引黃水閘流量測驗系統技術改造

劉其鑫 ，見桂芹 ，張 濤

（1.山東黃河河務局供水局，山東 濟南 250011；2.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

目前，由山東黃河河務局供水局負責管理的渠首引黃水閘共63座，設計總引水能力2 423.3 m3/s。近三年山東局平均年引水量69.39億m3，其中省內非農業引水9.24億m3，省內農業引水50.07億m3，跨區引水10.08億m3。目前沿黃地區需水量呈逐年遞增的趨勢，水資源供需矛盾突出，隨著科學技術的進步和現代化進程加快，引黃測流的精度越來越受到人們重視，提高測流精度及測流方式的現代化、自動化、信息化是引黃供水工作亟待解決的重要課題。為此2010年供水局在陶城鋪閘、潘莊閘開展了自動計量設施試點工作，探索流量測驗系統現代化改進的新路徑。

1 現狀及存在問題

目前，山東局引黃涵閘的測流設施大部分修建于上世紀八九十年代，受當時經濟環境、技術水平的限制均采用便橋式或纜道式人工操作測流。目前在用上世紀八十年代修建的便橋式13座、纜道式13座，上世紀九十年代修建的便橋式11座、纜道式3座。這種測流方式已使用60余年，明顯落后于現在科技發展水平，有必要采用現代化的測流系統來替代原始的人工測流。所表現出來的主要問題有：（1）大部分便橋銹蝕嚴重威脅測流人員生命安全，纜道垂度過大影響鉛魚運行及測量數據精確度；（2）測流時需要測流人員多，一般需要3人配合進行測流，1人操作1人按秒表計流速儀信號數1人記錄；（3）測流人員勞動強度大，必須人力搖動水文絞車控制20 kg重鉛魚或手持流速儀進行測流；（4）測流時間長，測驗一次從操作記錄到計算得出數據需要1-2 h時間；（5）測流精度低，在人工接收流速信號時易受到干擾，同時在操作中讀取水面寬度、水深、計時、計算時都會存在人為誤差。

2 測流儀器選取

1）旋漿流速儀。其工作原理是，當水流作用到儀器的感應原件旋漿時，旋漿即產生回轉運動，通過對其旋轉率進行換算得到水流流速。該流速儀特點是：測流量程廣，用一個旋漿即可滿足各種高、低流速測量；儀器轉軸動態密封性能優良，可在高含沙量情況下進行測流；測流精度高，使用壽命長。

2）ADCP。ADCP即聲學多普勒流速剖面儀，具有能直接測出斷面的流速剖面、具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。但經過水文局多次試驗，無論固定式ADCP，還是走航式ADCP，在水流含沙量超過2.9 kg/m3，其測量數據不準確。

3）電磁流速儀。該流速儀通過對水面回波進行分析測定水流流速。只能測量表面流速，并且容易受風浪影響，測量精度偏低，且對水流斷面要求條件高。

4）對流速儀安裝使用情況的考察。針對引黃渠道含沙量大、渠底斷面不斷變化等特點，對兄弟單位河南黃河河務局供水局進行了考察學習，并對黑崗口閘和紅旗閘進行了現場觀摩和座談。河南供水局在自動計量方面也做了一定探索，先后安裝了15臺計量設施。主要測流設備有三種：多普勒ADCP，如紅旗閘、張菜園閘；管道電磁流量計，如黑崗口閘；明渠電磁流量計，如桃花峪閘。

多普勒流量計安裝后運行比較好的為紅旗閘，主要因為紅旗閘含沙量小，每年調水調沙時期，大河流量（2 000～4 000）m3/s時，引水能力（20～50）m3/s，含沙量在（1～1.5）kg/m3。 含沙量超過 3 kg/m3時測量數據也不準確，張菜園閘就因受含沙量影響，設備安裝后一直未能正常運用。

管道電磁流量計，需要人工制造水流通道，并保證水流常年通過，管道不可淤積。黑崗口閘在一常年向水庫供水的支渠上安裝本系統，主渠道還需人工測流。

明渠電磁流量計，需要渠道斷面不發生沖淤變化。桃花峪引黃閘將該流量計安裝于閘室內進行運行，山東局在劉春家閘和馬扎子閘做過試驗，都因測流數據不準確而放棄。

3 流量測驗系統現代化改造

針對引黃測流的特點，經過多方考察，EKL-3A型全自動水文纜道測流系統較適合引黃渠道測流。

3.1 EKL-3A型全自動水文纜道測流系統

EKL-3A型全自動水文纜道測流系統，由南京水利水文自動化研究所研制，該系統采用開口懸索式纜道，測流儀采用旋漿式測流儀。主要由水文絞車、交流變頻器、計算機、數據采集卡、PLC（程序邏輯控制器）、光柵增量編碼傳感器、無線測流信號系統（信號源和接收盒）、信號轉換板、開關電源、通訊模塊（RS485轉RS232）、繼電器和接觸器等部分組成。

該系統采用工控機和PLC可編程控制器作為完成自動化纜道測流的控制核心，配合交流變頻調速、光電編碼測距定位、流速自動測算、音頻信號傳輸等成熟技術和計算機測流控制軟件及流量成果自動生成軟件等構成。系統可通過計算機對纜道測流裝置進行全自動、半自動、手動測流控制，各種測量方式均可最終生成斷面流量報表和斷面流速分布曲線圖。

軟件功能主要由纜道測流、數據報表、測流數據圖形、參數設置、數據安全、系統文檔等幾大項組成。

軟件支持“實測斷面流量測驗”、“借用斷面流量測驗”和在同一斷面中“混合測流”方式。在采用實測斷面測驗時垂線的操作方法可選擇測流和測深兩種；在使用借用斷面測驗時，操作方法必須選擇為借用水深，要使用全自動測流則必須配置測流垂線與參數且每進行一次全自動測流都必須配置一次，各項參數配置完成可以進行全自動測流。

測流開始后鉛魚下到垂線一定距離時，將減速，到達垂線位置時自動停車，并等待幾秒后自動下降；接收到水面信號時，入水深度自動清零，同時水面信號燈被點亮；接收到渠底信號時自動停車，同時渠底信號燈被點亮，等待幾秒后自動提升；鉛魚將從下向上對每個測點進行逐一的測流。到達各測點時，等待幾秒鐘后進行流速信號采集，同時流速信號燈被點亮，所有測點測完后，鉛魚將繼續提升直至限位點后停止，此時實測斷面圖中此條垂線由虛線變為實線，并完成測流；然后繼續自動前進，進行下一垂線測流，直到所有垂線全部完成。系統自動計算后生成符合GB50197—1993河流流量監測規范的報表。

3.2 安裝使用情況

目前該測流系統已在聊城位山灌區周店測站、興隆村測站、丁莫測站等19個測站安裝使用，運行良好。在位山灌區周店測站對EKL-3A型全自動水文纜道測流和手動測流數據在水位相同和水流穩定條件下進行了對比分析，通過數據分析，系統誤差在正負3.4%以內，滿足測流需求。

3.3 引進情況

借助位山灌區安裝運行經驗，2011年4月在陶城鋪閘安裝一臺EKL-3A型全自動水文纜道測流系統。該設備投入正常使用后，對全自動測流數據與人工測流數據進行了比測，測流數據得到了灌區管理單位的認可。截止到2012年6月25日累計測流103 d，累計放水量達到1.81億m3。

3.4 運行狀況

該系統的成功運用，實現了可靠靈活的水面布線、河底信號可靠采集傳輸、纜道測深和鉛魚的自動升降及進退，大大減輕了枯燥繁瑣的重復勞動，提高了效率。同時人工測量水面鉛魚定位采用目測，測深憑手感，數據誤差比較大，該系統建立可靠靈活的水面、河底信號實現了自動測深，極大地提高了測流的精確度，消除了人為因素帶來的誤差。

4 結語

引黃閘測流的最大難點是含沙量高，目前只有旋轉式流速儀適合高含沙水流的測流。因此引黃水閘計量信息化建設還需在旋轉式流速儀的基礎上改進。通過位山灌區和陶城鋪閘的安裝使用，EKL-3A型全自動水文纜道測流系統較好地實現了測流現代化的目的，但還存在以下幾個問題：1）未實現信息化傳輸和遠程操控；2）信號源傳輸存在不穩定的情況；3）河寬觀測和測流不能同時進行。下一步要在EKL-3A型全自動水文纜道測流系統基礎上進行進一步改進，實現渠首計量遠程測流、信息化傳輸。