(東魚(yú)河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

閆潭灌區(qū)自動(dòng)化計(jì)量與監(jiān)控應(yīng)用研究

楊桂玲

(東魚(yú)河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

閆潭灌區(qū)引水閘進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)量，因黃河水有大量泥沙沉積，給計(jì)量帶來(lái)一定困難。本文以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器和軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并計(jì)算引水量。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，提高了信息自動(dòng)化管理效率，為決策層管理灌溉區(qū)提供了詳細(xì)的信息，通過(guò)提高灌溉區(qū)經(jīng)濟(jì)效益，來(lái)實(shí)現(xiàn)灌溉區(qū)工程項(xiàng)目的作用和價(jià)值。

自動(dòng)化計(jì)量； 流速面積法； 運(yùn)行管理； 經(jīng)濟(jì)效益

1 引 言

閆潭灌區(qū)自建成以來(lái)，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，目前灌區(qū)存在著諸多問(wèn)題，而且運(yùn)行管理方式落后，管理體制粗放，需要信息自動(dòng)化條件下的精細(xì)化管理。自動(dòng)化計(jì)量與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合灌區(qū)實(shí)際，利用超聲波流量計(jì)、水位計(jì)等先進(jìn)的測(cè)量水設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)采集各種所需數(shù)據(jù)，并研制3XD-201閘門(mén)測(cè)控儀及相關(guān)的監(jiān)控及采集軟件，對(duì)采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)，將信號(hào)傳輸?shù)焦芾硖幙偙O(jiān)控室，再變成為直觀的顯示界面，在監(jiān)控室計(jì)臬機(jī)和投影民屏幕上顯示出來(lái)，使各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的水位、流速、流量、閘門(mén)的運(yùn)行情況等一目了然，使管理人員可以隨時(shí)掌握各縣、鄉(xiāng)的用水情況和蓄水情況，并根據(jù)各地上報(bào)的旱情及時(shí)調(diào)整調(diào)水方案，大大提高了灌水利用率，同時(shí)為水費(fèi)計(jì)收提供了科學(xué)依據(jù)。

2 閆潭灌區(qū)引黃情況簡(jiǎn)介

閆潭灌區(qū)是1982年在東明小閆潭灌區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1991～1996年，國(guó)家和地方共投資1.37億元用于骨干工程的建設(shè)，拓寬引黃送水干線133km，引黃干線工程主要包括渠首工程、輸水工程、蓄水工程、骨干供排水工程。灌區(qū)內(nèi)轄東明、曹縣、單縣、成武四縣51個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)丝?36萬(wàn)，其中農(nóng)業(yè)人口228萬(wàn)。灌區(qū)經(jīng)濟(jì)以農(nóng)業(yè)為主，主要農(nóng)作物有：小麥、玉米、棉花、花生等，種植比例為：小麥75%，棉花18%，玉米70%，其他糧食作物3%，經(jīng)濟(jì)作物4%，復(fù)種指數(shù)170%，是山東省重要的糧棉生產(chǎn)基地。

閆潭引黃閘位于黃河右岸樁號(hào)162+700處。該閘始建于1971年，為四聯(lián)12孔鋼筋混凝土涵閘，因設(shè)防能力不能滿足防洪需求，于1982年進(jìn)行了改建，改建后的閘室共分為6孔，每孔凈寬6m，閘底板高程63.00m，引黃流量80cm/s。引水渠：引水渠位于防砂閘與閆潭引黃閘之間，長(zhǎng)9.2km，梯形斷面，渠底寬15m，邊坡1∶3，設(shè)計(jì)水深3m，設(shè)計(jì)放淤流量150cm/s，灌溉引水流量80cm/s。

3 閆潭灌區(qū)引水自動(dòng)化計(jì)量應(yīng)用分析

引黃測(cè)流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)劃選在閆潭引黃閘后約150m位置，屬寬渠淺流型渠道，計(jì)量方案是利用“流速面積法”實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)流量的準(zhǔn)確計(jì)量，測(cè)出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)可以用于與黃河水管部門(mén)的水量核算，故此準(zhǔn)確地測(cè)量引水量意義重大。因在流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)引水季節(jié)渠底泥砂為不均勻分布，若利用“流速面積法”實(shí)現(xiàn)流量準(zhǔn)確測(cè)量，必須滿足以下三個(gè)條件：?準(zhǔn)確的輸水截面積測(cè)量；?準(zhǔn)確的平均流速測(cè)量；?準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)水位高程測(cè)量。由于水位、淤泥分布和流速不斷變化，故實(shí)際計(jì)量方案應(yīng)滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。

3.1 實(shí)時(shí)測(cè)量輸水渠截面積測(cè)算

實(shí)時(shí)測(cè)量輸水截面，在測(cè)量斷面上的渠壁和渠底均應(yīng)為固化結(jié)構(gòu)，且實(shí)測(cè)出該斷面水位高程和渠底淤泥厚度，才能得出實(shí)時(shí)輸水截面積。輸水截面具體情況是：輸水渠應(yīng)該為矩形敞口結(jié)構(gòu)，渠底固化材料應(yīng)采用混凝土結(jié)構(gòu)，渠道寬度約32m，水深約2m，輸水渠測(cè)量段長(zhǎng)度為2m，渠壁厚度應(yīng)不小于0.6m，渠側(cè)面高度根據(jù)引水面高程計(jì)算，在輸水渠測(cè)量斷面上每間隔1m設(shè)置1個(gè)淤砂厚度傳感器(設(shè)置間隔可根據(jù)實(shí)際情況定)，淤砂厚度傳感器測(cè)出該點(diǎn)淤砂厚度，全部淤砂厚度傳感器則可描繪出整個(gè)測(cè)量斷面的淤砂分布，計(jì)算取平均值則可得平均淤積泥沙厚度。在輸水渠內(nèi)安置超聲波水位計(jì)和浮子式水位計(jì)，結(jié)合水位計(jì)測(cè)出的水位高程，從而計(jì)算出準(zhǔn)確的輸水截面積(詳細(xì)情況如圖1、圖2)。

圖1 輸水?dāng)嗝鏈y(cè)量

圖2 淤砂傳感器

3.2 實(shí)時(shí)測(cè)量平均流速測(cè)算

閆潭灌區(qū)實(shí)時(shí)水量測(cè)量系統(tǒng)的平均流速測(cè)量計(jì)劃采用美國(guó)多普勒水平剖面流速計(jì)(Channel Master H-ADCP 如圖3)，該水量流速測(cè)量計(jì)的主要特點(diǎn)是：

圖3 H-ADCP多普勒水平流速計(jì)

a.該多普勒水平流速計(jì)(Channel Master H-ADCP)高精度、高空間和時(shí)間分辨率。閆潭灌區(qū)的引黃輸水截面相對(duì)比較小，在測(cè)速截面比較小時(shí)可以使用較小的單元，在較短的采樣時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)獲得精確的流速數(shù)據(jù)；且對(duì)于很難測(cè)驗(yàn)的低流速和非恒定流也能獲得高質(zhì)量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該測(cè)速系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置為1～128個(gè)可選單元、0.25～10m可選單元長(zhǎng)度、1～100m剖面范圍(取決于系統(tǒng)頻率)，可以得到更多的流速數(shù)據(jù)，計(jì)算出可靠的平均流速數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性。

b.平均流速測(cè)算的標(biāo)準(zhǔn)配置還應(yīng)有傾斜計(jì)，傾斜計(jì)對(duì)于調(diào)整H-ADCP 安裝支架和監(jiān)測(cè)安裝支架的傾斜變化，對(duì)于保證測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量有重要的作用。Channel Master H-ADCP多普勒水平剖面流速計(jì)用于測(cè)量斷面指定水平層多點(diǎn)流速測(cè)量，在一個(gè)水平層最多可達(dá)128點(diǎn)流速測(cè)量，但要得到整個(gè)輸水?dāng)嗝嫔细魉綄拥牧魉贁?shù)據(jù)就必須使Channel Master H-ADCP上下移動(dòng)達(dá)到各水平層的位置并在所到水平層進(jìn)行多點(diǎn)流速測(cè)量，故還要有一套使Channel Master H-ADCP上下移動(dòng)的機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。另外，當(dāng)Channel Master H-ADCP向下移動(dòng)到測(cè)渠底部時(shí)有可能被淤積的泥砂所阻擋，因此還要有一套清淤泵定時(shí)清除Channel Master H-ADCP上下移動(dòng)通道下部的淤砂，這樣才能保證測(cè)速設(shè)備的正常運(yùn)行。清淤泵每天自動(dòng)開(kāi)啟半小時(shí)，控制系統(tǒng)與流速儀升降控制系統(tǒng)安裝在同一現(xiàn)地PLC控制箱內(nèi)，保證淤砂不會(huì)積累。

3.3 實(shí)時(shí)測(cè)量引水量的數(shù)據(jù)計(jì)算

閆潭灌區(qū)單縣段的平均引水量的計(jì)算，是通過(guò)流速測(cè)量采用多普勒剖面流速計(jì)(Channel Master H-ADCP)的流速數(shù)據(jù)、輸水渠截面的於砂傳感器的於砂厚度數(shù)據(jù)、超聲波水位計(jì)或浮子水位計(jì)測(cè)出的水位高程數(shù)據(jù)及渠道的截面面積計(jì)算得出的，并根據(jù)變換具有實(shí)時(shí)測(cè)量功能。在引水渠的斷面下，渠道參數(shù)已知，水位測(cè)得、各點(diǎn)淤砂厚度測(cè)得、平均流速測(cè)得。

則： 平均沙厚=Σ測(cè)點(diǎn)沙厚/測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

有效水深=已測(cè)水位-平均沙厚-固化渠底高程

實(shí)際輸水截面=有效水深×河床寬度

瞬時(shí)流量=實(shí)際輸水截面×平均流速

累計(jì)水量=Σ瞬時(shí)流量(累計(jì)時(shí)間段內(nèi))

將測(cè)得的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量上傳到引黃所的同時(shí)，通過(guò)中國(guó)移動(dòng)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到閆潭引黃灌溉數(shù)據(jù)管理中心，通過(guò)軟件自動(dòng)處理后顯示在電腦終端上，由灌區(qū)管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整灌區(qū)的引水及分水情況。

4 引黃自動(dòng)化實(shí)時(shí)測(cè)量的監(jiān)控

4.1 自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

閆潭灌區(qū)單縣段采用的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，主要是參數(shù)設(shè)定、流量計(jì)算、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、在線儀器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)回放及處理等功能，流量計(jì)算可選用數(shù)值法和指標(biāo)流速法，在電腦終端軟件自動(dòng)化處理后，顯示的數(shù)據(jù)是相同的。通過(guò)該自動(dòng)化軟件系統(tǒng)可以很好地監(jiān)控自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器的狀態(tài)和測(cè)量的數(shù)據(jù)，并通過(guò)動(dòng)化處理顯示在電腦終端上。該自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下：

a.引黃渠流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總干H-ADCP明渠流量計(jì)的流速和流量。

b.水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在線監(jiān)測(cè)水位信息，并將所采集水位實(shí)時(shí)上傳，同時(shí)，將所采集的水位在現(xiàn)地計(jì)算出流量。

c.淤砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：在線監(jiān)測(cè)各點(diǎn)淤砂信息，并將所采集淤砂實(shí)時(shí)上傳，同時(shí)，將所采集的各點(diǎn)淤砂厚度在現(xiàn)地計(jì)算出平均值。

d.動(dòng)畫(huà)監(jiān)控顯示：根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)顯示水位、流速、沙厚、流量、通訊狀態(tài)、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)。

e.H-ADCP升降掃描控制：根據(jù)需要調(diào)節(jié)H-ADCP的高度，以測(cè)出不同流層的流速。

f.清淤泵定時(shí)啟停控制：對(duì)H-ADCP升降通道定時(shí)清淤，保證通道暢通。

g.數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)：完成各種數(shù)據(jù)處理、篩選、匯總、分析、完成水位、流量數(shù)據(jù)、報(bào)警信息的存儲(chǔ)功能。

h.報(bào)表自動(dòng)生成：完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的召喚打印，歷史數(shù)據(jù)的匯總、打印等功能。

i.通訊處理：完成數(shù)據(jù)通訊管理、發(fā)送接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，做到數(shù)據(jù)、命令的準(zhǔn)確傳輸。判斷通訊線路的使用情況，自動(dòng)識(shí)別一定的通訊故障，給出提示。

j.權(quán)限管理：完成軟件使用權(quán)限的管理功能，使只有相應(yīng)權(quán)限的用戶才能完成相應(yīng)的功能，并自動(dòng)對(duì)一些操作的操作者做記錄。

k.決策支持：將各種數(shù)據(jù)分析、匯總，為合理利用水資源提供決策依據(jù)。

4.2 自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)控終端

閆潭灌區(qū)單縣段引進(jìn)的該套自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)有移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端軟件，即將軟件安裝到智能移動(dòng)終端上。移動(dòng)終端是定制的智能手機(jī)，管理人員可以實(shí)時(shí)接收傳送的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，作出必要的判斷，在特殊情況或?yàn)?zāi)難情況下，可以迅速作出反應(yīng)，該功能能為灌區(qū)的管理層決策提供數(shù)據(jù)支持。該監(jiān)控功能具有以下特點(diǎn)：

a.監(jiān)控中心上位監(jiān)控軟件為灌區(qū)統(tǒng)一的采集、監(jiān)控管理軟件。

b.圖形顯示現(xiàn)地設(shè)備，可接受現(xiàn)地設(shè)備的報(bào)警信息。

c.對(duì)現(xiàn)地設(shè)備的報(bào)警故障情況可拍成圖像傳回監(jiān)控中心或相關(guān)管理人員所持的灌區(qū)移動(dòng)監(jiān)控終端上，便于在第一時(shí)間將故障解決。

d.可監(jiān)測(cè)授權(quán)范圍內(nèi)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息，包括水位、流速、流量、水量、淤砂和閘門(mén)參數(shù)，包括數(shù)據(jù)、圖形及表格。

e.可設(shè)置各種現(xiàn)地設(shè)備的算法，可輸入已有水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)表。

f.具有渠道量測(cè)水計(jì)算功能，必要時(shí)還可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施更新。

g.采用帶觸摸屏智能手機(jī)，保留手機(jī)的全部功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

在閆潭灌區(qū)單縣段主干渠分水口也可采用此套自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)，采用小型測(cè)速單元，可為計(jì)算分水量提供可靠的數(shù)據(jù)，為閆潭灌區(qū)分水量自動(dòng)化計(jì)量的運(yùn)行管理打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為閆潭灌區(qū)信息自動(dòng)化運(yùn)行管理提供可靠保證。閆潭灌區(qū)引水和分水計(jì)量自動(dòng)化，是為閆潭灌區(qū)的信息自動(dòng)化管理提供保障，是信息化管理的一種體現(xiàn)。閆潭灌區(qū)以節(jié)水增效為中心，以可持續(xù)發(fā)展為目的，依靠信息自動(dòng)化的管理，提高灌溉水的利用率，在滿足區(qū)域農(nóng)業(yè)規(guī)劃、水利發(fā)展總體規(guī)劃的前提下，合理調(diào)度、優(yōu)化配置，使有限的水資源得到持續(xù)、有效、充分利用，確保灌區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合效益的充分發(fā)揮。

Study on Automatic Measurement and Monitoring Application in the Yantan Irrigation Area

Ma Zhao-yang

(ShanCountyWaterSuppliersBureau,ShanCounty,Shandong274300)

The automatic measurement is carried out for the sluices of the Yantan Irrigation Area. However, the measurement is hard to carry out because of a great deal of sediment deposition of the water from the Yellow River. Based on the automatic monitoring instruments and software, the data are analyzed and computed for water quantity of transfer by software. This system improves information automated management efficiency with its data monitoring. It can provide detailed information for the decision-.making level for management of irrigation area, so that the function and value of engineering projects are achieved by improving the economic benefit of the irrigation area.

Automatic measurement; velocity-.area method; operations management; economic benefit

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03