如雷达测雨、卫星遥感、地理信息系统（GIS）等，为水文预报提供可靠的技术支持。充分利用和发挥现有通信和计算机的功能，建立水文预报和水库调度综合自动化系统，开发用户界面友好、应用简便、图表并茂的人机交互式应用软件。德国、法国、荷兰等欧洲国家在水情自动测报上的发展趋势为：模拟技术、地理信息系统等应用到河流堤防管理的风险分析中，在洪水预警预报方面，将卫星、雷达、天线等现代化的设备和手段，应用到洪水预报中。由于雷达能测定雨滴的大小、密度，云层及雨区的分布、移动、强度等，且数据直接进入预报系统，因此不仅提高了洪水预报精度，还增长了洪水预见期。同时采用遥测遥感、地理信息等技术，及时调整和修改洪水预报模型，使模型更符合地理特征、洪水规律，预报精度更高，预见期更长。

基于国民生计的急切需要，我国水利信息化技术与电子、通信、计算机等技术有了同步发展，在其发展过程中经历了各个不同的阶段。在水情监测传感器开发研究方面，由早期的分立式电子元件组成的系统或稍后由单板机构成的系统，是这类遥测设备的原始产品。其后发展成由单片机芯片和大规模集成元件组成的板块结构的测报系统，使系统的功能和可靠性大大提高。为了适应多目标、多用途的需要，有的部门开发单片微机总线结构的测报设备。目前我国水情自动测报的测控设备生产已有了比较雄厚的技术基础，形成了一套较完整能满足需要的国产设备，也具有打入国际市场的能力，但是在量测传感器的适应性、监测数据传输设备的功能和可靠性等方面的技术上还存在较大的薄弱环节，一定程度上影响和限制了全系统设备的整体功能和水情自动测报系统效益的发挥。

除常规的布置地面遥测点收集水情信息外，很多国家将雷达测雨技术纳入整个水情测报系统，它能有效地用于大面积测雨，其实时性强，覆盖面大。由雷达测雨系统输出数据经计算机处理，可在地域上和时间上测量降雨的时空分布，并具有一定的数据精度，它与地面遥测雨量数据配合应用能收到更好的效果。日本在1986年就已建成具有雷达测雨和地面遥测雨量功能的自动处理系统。美国、英国、加拿大等国家也都建有不少雷达测雨系统。此外，我国的一些重要枢纽和防洪任务重的地区，有的已经建立了自己区域内的气象卫星云图接收系统。接收中央气象局及国外一些气象中心发布的气象资料，并把它纳入水情自动测报综合管理范畴。我国气象和航空部门也已采用雷达测雨技术作为气象预报的重要手段之一，预计在不远的将来该技术在水利、水电各部门将有可能得以推广和应用。

在水情遥测技术方面，早期采用较低无线电频段（30～100MHz）的模拟信号通信方式，其后逐步改用较高频段（100～400MHz）数据通信方式，它们属于VHF/UHF超短波段范围。它具有一定的绕射能力和抗干扰能力，比较适用于较远距离的山区水情数据传送，对于非近距离的障碍物不会形成严重的通信阻隔。对于阻隔较严重的多山地区，它仍能选择适当的中继站来实现较远距离的山区通信，所以大多数情况下的水情数据传输均可采用超短波通信方式来实现。但当测报范围扩大和测报地区地形极端复杂时，超短波水情数据通信受到局限。作为最理想的偏远地区及大范围多路数据通信方式当属卫星通信方式。

随着卫星通信的新发展，在提高卫星通信的利用率，降低卫星通信的成本，满足不同业务方面，出现了许多新技术，构成了一些新型的卫星通信网络。Inmarsat国际卫星移动通信系统和VSAT卫星网系统是新近几年发展起来的卫星通信网络系统，它们更适合于水情数据的传送。这些新型卫星通信网络系统在水情数据通信方面已进入实地应用阶段。

在水情遥测数据传送方面，国内相关的科研单位在个别地区进行了短波通信试验和应用。由于短波信道受大气和季节影响及其他无线电台干扰很大，噪音严重，因此应采用抗干扰调制解调技术及纠检错和自动换频技术，甚至还必须采用更复杂的电子技术以改善通信质量。因其固有的技术难点目前很难完全解决，尤其在卫星数据通信技术日益完善的情况下，其在水情自动测报中的发展前途未卜。

在国外，一些公用电话网络发达国家乐于采用有线水情数据通信，我国大部分地区尚不具备这种条件。不过，国内很多管理单位已经有了地面微波通信，在已建有微波通信联系的情况下，如若可能，利用它们之间的微波线路传输水情数据是可行的。

美国是利用流星余迹进行水情数据传送的唯一国家，他们建成的SNOTER流星余迹通信系统带有60个遥测站点，通信距离可达2000km。利用流星余迹进行通信的频率通常为40～50MHz，传输速率为几千比特每秒。

德国各洪水预报中心，通过掌握流域内的水情信息站、全国16个测雨雷达站（雷达覆盖半径为100km）每5～15min进行资料扫描、卫星云图信息等，在此基础上进行洪水作业预报。其洪水预报的结果通过广播电台、图文电视、电话预报、索取传真和因特网等多种途径向公众发布。

法国江河水情信息的传输以公用电话为主，超短波通信为辅。预报中心通过雷达和天线的监测，其预报警报成功率达80%以上，误差主要来源于当地产生的云团和区间的降雨。

数据采集和传输智能设备单元的开发研究：开发研究使用稳定可靠、价格低廉、具有强兼容性的数据采集和传输智能设备单元（RTU或MCU），以真正确保水情信息系统可靠的运行，发挥其最佳的水文效益也成为水利信息化系统高效运营的关键技术之一。

虽然在水利业务中广泛应用现代信息技术、开发信息资源为特征的水利信息化建设已经起步，但进展比较缓慢，各级水行政主管部门、各水利业务领域发展也很不平衡，覆盖全国的水利信息网络尚未形成。对照国民经济信息化的发展要求，当前水利信息化存在的问题主要表现在以下几个方面。

（1）信息资源不足。信息资源不足主要表现为：时效较差、种类不全、内容不丰富、基准不同、时空搭配不合理等，特别是信息的数字化和规范化程度过低，更加重了信息资源开发利用的难度。我国在水情站网的布设和报汛手段方面经历了不断完善的过程，目前已经形成8000处左右的报汛站点，这是防汛水情信息的主要信息源。但为了满足国家防汛指挥系统工程的需要，必须扩大水文情报预报信息源，在重点防洪区需采用测雨雷达、卫星遥感技术和地理信息系统技术，以取得更多的水文信息，并与水文预报系统相连接，从而进一步提高预报精度和增长有效预见期。

（2）信息共享困难。由于水利信息化还处于起步阶段，各种信息基础设施与共享机制仍不配套，导致有限的信息资源共享困难。主要表现在：服务目标单一，导致条块分割；标准规范不统一，形成数字鸿沟；共享机制缺乏，产生信息壁垒；基础设施不足，阻碍信息交流，关于这一点水利和气象等部门的科研工作者必须大力研究和配合，以确保水利信息化正在服务于国民经济的建设。

（3）应用基础薄弱。信息开发与应用的基础是信息的共享与水利业务处理的数字化。除因信息资源限制导致的应用水平低外，对信息技术在水利业务应用的研究不充分、大多数水利业务数学模型还难以对实际状况做出科学的模拟。各级水利业务部门低水平重复开发的应用软件功能单一、系统性差、标准化程度低，信息资源开发利用层次较低、成本高、维护困难，不能形成全局性高效、高水平、易维护的应用软件资源。

水利信息化建设是一项重要的公益性事业，政府投入是资金的主要来源。2002年，我国用于水利行业信息化建设的整体投资约为10亿元，较2001年有较大幅度的增长。预计随着国家和社会对水利信息化重视程度的提高，未来5年，我国水利信息化建设投资总规模将有望超过70亿元。水利信息化建设的突飞猛进，与国家提出进行“金水”工程建设有很大的关系。

随着水利信息化建设的逐渐成熟，未来的水利信息化市场也会出现逐渐“软化”的现象，即软件与信息服务市场发展迅速，成为促进水利信息化市场持续快速增长的新动力。水利行业的网络建设将逐步放慢；与之相对的是，水利行业的十大应用系统建设成为信息化重点，其中的建设重点仍是防汛抗旱指挥系统。同时，信息服务投资激增，市场份额将显著扩大。

为拦蓄洪水而设计的大坝，通常是水利枢纽中的重要建筑物，用以开发河流的灌溉、供水、发电、防洪、航运、养殖及疗养等。人们期望水利枢纽中的核心建筑物——大坝能够安全地承受巨大的水压力，以最大限度地利用有限的水资源。如果大坝一旦失事，瞬间大量的非计划泄放的库水将给下游人民的生命财产造成巨大的损失。因此大坝的安全调度和运行是关系国计民生的重大问题。目前国内已经建成或者正在建设的水利枢纽中，土石坝居多，这也是本书主要介绍的重点内容。所以，研究土石坝的安全、自动化监测与控制问题一直是广大水利工作者非常关注的重要课题，在水利信息化技术飞速发展的今天，研究开发土石坝综合自动化系统及供水系统的自动化更有着非常重要的意义。

水利信息化基础土石坝自动化系统包括六个部分：水情流域自动测报系统、水库水质自动测报系统、大坝自动化安全监测系统、闸门远程监控系统、水库库区视频监测系统、中心信息管理系统。土石坝综合自动化系统的主要功能简介如下：

土石坝综合自动化系统由水情（水质）自动测报系统、大坝安全监测系统、闸门监控系统、视频监视系统以及水库信息中心管理系统组成。其中水情（水质）测报系统、大坝安全监测系统、闸门控制系统以及视频监视系统均为相对独立的子系统，各个子系统之间相互独立运行。水库信息中心管理系统位于各个子系统之上并成为连接各个子系统的纽带，它提供了各个子系统运行所需要的网络平台、主服务器等硬件平台；除此之外，信息中心管理系统的综合数据库系统通过与各个子系统的数据接口，可以将各个子系统的数据通过会议设备与大屏幕显示设备集中展示在使用者面前，从而将各个子系统集成到一起。

（1）水情（水质）自动测报是为适应江河、水库、水电站、城镇等防洪调度的需要，逐步实现其现代化管理目标，采用现代化科技对水文信息进行实时采集、传输、处理及预报为一体的自动化技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源综合理利用的先进手段。

建立水库水情自动测报系统，能够迅速、准确掌握本流域水情及水库上游来水情况，及时、准确地作出洪水预报，保证水库科学合理调度，为水库下游防洪服务，为水库本身和下游广大城镇人民生命和财产的安全提供保障。

水库建设的一个很重要的作用是保障工农业和生活用水，为保证水质符合环境要求，必须建立水质监测站。

（2）通过建立一套功能齐全、稳定可靠、使用方便的工程安全监测自动化系统，不但能够达到快速完成工程安全监测数据采集工作，做到观测数据快速整编及时分析、及时反馈，同时也可降低现场工作人员的工作强度，达到少人值守或无人值守。

工程安全监测自动化网络系统建成后，可以及时提供枢纽工况，避免坝体失事对下游人民的生命财产的安全造成损失；在高水位时期能够及时向防汛部门等有关部门提供枢纽运行数据及分析结果，防汛指挥部根据枢纽工况，减少闸门溢流量，进而减少下游农田淹没损失。

（3）闸门远程控制系统是实现水利工程自动化所必不可少的组成部分，是计算机技术、系统控制技术、网络通信技术充分结合的产物。该系统能自动采集系统内各项参数，并进行计算，同时根据实时闸门运行状况，按照“水利工程调度运行方案”，实时监控闸门作出调度方案予以执行，实现水闸调度与监控自动化。

（4）视频监控系统将被监控现场的实时图像和数据信息准确、清晰、快速地传送到监控中心，监控中心能够实时、直接地了解和掌握各被监控现场的实际情况，做出相应的反应和处理。

高性能的视频监控网络可以使各监控点成为一个集通信网络、图像处理、自动控制于一体的智能化管理系统。它除了具有传统的监视功能外，还可以通过计算机网络使位于不同地点的监视者利用单一的通信线路实现对各种监控设备、各类监控点的使用和控制，并且成功地将有线电视闭路监控同计算机网络有机地结合在一起，实现远程监控。

（5）管理信息中心建设主要包括信息中心网络建设、数据库系统建设、信息服务系统建设、防汛会商系统及大屏幕显示系统建设。信息管理中心系统需考虑与闸门自动监控系统、大坝安全监测系统、视频监控系统、水情（水质）自动测报系统等子系统的接口，还应充分考虑与上级防汛指挥系统的接口。

建设大屏幕显示系统，建设会议会商系统，实现对监控视频信号的集中管理、存储和综合利用。能够接入视频信号，并实现集中控制切换至显示系统。

可以预见：本书的出版必将为水工程的安全运行及提高自动化管理水平发挥非常重要的作用，这也是作者的期待和祝愿。