牛智星，姜紅梅，董家賢，陳與非，夏 翔

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210000；2.江蘇省水文水資源勘測局南京分局，江蘇 南京 210000；3.云南省水文水資源局普洱分局,云南 普洱 665000)

豐滿水電站建于1937年，作為松花江流域大型發(fā)電站之一，是吉林省主要的電力供應(yīng)來源[1]。隨著可持續(xù)發(fā)展思想不斷深入，豐滿水電站在老壩基礎(chǔ)上建造新壩時(shí)，在壩體周圍增加了魚道，保證了魚類原始生活習(xí)性，防止上下游的魚類形成基因隔離。

水情監(jiān)測系統(tǒng)是一種使用現(xiàn)代科技對水情數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理的技術(shù)，使用自動(dòng)化手段代替人工監(jiān)測，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)浇邮掌脚_(tái)[2]。國外于20世紀(jì)60年代開始建立水情監(jiān)測系統(tǒng)，1976年美國的SM公司與氣象局合作開發(fā)研制了一套水情自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，這是當(dāng)時(shí)具有代表性的水情監(jiān)測設(shè)備[3]。1986年，日本建成了世界上最大的水情遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用GMS衛(wèi)星通信，能覆蓋全國范圍[4]。我國水情監(jiān)測技術(shù)探索較晚，在20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)吸收國外技術(shù)，最早由水利部水利水文自動(dòng)化研究所引入SM公司產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行國產(chǎn)化改良。從90年代開始我國大力發(fā)展水情監(jiān)測技術(shù)，并取得了一定進(jìn)步，國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品逐步跟上國外同期水平，2002年國電自動(dòng)化研究院研制出了低功耗小型ACS300數(shù)據(jù)采集器，保證了高溫與低溫環(huán)境下系統(tǒng)的正常工作[5]。

魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)是將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對魚道中水位、溫度、流速、流量等數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)囊环N手段[6]。國內(nèi)魚道建設(shè)已經(jīng)開始多年，但魚道內(nèi)魚類過魚監(jiān)測效果并不理想。近年來，為了規(guī)范魚道設(shè)計(jì)，國家明確提出了一些要求并制定了相關(guān)設(shè)計(jì)導(dǎo)則，其中如水位、流速、流量以及上下游水位等水情要素都成為必要的監(jiān)測內(nèi)容[7]。為給魚道過魚監(jiān)測提供豐富的數(shù)據(jù)支持，提高魚道過魚效果評估價(jià)值，研究并設(shè)計(jì)一套合適的魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)十分必要[8- 9]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魚道水情監(jiān)測要求在典型斷面安裝設(shè)備，監(jiān)測水溫、流速、流量、水位信息，為魚道中的過魚監(jiān)測提供可分析的基本數(shù)據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)過魚情況的綜合分析[10- 11]。根據(jù)需求可知，整個(gè)系統(tǒng)包含傳感器數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分以及上位機(jī)數(shù)據(jù)接收平臺(tái)部分。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件與軟件兩大部分。硬件主要是各種傳感器以及數(shù)據(jù)傳輸模塊，軟件是上位機(jī)數(shù)據(jù)接收部分。硬件部分的鉛魚式超聲多普勒流量計(jì)負(fù)責(zé)采集魚道中流速、流量與水位數(shù)據(jù)，非接觸式雷達(dá)流速儀負(fù)責(zé)閘口水面流速數(shù)據(jù)的采集，超弱光纖光柵溫度監(jiān)測儀負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控壩上壩下水溫分層特征，由于豐滿大壩要求數(shù)據(jù)傳輸方式必須為有線傳輸，各傳感器在采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后需經(jīng)過光纖調(diào)制解調(diào)器把傳感器中的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)接收軟件。為了方便將魚道中的水情數(shù)據(jù)統(tǒng)一在上位機(jī)平臺(tái)展示，本系統(tǒng)還包括了接收軟件，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水情監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 上位機(jī)接收軟件

魚道水情信息是魚道過魚監(jiān)測重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，豐滿大壩魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)除了水位、流速、流量以及溫度傳感器外，還包括上位機(jī)軟件接收平臺(tái)。上位機(jī)軟件接收平臺(tái)主要采用多線程與異步調(diào)用思想編寫，在多通道采集、報(bào)文接收、報(bào)文解析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中都采用這兩種方式。用戶可根據(jù)需求在應(yīng)用中創(chuàng)建其它線程，多個(gè)線程并發(fā)地運(yùn)行于同一個(gè)進(jìn)程中，并行處理的思想規(guī)避了單一任務(wù)長期占用CPU資源情況，提高了資源使用率。軟件系統(tǒng)使用C/S構(gòu)架，使用.NET平臺(tái)C#語言編寫，交互性強(qiáng)且利于處理大量數(shù)據(jù)，具體功能主要分為以下幾點(diǎn)：

(1)測站信息管理：對站點(diǎn)的站碼、站名、測站類型、報(bào)文格式、模塊卡號等進(jìn)行管理。

(2)傳感器參數(shù)管理：對測站所包含的傳感器參數(shù)和基值、計(jì)算系數(shù)、上下限、水位獲取流量等進(jìn)行管理。

(3)歷史數(shù)據(jù)查看：包括了歷史報(bào)文查看和各傳感器歷史數(shù)據(jù)查看。

(4)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載：通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對設(shè)備下指令，下載設(shè)備中存儲(chǔ)的參數(shù)歷史數(shù)據(jù)。

(5)水位流量曲線：可以按格式導(dǎo)入或填入表格并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，供水位查找流量使用。

(6)系統(tǒng)管理：包括用戶登錄權(quán)限、數(shù)據(jù)庫配置、接收信道配置。

軟件系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 接收軟件架構(gòu)框圖

2 現(xiàn)場應(yīng)用

本系統(tǒng)在吉林省豐滿大壩已經(jīng)安裝完畢。豐滿大壩位于我國東北地區(qū)，冬季室外溫度過低，魚道結(jié)冰問題不可避免，為保護(hù)設(shè)備長期運(yùn)行，在此期間需拆除與水有接觸的設(shè)備。因此，設(shè)備在裝置時(shí)采用螺栓與螺母連接固定方式，設(shè)計(jì)可拆卸鋼架，將鋼架用膨脹螺絲固定，方便安裝與拆卸，電纜線接口處采用封閉連接工藝，整線都有屏蔽工藝，避免外部干擾影響數(shù)據(jù)通信。鉛魚式多普勒流量計(jì)安裝效果如圖3所示。

圖3 鉛魚式多普勒流量計(jì)安裝圖

非接觸式雷達(dá)流速儀由于不與水面直接接觸，無需在結(jié)冰期拆卸，本處雷達(dá)流速儀是用于魚道中閘口流速監(jiān)測，在混凝土墻面采用膨脹螺絲固定支架，支架整體分為兩段式旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，主臂可在垂直方向上下調(diào)節(jié)，支臂可在水平方向左右調(diào)節(jié)，該雷達(dá)流速儀工作的垂直角范圍為30°至70°，波束寬度為12°，因此現(xiàn)場需測量流速儀與閘口的水平距離以及離水位的垂直距離，保證其垂直角在工作范圍內(nèi)。非接觸式雷達(dá)流速儀現(xiàn)場安裝如圖4所示。

圖4 雷達(dá)流速儀安裝圖

在魚道的上下游，安裝了溫度鏈測量水溫分層特征。由于水的良導(dǎo)熱性，受不同、氣壓以及流速影響，水溫隨深度變化幅度較小，十分考驗(yàn)傳統(tǒng)溫度傳感器的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)水溫梯度測量法需將高精度電子溫度計(jì)固定在牽引繩上，通過提升牽引繩，來測量不同位置溫度信息，構(gòu)建深度-溫度曲線，實(shí)時(shí)性差且不易操作。本處采用超弱光纖光柵溫度傳感器陣列技術(shù)，通過波分與時(shí)分復(fù)用提高空間分辨率，同時(shí)具備更快的響應(yīng)速度。

3 數(shù)據(jù)對比分析

為了驗(yàn)證豐滿大壩魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行效果，使用便攜式多普勒流速儀測量數(shù)據(jù)作對比分析。以五月某天數(shù)據(jù)為例，將本系統(tǒng)的流速儀所測流速數(shù)據(jù)與便攜式流速儀所測數(shù)據(jù)做對比，發(fā)現(xiàn)二者差值在一定范圍內(nèi)，如圖5所示。同樣采用人工水尺的方式測量魚道水位，將所測水位與本系統(tǒng)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，二者差值也在一定范圍內(nèi)，如圖6所示。

圖5 流量數(shù)據(jù)對比圖

圖6 水位數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)語

豐滿大壩魚道水情監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，完成了對魚道內(nèi)水位、溫度、流速、流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)以及傳輸工作。系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成，傳感器所測數(shù)據(jù)通過光纖傳輸給軟件接收平臺(tái)，根據(jù)手持式傳感器和人工水尺測得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證明了本系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可靠性高，能夠滿足如《水利水電工程魚道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中“魚道觀測內(nèi)容主要包括魚道流速、水位、流量、溫度、過魚數(shù)量、規(guī)格、種類等?！钡囊螅瑸榻窈篝~道水情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路。但本系統(tǒng)流量計(jì)所選類型帶有長封閉線纜，在冬季冰期拆卸工作復(fù)雜，后面可采用無線式時(shí)差法流量計(jì)進(jìn)行升級代替。