魏守民，徐建輝

（濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，山東 濱州 251700）

簸箕李引黃灌區(qū)位于黃河下游左岸，山東省濱州市西部,南依黃河、北抵渤海，南北長130 km，東西平均寬17 km，設計灌溉面積10.90萬hm2，有效灌溉面積5.13萬hm2，是山東省大型引黃灌區(qū)之一。灌區(qū)涉及惠民、陽信、無棣3 縣24個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、103萬人。經(jīng)過50年的建設，灌排系統(tǒng)已初具規(guī)模，具備一定的引、蓄、供、排能力。通過黃淮海農(nóng)業(yè)開發(fā)和世界銀行貸款項目的實施，形成了較完整的引水、輸水、蓄水和灌溉示范四大工程體系，年水利凈效益達3億元。灌區(qū)引黃干渠全長145.5 km，總干渠設計過水流量75 m3/s，加大流量85 m3/s。目前，干級渠道上設有4個縣界測流站、5個渠道管理所，同時在總干渠、一干渠、二干渠的進出水口和縣界水量交接處及部分重要渠段、支渠引水口等共設有水沙測試取樣站點20個，基本涵蓋了灌區(qū)骨干渠系不同設計斷面參數(shù)情況下水沙運行的不同模式，自上而下形成了灌區(qū)的測水量水網(wǎng)絡。

灌區(qū)自1959年興建以來，先后經(jīng)歷了采用浮標及建筑物經(jīng)驗曲線量水、人工吊流速儀配鉛魚測水和水文纜道自動化測水。目前，灌區(qū)的測流方法為：縣界測流站采用流速儀測水，測流點采用建筑物量水、流速儀校核。2001年，灌區(qū)石皮測流站率先安裝了EKL—1 水文纜道綜合控制臺，建成了由纜道、水文絞車、流速儀、聯(lián)機通訊模塊和計算機系統(tǒng)組成的半自動測流平臺，可以進行半自動和手動測流控制。其他測流站點的自動化測流設備還有待于進一步配套完善。為適應新形勢下灌區(qū)管理和改革的需要，建設節(jié)水生態(tài)型現(xiàn)代灌區(qū)，逐步實現(xiàn)灌區(qū)水沙監(jiān)測自動化、科技化的目標，需研制一套適應黃河水特性的全新、智能化的水量測量監(jiān)測系統(tǒng)。

1 自動化測流系統(tǒng)構架

利用灌區(qū)信息化建設的契機，經(jīng)過綜合考察和調(diào)研，簸箕李灌區(qū)管理局與一公司合作，開發(fā)出了一套契合灌區(qū)渠道測流的自動化測流系統(tǒng)。此套系統(tǒng)安裝在簸箕李灌區(qū)二干渠陳謝測流站，控制室設在陳謝站綜合辦公樓二樓，測流方法采用國內(nèi)外廣泛采用的流速儀法。與此系統(tǒng)配套的測流標準斷面為梯形明渠，渠段采用混凝土板全斷面護砌，幾何尺寸為：底寬17 m，渠口寬28.2 m，邊坡1︰2，渠底比降1/7 000，設計水深2.2 m。

1.1 測流系統(tǒng)組成

測流系統(tǒng)由行車軌道、測流車、水位測量裝置、行車限位裝置、無線通訊設備、PLC處理器、控制計算機及上位軟件等8 部分組成。系統(tǒng)結(jié)構見圖1。

1）行車軌道。由橫跨渠道兩岸的鋼結(jié)構桁架拼裝而成，用于測流車行走。桁架底面安裝供電導軌，為測流車供電。

2）測流車。由驅(qū)動電機、驅(qū)動輪、行車傳感器、鉛魚、收放電機、收線器、限位開關、位移傳感器、流速儀、控制箱、護罩等部件組裝而成，可在行車導軌上順暢行走。其工作原理：當操作員控制測流車行走時，控制箱收到指令，S7-200PLC 控制主電路接觸器吸合，驅(qū)動電機帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)，測流車行走，行車編碼器實時測量車行走距離；當操作員控制收放鉛魚時，S7-200PLC 控制次電路接觸器吸合，收放電機控制鉛魚下放或收起，位移傳感器實測鉛魚移動距離，當鉛魚下放探底或回收到位后，限位開關動作，收放電機自動停止。本系統(tǒng)流速儀采用旋槳式流速儀。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構框圖

3）水位測量裝置。由超聲波液位計、支架、自收纜浮子水位計、保護桶、水尺6 部分組成。

4）行車限位裝置。包括前、后兩組動輪組成，用于測流車行走到位后自動停車，防止行車超限。

5）無線通訊設備。采用美國Ubiquiti Networks 公司的無線網(wǎng)橋NanoStation5，一體化外殼設計，通過網(wǎng)線POE 方式供電。NanoStation5 是ISM（5.8GHz）頻段無線產(chǎn)品，體積小、重量輕、功能實用、性能穩(wěn)定、為一款性價比較高的室外型無線網(wǎng)橋。

6）PLC處理器。采用主、從兩級控制工作模式。主站為S7-300 系列PLC 模塊，安裝在測流室控制柜內(nèi)，用于實時監(jiān)測渠道水位深度，并與控制計算機進行數(shù)據(jù)交換；從站為S7-200 模塊，安裝在測流車控制箱內(nèi)，用于控制測流車行走、鉛魚收放等動作，采集行車和鉛魚位移傳感器數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)。主、從站的數(shù)據(jù)交互利用是無線通訊設備、以太網(wǎng)傳輸。

7）控制計算機及上位軟件?？刂朴嬎銠C采用“研祥” 工業(yè)計算機，安裝STEP 7 MicroWIN、SIMATIC Manager、WINCC三款上位軟件，后臺配有SQL server 強大的數(shù)據(jù)庫管理軟件支撐，做到硬件的良好兼容、軟件的友好人機界面交互。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設置

1）測流垂線數(shù)目選擇。測流垂線的數(shù)目視水面寬度、水深和測量精度的要求而定。按照國際標準規(guī)定，在比較規(guī)則的渠床斷面上，任意兩條測流垂線的間距一般不大于渠底寬度的1/5，且應均勻布置。測流垂線數(shù)愈多，流量的誤差越小。本系統(tǒng)標準斷面底寬17 m，結(jié)合灌區(qū)實際情況，默認工況下均勻布設7條測線，測線間距2.83 m。實際應用中，可根據(jù)精度需要，相應增減測線數(shù)目。

2）測線平均流速確定。本系統(tǒng)可根據(jù)水深及測流精度的需要，在不同工況下，選擇采用一點法或兩點法確定測線平均流速，必要時也可采用三點法。

1.3 系統(tǒng)測流控制過程

流量實測時，主站S7-300PLC 通過RS485 信道實時監(jiān)測，取得渠道相對水深數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理計算由控制計算機顯示。根據(jù)所測相對水深數(shù)據(jù)，按預設定好的測量參數(shù)、規(guī)程和程序，自動控制測流車行進、停車和鉛魚收放，自動進行點流速及斷面的測量、計算，并由從站中心處理器通過無線網(wǎng)絡把相關采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡局行奶幚砥髦?。主站中心處理器通過二次計算把數(shù)據(jù)傳到控制計算機中顯示，來完成整個測流過程。為消除流速的脈動影響，各測點的測速歷時可在60～100 s 間選用，一個測流過程用時約15 min。

在測流的同時，測流系統(tǒng)配備的上位軟件可通過各點水深描繪出灌區(qū)渠道過水斷面效果圖，自動計算過水斷面面積，并根據(jù)測得的流速，采用積點法，自動匯總計算總流量和平均流速，顯示在計算機中。

1.4 系統(tǒng)界面及數(shù)據(jù)處理

該測流系統(tǒng)配置了良好的人機交互界面設備，各項功能齊全。通過本系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢、統(tǒng)計、打印等一系列管理功能。

2 測流效果評價

基于當前國內(nèi)引黃灌區(qū)自動化測流技術鮮有成功應用的先例，本系統(tǒng)以穩(wěn)妥可靠為原則設計，實現(xiàn)目標為渠道流量測量自動化、信息管理自動化。系統(tǒng)自投入使用以來，渠道測水效率明顯提高，人工勞動量和強度大大減輕，測流數(shù)據(jù)的計取更快捷、準確。在灌區(qū)引水正常流速下，系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)與明渠均勻流公式測算的數(shù)據(jù)基本吻合，計量數(shù)據(jù)可信度得到了很好的驗證，下一步可在簸箕李灌區(qū)其他測流站點及同類引黃灌區(qū)推廣應用。

3 結(jié) 語

簸箕李灌區(qū)是黃河下游典型灌區(qū)，引黃含沙量大，河道沉沙、淤積較多，給自動化測流帶來了一定的困難。自動化測流系統(tǒng)的應用有利于準確計算、科學認證引用水量，為簸箕李灌區(qū)實時動態(tài)掌握配水狀態(tài)，優(yōu)化水沙調(diào)度方案，提高灌溉效率，提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)；同時有利于提升灌區(qū)自動化管理水平，必將為灌區(qū)帶來顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)在簸箕李灌區(qū)的成功應用對同類引黃灌區(qū)流量測算具有一定的借鑒意義。