灌區(qū)明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

馬騰遠(yuǎn),張 慶,宋玉娟,王貴田,馬樹升

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098；2.臨沂市平邑縣水利局,山東平邑 273300；3.日照市嵐山區(qū)水利局,山東 嵐山 276806；4.東營市河口區(qū)水利局,山東東營 257200；5.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水土學(xué)院,山東泰安 271018)

1 引言

目前國家實(shí)施的大中型灌區(qū)節(jié)水改造的重點(diǎn)是干支渠的襯砌和配套、小型農(nóng)田水利工程建設(shè)的重點(diǎn)是斗農(nóng)渠的襯砌或改為管道。基本要求是大幅減少渠系滲漏損失、從水源到田間輸配水通暢、閘閥控制靈活、灌溉計(jì)量準(zhǔn)確、土建工程美觀、監(jiān)測控制設(shè)備自動(dòng)化程度高、有相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)和管理措施等。

灌區(qū)現(xiàn)代化管理的內(nèi)容相當(dāng)廣泛,其中明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測是其核心內(nèi)容之一,也是推動(dòng)計(jì)量灌溉促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水和提高作物水分生產(chǎn)率的基礎(chǔ)條件。作者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了10多年的跟蹤和應(yīng)用研究,本文就部分應(yīng)用研究的內(nèi)容做一介紹。

2 水位流量監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

目前新建的灌區(qū)水位流量監(jiān)測(控制)系統(tǒng),多由一個(gè)監(jiān)控中心和多個(gè)水位流量監(jiān)控站組成。在監(jiān)控中心最基本的設(shè)備組成有工業(yè)控制機(jī)、數(shù)據(jù)采集及流量積算軟件(控制軟件)、顯示器、打印機(jī)、VGA分配器、投影機(jī)及投影屏或超薄壁掛液晶電視、交流220V供電和UPS不間斷電源,GPRS通信模塊、避雷器及接地極等。

在水位流量監(jiān)測站最基本的設(shè)備組成有水位傳感器、數(shù)顯儀表、超聲波流量計(jì)、GPRS通信模塊、直流開關(guān)電源、交流220V供電或太陽能供電系統(tǒng)、避雷器及接地極等。此外系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能:如可增加土壤水分傳感器、翻斗式量雨器、空氣溫濕度傳感器、地下水位和鹽度傳感器、閘或閥開度傳感器、電量傳感器等；還可對現(xiàn)場的閥門、水閘、水泵等開啟或關(guān)閉。監(jiān)測控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 監(jiān)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural of control system

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測顯示功能

可利用安裝在渠道或灌區(qū)現(xiàn)場的水位傳感器、超聲波流量計(jì)的換能器、土壤墑情傳感器等各種不同監(jiān)測功能的傳感器,將測得的各種物理量如水位、流速、土壤含水量等轉(zhuǎn)換為一標(biāo)準(zhǔn)信號如4-20mA或0-1V或1-5V等。該信號接入二次數(shù)顯儀表,在現(xiàn)場立即示了被測物理量的數(shù)值。

2.2 現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制功能

過去對于灌區(qū)干支渠閘門或斗農(nóng)渠斗農(nóng)門、管道灌溉的閥門,小型的一般由人工操作在現(xiàn)場人力開啟關(guān)閉；對于大型閘門、閥門、水泵一般是人工在現(xiàn)場操作由電力開啟關(guān)閉,這些可均稱為現(xiàn)地控制。

目前最新建設(shè)的灌區(qū)節(jié)水改造和小農(nóng)水項(xiàng)目,在監(jiān)測控制中心通過操作工業(yè)控制機(jī)鍵盤和鼠標(biāo),可遠(yuǎn)距離控制現(xiàn)場閘門、閥門、水泵的開啟和關(guān)閉。還可根據(jù)遠(yuǎn)程采集的相應(yīng)開度傳感器的數(shù)據(jù),得知閘門或閥門的相應(yīng)開度。

2.3 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能

該系統(tǒng)可通過工業(yè)控制機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄各渠道監(jiān)測斷面的水位、流速、瞬時(shí)流量和累積流量。也可根據(jù)需要增設(shè)相應(yīng)傳感器,監(jiān)測土壤墑情、降雨量、地下水位及礦化度、水泵電機(jī)的三相電壓、三相電流、功率、耗電量等。整個(gè)運(yùn)行過程可實(shí)現(xiàn)無人值守。

2.4 管理功能

系統(tǒng)軟件可以動(dòng)畫模擬灌溉生產(chǎn)工藝,并對接收到的各種數(shù)據(jù)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、自動(dòng)生成各種生產(chǎn)報(bào)表等。可對歷史數(shù)據(jù)和報(bào)表進(jìn)行備份、查詢、記錄和打印等。對中心站工業(yè)控制機(jī)設(shè)置IP地址后,還可作為服務(wù)器在異地進(jìn)行網(wǎng)上查閱、數(shù)據(jù)共享等,大幅提升灌溉管理水平。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 軟件技術(shù)

軟件系統(tǒng)運(yùn)行平臺為Window s XP,采用SQL Server數(shù)據(jù)庫。采用C和JAVA編程,由主控窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分組成,開放式體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化接口,采用群件技術(shù)和Web技術(shù)相結(jié)合,同時(shí)提供B/S和C/S兩種應(yīng)用模式。真正的32位程序,支持多任務(wù)、多線程、多用戶。以保證多用戶系統(tǒng),并能在Web上發(fā)布實(shí)時(shí)信息。水力判別及流量積算軟件的編制,依據(jù)于水工模型實(shí)驗(yàn)室水力學(xué)率定的水工建筑物尺寸、流態(tài)、過流糙率、流量系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的流量積算公式,系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集水位數(shù)據(jù)或流速數(shù)據(jù)并同步積算瞬時(shí)流量和累積流量。

系統(tǒng)應(yīng)有全新的Active X動(dòng)畫構(gòu)件,可制作和顯示動(dòng)畫界面；具有方便的報(bào)警設(shè)置和豐富的報(bào)警類型；具有網(wǎng)絡(luò)功能,支持 TCP/IP、Modem、485/422/232,以及具有各種無線網(wǎng)絡(luò)、無線電臺、無線網(wǎng)橋、GPRS/CDMA等多種網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)還具擴(kuò)展功能,可利用現(xiàn)場PLC對閘門、閥門和水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉控制；系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的報(bào)表功能,可生成和打印各種日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。

3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

本系統(tǒng)的遙測遙控是通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的,數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與GPRS模塊連接,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心工業(yè)控制機(jī)與中心GPRS模塊連接。終端GPRS模塊通過虛擬專用網(wǎng)將現(xiàn)場信息發(fā)送到運(yùn)營商服務(wù)器,服務(wù)器處理后通過虛擬專用網(wǎng)再將信息發(fā)送到中心GPRS模塊。這樣,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心無須采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接,便可接收現(xiàn)場GPRS模塊的數(shù)據(jù)。GPRS移動(dòng)用戶可以隨時(shí)訪問自己的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN),而不是每次都需要撥號上網(wǎng)。

GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議,可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”的連接,網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。GPRS數(shù)據(jù)通信是基于數(shù)據(jù)分組傳送的,它能提供連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),并始終在線,通信費(fèi)用是按照實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行結(jié)算的,運(yùn)行費(fèi)用低。它不受地域限制,是一種經(jīng)濟(jì)便捷的通信方式,可以實(shí)現(xiàn)靈活的信息網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4 系統(tǒng)硬件配置

4.1 水位傳感器及數(shù)顯儀表

水位傳感器的作用是用來量測渠道水深的。因量測原理不同有浮子式水位傳感器、超聲波水位傳感器、壓力式水位傳感器等。

浮子式水位傳感器是以浮子感測水位變化。工作狀態(tài)下,浮子、平衡錘與懸索連接牢固,懸索懸掛在水位輪的“V”形槽中。平衡錘起拉緊懸索和平衡作用,調(diào)整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上。在水位不變的情況下,浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的。當(dāng)水位上升時(shí),浮子產(chǎn)生向上浮力,使平衡錘拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),相應(yīng)水位傳感器的顯示讀數(shù)增加；當(dāng)水位下降時(shí),則浮子下沉,拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),相應(yīng)水位傳感器的顯示器讀數(shù)減小。該水位傳感器的顯示器上一般配置RS485通信輸出接口。

超聲波水位傳感器是通過測得換能器底面到水面的距離,再換算出渠道的水深。高頻脈沖聲波由換能器發(fā)出,遇被測物體(水面)表面被反射,折回的反射回波被同一換能器接收,轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(一般為4～20mA/1～5VDC)。脈沖發(fā)送和接收之間的時(shí)間(即聲波的運(yùn)動(dòng)時(shí)間)與換能器到水面的距離成正比,聲波傳輸?shù)木嚯xS與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示:S=C*T/2。

壓力式水位傳感器是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理,采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器,將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(一般為4～20mA/1～5VDC)。

超聲波水位傳感器和壓力式水位傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號,再接到一臺具有標(biāo)準(zhǔn)電信號輸入接口和RS485通信輸出接口的數(shù)顯儀表。該數(shù)顯儀表具有多種信號輸入和232或485通信輸出功能。可在線修改顯示量程、變送輸出范圍、報(bào)警值及報(bào)警方式等。

4.2 明渠超聲波流量計(jì)

4.2.1 明渠超聲波流量計(jì)測流原理 用超聲波來測量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測量流體的流速。根據(jù)不同的原理有時(shí)差法、多普勒法、聲束偏位法和聽音法,目前用得較多的是時(shí)差法。

當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時(shí),聲波的波速將發(fā)生變化,即當(dāng)聲波向下游傳播時(shí)波速增加,聲波向上游傳播時(shí)波速降低。在明渠中,一定高程和厚度的流體平均流速是通過測量兩個(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來確定的(時(shí)差法)。

用于明渠流量監(jiān)測的超聲波流量計(jì)主要由多個(gè)測速換能器(由聲道數(shù)決定)、一個(gè)測水位換能器和二次顯示儀表所組成,既測流速又測水位。它是由渠底到水面沿水深自下而上分層測出各層的流速,再根據(jù)各層流速構(gòu)成的流速分布曲線進(jìn)行積分求出過水?dāng)嗝嫔系钠骄魉佟Ｓ沙暡ㄋ挥?jì)精確測出的水深和斷面的幾何尺寸便求得明渠過水?dāng)嗝娴臄?shù)值。有了平均流速和過水?dāng)嗝婕纯汕蟪鏊矔r(shí)流量,再按一定時(shí)間對瞬時(shí)流量累積可得過流總量。測流原理如下圖所示。

圖2 超聲波測量流速原理圖Fig.2 Schematic diagram of flow velocity measurement using ultrasonic wave

4.2.2 明渠超聲波流量計(jì)安裝 時(shí)差法明渠超聲波流量計(jì)的安裝,應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無漩渦回流的渠段,平直段長度應(yīng)滿足測試規(guī)范的要求(大于20倍水面寬度。),斷面與水流方向垂直。換能器由渠底往上分層、成對錯(cuò)開一定距離(與水流成45～65度角)安裝在兩側(cè)渠壁上。以下是日照水庫灌區(qū)馬家?guī)X、昌樂高崖水庫灌區(qū)徐家廟安裝示意圖如下。

圖3 明渠超聲波流量計(jì)安裝示意圖Fig.3 Sketch of open channel ultrasonic flow meter mounting

5 結(jié)語

作者近年來結(jié)合山東省大中型灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施,先后在日照水庫灌區(qū)、昌樂高崖水庫灌區(qū)、寧陽罡城壩引河灌區(qū)、平陰田山引黃灌區(qū)進(jìn)行了明渠水位流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用研究,對于推動(dòng)灌區(qū)自動(dòng)化測水量水起了很好的引領(lǐng)示范作用,研究成果曾獲得2004年度山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。可以預(yù)見,隨著國家對水利投入的持續(xù)加大和小型農(nóng)田水利建設(shè)的普遍展開,明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測會有快速的大發(fā)展。

[1] 馬樹升等,水庫灌區(qū)自動(dòng)化測水量水實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研究報(bào)告,2004

[2] 馬樹升等,村鎮(zhèn)供水系統(tǒng)遙測遙控及監(jiān)視圖像無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)應(yīng)用研究報(bào)告,2009

[3] 馬樹升等,灌區(qū)水情無線數(shù)傳實(shí)時(shí)監(jiān)控的內(nèi)容與方法,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2003,34(1):91-95

[4] 楊紅玲等,超聲波法與流速儀法在明渠測流中的比較研究,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2008,39(2)

[5] 樊銘京等,明渠恒定非均勻流渠道流量實(shí)時(shí)監(jiān)測方法研究與探討,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2010,41(3):440-442