錢福軍，肖文仁，束長寶，包加桐，賈小網(wǎng)，唐鴻儒

(1.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇 泰州 225300； 2.揚(yáng)州大學(xué) 電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引 言

水文工作是通過對水位、流量、降水量、水質(zhì)、泥沙、蒸發(fā)、熵情等水文要素的監(jiān)測與評價，并對水資源的量、質(zhì)及時空分布變化規(guī)律進(jìn)行研究，以及對洪水、旱情進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報，為區(qū)域水資源的配置、利用、節(jié)約、管理、保護(hù)以及防汛抗旱減災(zāi)提供基礎(chǔ)信息、技術(shù)支撐與決策依據(jù)。水文監(jiān)測是獲取河道流量第一手資料的直接途徑。傳統(tǒng)流量測驗以水文纜道、船測為主，測驗強(qiáng)度大，間隔時間長，工作效率低，易受河道漂浮物影響，無法滿足連續(xù)、實時、自動、在線監(jiān)測的要求[1]。隨著信息化與智能化的不斷發(fā)展，充分利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、自動測量技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及相關(guān)分析軟件和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行各類閘站流量實時監(jiān)測成為必然選擇[2-3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于河道流量自動監(jiān)測的方法有：水平ADCP法、超聲波時差法、流速儀法、非接觸式雷達(dá)波在線測流法等[4-6]。各種流量監(jiān)測方法都有一些成功的案例，不同的流量監(jiān)測方法均有其適用條件，不同的流量監(jiān)測環(huán)境需要結(jié)合實際選擇最優(yōu)的監(jiān)測方案[7-9]。本文考慮沿江閘站地理位置特殊，結(jié)合流量監(jiān)測系統(tǒng)工程要求，依據(jù)水力因素法與一潮推流法等流量推算方法，以云平臺為依托，開發(fā)沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)能夠在云平臺將現(xiàn)場采集的閘門實時開啟高度、寬度和從水情系統(tǒng)中獲取的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計算，從而得到過閘流量，實現(xiàn)集中監(jiān)視、定時報汛、分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲、資料整編，并在必要時進(jìn)行人工報汛等功能，可以減少重復(fù)勞動，提高工作效率，保證水文數(shù)據(jù)的時效性。

1 監(jiān)測概況

沿江閘站共有5座，水位站點18座、降雨量觀測點16處、蒸發(fā)量觀測點2處、地下水監(jiān)測站28處、水土保持監(jiān)測站1個，分布于高港、泰興、靖江3個市區(qū)，具體如下。

(1) 高港樞紐工程。節(jié)制閘共5孔，設(shè)計流量440 m3/s，常年運(yùn)行，單向引水；泵站裝機(jī)9臺，設(shè)計流量300 m3/s，可雙向抽引、抽排；泵站底層流道可配合節(jié)制閘大流量引水，單向運(yùn)行，設(shè)計流量160 m3/s；送水閘共3孔，設(shè)計流量100 m3/s，可往通南地區(qū)雙向抽引、抽排水量。

(2) 馬甸樞紐。節(jié)制閘共5孔，設(shè)計流量180 m3/s，雙向引排水；泵站裝機(jī)5臺，設(shè)計流量60 m3/s，單向抽引水。

(3) 過船港閘。節(jié)制閘共5孔，設(shè)計流量110 m3/s，雙向引排水。

(4) 夏仕港閘。節(jié)制閘共5孔，設(shè)計流量650 m3/s，雙向引排水。

(5) 口岸閘?？诎堕l共3孔，雙向運(yùn)用，引水設(shè)計流量72.0 m3/s，排水設(shè)計流量134 m3/s。

上述5個沿江節(jié)制閘站地處長江下游感潮河段，該段長江側(cè)水位受潮汐影響起伏較大，致使沿江口門水閘及涵閘兩側(cè)水位差連續(xù)變化，當(dāng)閘位一定時，過閘的流量會隨水位差的變化而大幅變化。沿江閘站雖已基本實現(xiàn)對水位、降水量、蒸發(fā)量、地下水、水土保持監(jiān)測的全自動實時測報與資料整編，但流量自動監(jiān)測工作相對滯緩，仍采用傳統(tǒng)的水文纜道測驗[3]，不僅費工費時，而且不能實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，致使水文流量監(jiān)測精準(zhǔn)度不高；測量數(shù)據(jù)也不能自動讀入水文數(shù)據(jù)庫，報汛方式相對落后，增加了水文資料整編工作的難度；當(dāng)河面存在大塊漂浮物時，水文測量工作無法進(jìn)行，影響測量精度和測量人員工作安全，已遠(yuǎn)不能滿足水文信息化的要求。

2 系統(tǒng)總體框架

沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)是在整合沿江閘站硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依據(jù)沿江閘站工情等開發(fā)出的1套標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)化的平臺。該系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、服務(wù)端數(shù)據(jù)處理層、功能服務(wù)層和應(yīng)用界面層4個部分組成。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

(1) 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層。安裝在沿江閘站的現(xiàn)場閘站測量單元，自動采集并發(fā)送閘站水文數(shù)據(jù)給互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

(2) 服務(wù)端數(shù)據(jù)處理層。在泰州水文分局的服務(wù)器端或互聯(lián)網(wǎng)云端編有數(shù)據(jù)接口程序，接收沿江閘站現(xiàn)場測量單元發(fā)送的水文數(shù)據(jù)，并將實時水文數(shù)據(jù)插入到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

(3) 功能服務(wù)層。對接收的實時水情數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整編，匯集成水情發(fā)報、網(wǎng)頁服務(wù)和手機(jī)APP服務(wù)需要的各類水情數(shù)據(jù)，以及將每日08：00報汛數(shù)據(jù)寫入專有水情數(shù)據(jù)庫。

圖1 流量監(jiān)測系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of flow monitoring system

(4) 應(yīng)用界面層。能在水利數(shù)字地圖查看或展示沿江閘站的基本信息、實時雨水情信息；能夠查詢各個閘站相關(guān)水情的歷史數(shù)據(jù)和變化曲線；能夠進(jìn)行人工報汛及相關(guān)水情數(shù)據(jù)的日旬月統(tǒng)計。

流量監(jiān)測系統(tǒng)基于云平臺，設(shè)計了一種用于感潮段閘站的流量實時監(jiān)測方法，能實現(xiàn)流量計算、水情發(fā)報、信息展示等功能。

系統(tǒng)整體運(yùn)行流程按照自下而上的模式：現(xiàn)場閘站測量單元通過TCP協(xié)議與云平臺建立連接，將現(xiàn)場閘位數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺；基于云平臺的服務(wù)端數(shù)據(jù)處理軟件對水位、閘位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算成流量數(shù)據(jù)，然后對流量、水位等數(shù)據(jù)分類整編、發(fā)布；通過web網(wǎng)頁應(yīng)用服務(wù)或手機(jī)APP，能夠?qū)ρ亟l站水位、流量等各類水情數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。

3 流量實時監(jiān)測方法

流量實時監(jiān)測系統(tǒng)以閘門限位開關(guān)、水閘開度儀和4G-RTU設(shè)備組成現(xiàn)場閘站測量單元，實時監(jiān)測沿江閘站的閘位數(shù)據(jù)，結(jié)合水位-流量的率定經(jīng)驗關(guān)系[10-11]，根據(jù)水力因素法與一潮推流法流量計算方法進(jìn)行推流，完成實時流量計算。

流量實時監(jiān)測方法步驟如下：

(1) 對沿江閘站的所有監(jiān)測站，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型、工情，確定不同的流量計算方法；

(2) 基于不同類型閘站的流量計算公式，確定閘站實時流量計算需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場閘站測量單元完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與傳輸；

(3) 確定流量實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲頻率，以每5 min采集1次水位信息入庫，同時以同頻率采集計算流量所需的數(shù)據(jù)，同步計算流量入庫，實現(xiàn)流量的實時監(jiān)測。

3.1 現(xiàn)場閘站測量單元

根據(jù)每個閘站的實際工況、水情，研制沿江閘站現(xiàn)場測量單元，采集沿江閘站的閘位數(shù)據(jù)并發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)云平臺，提供完成水流量、引排水次數(shù)等其他水情數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐。

如圖2所示為沿江閘站現(xiàn)場測量單元結(jié)構(gòu)框圖?，F(xiàn)場閘站測量單元由水閘開度儀、閘門限位開關(guān)和4G-RTU組成，完成對閘位數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。水閘開度儀和閘門限位開關(guān)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場水閘的閘位信號，4G-RTU把采集的閘位信號上傳到互聯(lián)網(wǎng)云平臺，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。

圖2 現(xiàn)場閘站測量單元結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural block diagram of field gate station measurement unit

3.2 流量計算方法

(1) 水力因素法[10]。① 對于閘孔流流態(tài)的閘站，采用淹沒式孔流計算公式：Q=f(B，E，ΔZ)，即流量Q與閘門開啟寬度B、閘門開啟高度E以及上下游水位差ΔZ有關(guān)；② 對于閘堰流流態(tài)的閘站，采用淹沒式堰流計算公式：Q=f(B，hu，ΔZ)，即流量Q與閘門開啟寬度B、閘上游(下游)水頭hu以及上下游水位差ΔZ有關(guān)；③ 對于抽水站，采用Q=f(N，ΔZ)的計算公式，即流量Q與抽水站開機(jī)功率N以及上下游水位差ΔZ有關(guān)。

(2) 一潮推流法[12]：當(dāng)閘門平水開、平水關(guān)，且一次開啟為堰流時，優(yōu)先選擇一潮推流法進(jìn)行一潮最大流量或平均流量計算，計算公式為：Q=f(ΔZ，H)，即流量Q與上下游水位差ΔZ以及開閘前穩(wěn)定水頭H有關(guān)。

因此，對沿江閘站流量推算時，首先要對沿江閘站的各個監(jiān)測站，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型、工情，確定不同的流量計算方法。如表1所示。

表1 閘站流量計算方法

3.3 監(jiān)測參數(shù)

對所有閘站，普遍設(shè)計水力因素法計算流量。高港節(jié)制閘、底層流道屬閘孔流流態(tài)，口岸閘、馬甸閘、過船港閘、夏仕港閘屬閘堰流流態(tài)，高港抽水站、送水閘屬抽水站閘站類型；特別當(dāng)監(jiān)測站的閘門平水開、平水關(guān)，且閘站類型為閘堰流流態(tài)，采用一潮推流法計算流量。

根據(jù)不同類型閘站的流量計算公式，確定需要監(jiān)測的參數(shù)，提供完成實時流量計算的數(shù)據(jù)支撐。

采用水力因素法時，需要監(jiān)測的參數(shù)如下：

(1) 對于閘孔流流態(tài)的水閘，需要監(jiān)測閘門開啟寬度B、閘門開啟高度E、以及上下游水位差ΔZ參數(shù)；

(2) 對于閘堰流流態(tài)的閘站，需要監(jiān)測閘門開啟寬度B、閘上下游水頭hu、以及上下游水位差ΔZ參數(shù)；

(3) 對于抽水站，需要監(jiān)測抽水站開機(jī)功率N以及上下游水位差ΔZ參數(shù)。

采用一潮推流法時，需要監(jiān)測閘堰流流態(tài)閘站的上下游水位差ΔZ與開閘前穩(wěn)定水頭H參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)存儲要求

(1) 按照SL 323-2005《實時雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識符標(biāo)準(zhǔn)》建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫并存儲。

(2) 確定系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的存儲頻率，實時信息數(shù)據(jù)以每5 min讀取1次。其中，開關(guān)閘、閘門變動情況下按實際發(fā)生時刻讀取時間與閘位，相應(yīng)水位采用遙測庫水位內(nèi)插。如開閘時間為09：03，但上下游水位是09：00和09：05的數(shù)據(jù)，這時需要插補(bǔ)09：03的上下游水位，降低實時流量的計算誤差。

(3) 因種種原因?qū)е麻l位數(shù)據(jù)不能讀取或閘位信息有誤不能使用時，增加人工錄入通道，通過手機(jī)APP或其他客戶端授權(quán)實現(xiàn)閘位信息錄入。

4 監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)方法

沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)基于SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)開發(fā)框架進(jìn)行開發(fā)。采用MVC(模型-視圖-控制器)設(shè)計模式，將系統(tǒng)進(jìn)行功能解耦，通過業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的辦法來組織代碼，各功能模塊可獨立開發(fā)，大大降低了程序的耦合性。在SSM框架下用戶請求服務(wù)器流程如圖3所示。首先用戶通過瀏覽器請求服務(wù)器，服務(wù)器攔截請求后，交由后臺Controller層處理，Controller層將請求任務(wù)交給業(yè)務(wù)層的Service實現(xiàn)，Service調(diào)用持久層中的DAO接口，DAO將完成對數(shù)據(jù)庫的具體操作任務(wù)。DAO得到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)后返回給Service層，Service層將數(shù)據(jù)傳遞給Controller層，Controller層再將獲取到的數(shù)據(jù)給前端(JSP/HTML)顯示，即完成了用戶請求、響應(yīng)的過程。

圖3 用戶請求服務(wù)器流程Fig.3 User request server process

4.2 服務(wù)端數(shù)據(jù)處理軟件

基于云平臺的服務(wù)端數(shù)據(jù)處理軟件主要包括閘位數(shù)據(jù)接收與流量實時在線處理軟件兩部分。服務(wù)端數(shù)據(jù)處理軟件采用C++語言編寫，后臺數(shù)據(jù)庫使用Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行沿江閘站各類水情數(shù)據(jù)存儲。

閘位數(shù)據(jù)接收軟件主要用于接收沿江閘站現(xiàn)場測量單元發(fā)送的實時閘位數(shù)據(jù)與讀取水情系統(tǒng)中的實時水位數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，寫入自定義的數(shù)據(jù)庫表中。

流量實時在線處理軟件主要功能是將現(xiàn)場閘站測量單元采集的閘位數(shù)據(jù)，結(jié)合對應(yīng)時刻的閘站水位數(shù)據(jù)，利用水力因素法與一潮推流法的流量計算方法，計算出閘站的實時流量，同時可對流量、引排水潮次等水情數(shù)據(jù)進(jìn)行日旬月時間段統(tǒng)計，并同步存入數(shù)據(jù)庫中。此外，將水情數(shù)據(jù)整編分類，定時報汛，于每日08：00發(fā)送到“水情數(shù)據(jù)庫”中，縮短水文資料整編時間。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要由實時數(shù)據(jù)模塊、報汛模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊和基礎(chǔ)設(shè)置模塊構(gòu)成。實時數(shù)據(jù)模塊中主要是在水利地圖上顯示沿江閘站基本信息、實時雨水情信息，能查看沿江閘站的開關(guān)閘信息數(shù)據(jù)，能查詢各個閘站指定時段上下游水位變化趨勢和水流量數(shù)據(jù)信息；報汛模塊分為每日08：00報汛和歷史08：00報汛信息展示，可將沿江閘站的流量、水勢、上下游水位等水情信息進(jìn)行人工報汛，對錯誤信息進(jìn)行修改，從外網(wǎng)寫入內(nèi)網(wǎng)水情數(shù)據(jù)庫；歷史數(shù)據(jù)模塊是將相關(guān)水情數(shù)據(jù)按日、旬、月、年的時間段進(jìn)行統(tǒng)計；基礎(chǔ)設(shè)置模塊對整個流量實時監(jiān)測系統(tǒng)的用戶、權(quán)限、菜單等基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理配置。流量監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 流量監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of flow monitoring system

4.4 流量監(jiān)測系統(tǒng)功能

(1) 實時數(shù)據(jù)模塊。圖5所示為沿江閘站水利地圖集成信息展示界面，在地圖上標(biāo)記各個站點地理位置，展示區(qū)域內(nèi)水位、雨量、流量等實時數(shù)據(jù)。圖6所示為沿江閘站的開關(guān)閘信息界面，顯示沿江閘站各站點開關(guān)閘事件記錄，包括水位、水勢、開高、測流方法和水流量計算依據(jù)等信息。圖7所示為沿江閘站水位趨勢界面，能夠顯示和查詢各站點指定時段的上下游水位、引排水流量的數(shù)據(jù)信息，可直觀反映一段時間內(nèi)閘站漲潮、落潮的趨勢，為閘站開關(guān)閘提供決策依據(jù)。

圖5 沿江閘站水利地圖集成信息展示Fig.5 Integrated information display of Yanjiang sluice station water conservancy map

圖6 沿江閘站開關(guān)閘信息界面Fig.6 Switch information interface of Yanjiang gate station

圖7 沿江閘站水位趨勢界面Fig.7 Water level trend interface of Yanjiang sluice station

(2) 報汛模塊。每日08：00流量實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行自動報汛，即依據(jù)《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，于每日08：00將沿江閘站流量、開關(guān)閘時間、上下游水位等水情信息從外網(wǎng)數(shù)據(jù)庫寫入水利專網(wǎng)水情數(shù)據(jù)庫?？蓪崿F(xiàn)報汛數(shù)據(jù)直接用于水文資料整編，減少人工重復(fù)勞動。系統(tǒng)每日08：00報汛模塊界面如圖8所示。

圖8 每日08：00報汛模塊界面Fig.8 Daily module interface at 08：00

(3) 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。該模塊中主要是對沿江閘站引排水量數(shù)據(jù)、潮汐水情數(shù)據(jù)、閘泵水情數(shù)據(jù)按日、旬、月、年的時間段進(jìn)行分類統(tǒng)計，可直觀看出沿江閘站不同時期引水量、排水量、引水次數(shù)、排水次數(shù)、最高潮位和最低潮位發(fā)生時間、上游水位、下游水位、過閘流量數(shù)據(jù)的相關(guān)水情變化趨勢。圖9～11分別為沿江閘站的日引排水量統(tǒng)計界面、日潮汐水情統(tǒng)計界面、日閘泵水情統(tǒng)計界面。

圖9 日引排水量統(tǒng)計界面Fig.9 Daily water diversion and drainage statistics interface

圖10 日潮汐水情統(tǒng)計界面Fig.10 Daily tide hydrological statistics interface

圖11 日閘泵水情統(tǒng)計界面Fig.11 Daily gate pump water regime statistics interface

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了用于感潮段的沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可對沿江閘站上下游水位、上下游水勢、流量、開啟孔數(shù)、開機(jī)功率、引排水潮次等水情數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和分類統(tǒng)計，還能進(jìn)行各類水情數(shù)據(jù)自動報汛，并寫入水情數(shù)據(jù)庫，保證水文數(shù)據(jù)的時效性。通過沿江閘站流量實時監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，為沿江閘站精準(zhǔn)調(diào)度引、排水量提供了科學(xué)依據(jù)，提高了測量精度和安全可靠性，具有推廣應(yīng)用價值。鑒于河床沖刷會造成斷面情況發(fā)生變化，為確保流量實時監(jiān)測系統(tǒng)可靠運(yùn)用，可利用原有水文纜道或走航式ADCP等測量儀器進(jìn)行定期比測校驗，及時修改流量計算公式，使流量推算更加精準(zhǔn)。