自動化測流系統在簸箕李灌區中的應用

魏守民，徐建輝

（濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，山東 濱州 251700）

簸箕李引黃灌區位于黃河下游左岸，山東省濱州市西部,南依黃河、北抵渤海，南北長130 km，東西平均寬17 km，設計灌溉面積10.90萬hm2，有效灌溉面積5.13萬hm2，是山東省大型引黃灌區之一。灌區涉及惠民、陽信、無棣3 縣24個鄉鎮、103萬人。經過50年的建設，灌排系統已初具規模，具備一定的引、蓄、供、排能力。通過黃淮海農業開發和世界銀行貸款項目的實施，形成了較完整的引水、輸水、蓄水和灌溉示范四大工程體系，年水利凈效益達3億元。灌區引黃干渠全長145.5 km，總干渠設計過水流量75 m3/s，加大流量85 m3/s。目前，干級渠道上設有4個縣界測流站、5個渠道管理所，同時在總干渠、一干渠、二干渠的進出水口和縣界水量交接處及部分重要渠段、支渠引水口等共設有水沙測試取樣站點20個，基本涵蓋了灌區骨干渠系不同設計斷面參數情況下水沙運行的不同模式，自上而下形成了灌區的測水量水網絡。

灌區自1959年興建以來，先后經歷了采用浮標及建筑物經驗曲線量水、人工吊流速儀配鉛魚測水和水文纜道自動化測水。目前，灌區的測流方法為：縣界測流站采用流速儀測水，測流點采用建筑物量水、流速儀校核。2001年，灌區石皮測流站率先安裝了EKL—1 水文纜道綜合控制臺，建成了由纜道、水文絞車、流速儀、聯機通訊模塊和計算機系統組成的半自動測流平臺，可以進行半自動和手動測流控制。其他測流站點的自動化測流設備還有待于進一步配套完善。為適應新形勢下灌區管理和改革的需要，建設節水生態型現代灌區，逐步實現灌區水沙監測自動化、科技化的目標，需研制一套適應黃河水特性的全新、智能化的水量測量監測系統。

1 自動化測流系統構架

利用灌區信息化建設的契機，經過綜合考察和調研，簸箕李灌區管理局與一公司合作，開發出了一套契合灌區渠道測流的自動化測流系統。此套系統安裝在簸箕李灌區二干渠陳謝測流站，控制室設在陳謝站綜合辦公樓二樓，測流方法采用國內外廣泛采用的流速儀法。與此系統配套的測流標準斷面為梯形明渠，渠段采用混凝土板全斷面護砌，幾何尺寸為：底寬17 m，渠口寬28.2 m，邊坡1︰2，渠底比降1/7 000，設計水深2.2 m。

1.1 測流系統組成

測流系統由行車軌道、測流車、水位測量裝置、行車限位裝置、無線通訊設備、PLC處理器、控制計算機及上位軟件等8 部分組成。系統結構見圖1。

1）行車軌道。由橫跨渠道兩岸的鋼結構桁架拼裝而成，用于測流車行走。桁架底面安裝供電導軌，為測流車供電。

2）測流車。由驅動電機、驅動輪、行車傳感器、鉛魚、收放電機、收線器、限位開關、位移傳感器、流速儀、控制箱、護罩等部件組裝而成，可在行車導軌上順暢行走。其工作原理：當操作員控制測流車行走時，控制箱收到指令，S7-200PLC 控制主電路接觸器吸合，驅動電機帶動驅動輪旋轉，測流車行走，行車編碼器實時測量車行走距離；當操作員控制收放鉛魚時，S7-200PLC 控制次電路接觸器吸合，收放電機控制鉛魚下放或收起，位移傳感器實測鉛魚移動距離，當鉛魚下放探底或回收到位后，限位開關動作，收放電機自動停止。本系統流速儀采用旋槳式流速儀。

圖1 系統結構框圖

3）水位測量裝置。由超聲波液位計、支架、自收纜浮子水位計、保護桶、水尺6 部分組成。

4）行車限位裝置。包括前、后兩組動輪組成，用于測流車行走到位后自動停車，防止行車超限。

5）無線通訊設備。采用美國Ubiquiti Networks 公司的無線網橋NanoStation5，一體化外殼設計，通過網線POE 方式供電。NanoStation5 是ISM（5.8GHz）頻段無線產品，體積小、重量輕、功能實用、性能穩定、為一款性價比較高的室外型無線網橋。

6）PLC處理器。采用主、從兩級控制工作模式。主站為S7-300 系列PLC 模塊，安裝在測流室控制柜內，用于實時監測渠道水位深度，并與控制計算機進行數據交換；從站為S7-200 模塊，安裝在測流車控制箱內，用于控制測流車行走、鉛魚收放等動作，采集行車和鉛魚位移傳感器數據和設備狀態。主、從站的數據交互利用是無線通訊設備、以太網傳輸。

7）控制計算機及上位軟件。控制計算機采用“研祥” 工業計算機，安裝STEP 7 MicroWIN、SIMATIC Manager、WINCC三款上位軟件，后臺配有SQL server 強大的數據庫管理軟件支撐，做到硬件的良好兼容、軟件的友好人機界面交互。

1.2 系統參數設置

1）測流垂線數目選擇。測流垂線的數目視水面寬度、水深和測量精度的要求而定。按照國際標準規定，在比較規則的渠床斷面上，任意兩條測流垂線的間距一般不大于渠底寬度的1/5，且應均勻布置。測流垂線數愈多，流量的誤差越小。本系統標準斷面底寬17 m，結合灌區實際情況，默認工況下均勻布設7條測線，測線間距2.83 m。實際應用中，可根據精度需要，相應增減測線數目。

2）測線平均流速確定。本系統可根據水深及測流精度的需要，在不同工況下，選擇采用一點法或兩點法確定測線平均流速，必要時也可采用三點法。

1.3 系統測流控制過程

流量實測時，主站S7-300PLC 通過RS485 信道實時監測，取得渠道相對水深數據，經過處理計算由控制計算機顯示。根據所測相對水深數據，按預設定好的測量參數、規程和程序，自動控制測流車行進、停車和鉛魚收放，自動進行點流速及斷面的測量、計算，并由從站中心處理器通過無線網絡把相關采集數據傳輸到主站中心處理器中。主站中心處理器通過二次計算把數據傳到控制計算機中顯示，來完成整個測流過程。為消除流速的脈動影響，各測點的測速歷時可在60～100 s 間選用，一個測流過程用時約15 min。

在測流的同時，測流系統配備的上位軟件可通過各點水深描繪出灌區渠道過水斷面效果圖，自動計算過水斷面面積，并根據測得的流速，采用積點法，自動匯總計算總流量和平均流速，顯示在計算機中。

1.4 系統界面及數據處理

該測流系統配置了良好的人機交互界面設備，各項功能齊全。通過本系統可實現遠程數據監控，歷史數據的存儲、查詢、統計、打印等一系列管理功能。

2 測流效果評價

基于當前國內引黃灌區自動化測流技術鮮有成功應用的先例，本系統以穩妥可靠為原則設計，實現目標為渠道流量測量自動化、信息管理自動化。系統自投入使用以來，渠道測水效率明顯提高，人工勞動量和強度大大減輕，測流數據的計取更快捷、準確。在灌區引水正常流速下，系統測得的數據與明渠均勻流公式測算的數據基本吻合，計量數據可信度得到了很好的驗證，下一步可在簸箕李灌區其他測流站點及同類引黃灌區推廣應用。

3 結 語

簸箕李灌區是黃河下游典型灌區，引黃含沙量大，河道沉沙、淤積較多，給自動化測流帶來了一定的困難。自動化測流系統的應用有利于準確計算、科學認證引用水量，為簸箕李灌區實時動態掌握配水狀態，優化水沙調度方案，提高灌溉效率，提供了數據支持和決策依據；同時有利于提升灌區自動化管理水平，必將為灌區帶來顯著的社會效益和經濟效益。該系統在簸箕李灌區的成功應用對同類引黃灌區流量測算具有一定的借鑒意義。