灌區明渠水位流量積算儀的研制與應用

劉玉海，謝清華，樊銘京，陳祥磊，馬樹升*

1.東營市河口區水利局，山東東營2572002.棗莊市水利勘測設計院，山東棗莊2778003.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安2710184.日照市東港區水利局，山東日照276800

灌區明渠水位流量積算儀的研制與應用

劉玉海1，謝清華2，樊銘京3，陳祥磊4，馬樹升3*

1.東營市河口區水利局，山東東營257200
2.棗莊市水利勘測設計院，山東棗莊277800
3.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018
4.日照市東港區水利局，山東日照276800

灌區明渠量水技術是節水農業的關鍵技術之一。依據明渠水力學原理中水位流量關系，研發了灌區明渠水位流量積算儀。經在明渠均勻流渠段或標準量水槽上應用，較傳統明渠測流具有效率高、實時性強、精度高等特點。

灌區；明渠；水位流量；積算儀

灌區明渠量水技術是灌區實行配水調度、計劃用水、節水灌溉、按方收水費的關鍵技術措施。在農業節水灌溉各項技術措施中，灌區量水是一項基礎的、關鍵的、也是難度較大的技術［1］。該技術是灌區管理部門進行引水、輸水、配水工作必須采用的技術環節。任何一種節水灌溉技術的節水效果都離不開對灌溉水量的精確計量手段。因此，開展灌區量水技術研究也是節水農業研究的關鍵技術內容，對于促進農業節水增收、實現水資源高效利用和建立節水型社會具有十分重要的意義。

1　明渠水位流量監測水力學原理

1.1明渠水流的形態

明渠水流是一種具有自由水面的水流，水流表面壓強為大氣壓強，即相對壓強為零，因此明渠水流也稱為無壓流。不僅天然河道、人工渠道中的水流為明渠水流，只要管道、隧洞中的水流未充滿整個斷面，水面仍與外界大氣充分接觸，其水流也屬明渠水流［2］。

明渠水流根據其運動要素（流量、流速、水深等）是否隨時間變化分為恒定流和非恒定流；根據其運動要素是否隨流程變化，分為均勻流和非均勻流。

由于自然降雨或河渠流量的人工調節，會使河渠水流的流速、水深、流量等隨時間不斷地變化，而形成明渠非恒定流。嚴格地說大多數河渠水流屬于非恒定流，只是生產實踐中，人們常把一些特定時段內水情隨時間變化較緩慢的水流當作恒定流來處理。

1.2明渠均勻流的特點及流量計算公式

明渠均勻流是運動要素（流量、流速、水深等）沿一定渠長不發生變化的水流。它的形成需有一定的條件：水流為恒定流；該一定渠長內無支流的流入或流出即流量沿程不變；該一定渠長必須長而直的棱柱體正坡明渠，且粗糙系數沿程不變；過水斷面的形狀、尺寸沿程不變，即無閘壩、跌水或陡坡等建筑物的干擾。

明渠均勻流的流量，根據恒定流的連續性方程式為：

對于梯形斷面或矩形斷面渠道，由式（4）可得到：

或

1.3明渠均勻流的水位流量關系

由流量公式（5）和（6）可知，流量與各水力要素間存在著一定的函數關系即：

對于已建好的渠道，渠底縱坡i、渠底寬b、邊坡系數m和粗糙系數n均為已知，可以根據設計流量Q求得水深h，也可根據水流深度h求得流量Q。當渠道斷面上述要素已定，又是明渠均勻流水流，則水深h與流量Q就有一確定的h～Q曲線關系。

除梯形或矩形斷面外，灌區中常見的U形斷面、圓形斷面、馬蹄形斷面也能根據式（4）確定其h～Q關系曲線；渠道上的量水堰槽如巴歇爾量水槽、無吼道量水槽、半圓柱量水槽、機翼形量水槽等均是根據穩定的h～Q關系量測流量的。

2　明渠水位流量積算儀研制

通過測量過水斷面的水深，再根據該斷面水深流量h～Q關系曲線折算出該斷面的流量值是一個傳統的測流方法［3］。以往是在渠道邊固定上水尺，由人工每天或幾天觀測一次水尺上的讀數，再人工于室內推算相應的流量。該方法簡單易行，但最大的缺點是測流效率低、精度低。

2.1總體設計方案

明渠水位流量積算儀是采集水位傳感器實時監測的水位（深）信號，按照既定公式計算明渠流量的儀表。設計可同時監測采集兩個水位即上游水位和下游水位，使用時按不同的渠道情況或是明渠或是標準流槽進行切換，再對應不同的公式采用這兩個水位值進行流量積算。

流量積算儀表設計采用點陣式液晶屏進行顯示；可清晰直觀顯示出上下游兩個水位、瞬時流量和累積流量數據信息。

流量積算儀表可通過按鍵進行渠道參數及儀表參數的設置，每臺儀表均有可設置或修改地址碼，輸出數據具有地址信息。

水位流量積算儀表要具有電源控制功能，可控制儀表液晶屏、水位采集及U盤數據存儲各功能模塊的電源，從而達到有效的降低系統功耗的目的。還設計有電池電壓檢測功能，以實時監測供電電壓和欠壓報警。

流量積算儀設有可拔插的U盤，使實時監測的水位數據和同步積算的流量數據，以Excel表格的方式進行存儲，一個測水周期終了可拔下U盤在計算機上讀取數據，進行長期存檔備份或數據整理分析等。

流量積算儀設有通信接口并具有GPRS通信功能，可將監測數據和積算數據實時上傳到上位工控機，與U盤存儲功能平行使用作為儲存功能的冗余。

流量積算儀具有實時時鐘功能，可實現水位流量信息的實時記錄，使所有數據具有時間性可便于數據統計分析和查閱。

2.2總體硬件結構設計

硬件主要包含如下模塊，MCU模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、GPRS通信模塊、U盤存儲模塊、實時時鐘模塊、存儲模塊、電壓檢測模塊、水位采集模塊、升壓模塊等（圖1）。

圖1　流量積算儀的結構模塊Fig.1 The structuralmodulesofwater flow integrator

2.2.1MCU模塊明渠流量儀表設計選用了低功耗單片機STM 32L152VBT6作為主控芯片，此單片機為32位單片機，同時支持最高32M的時鐘頻率，具有多種工作模式，特別在sleep模式下具有微安級別的功耗。該單片機具有豐富的IO口資源、USART資源及模擬量檢測資源。同時具有128 kb的flash存儲器和16 kb的RAM等。

2.2.2其它模塊設計儀表內各電器原件較多且各自的工作電壓不同，故電源模塊較多包括有5.0 V電源穩壓模塊、3.3V電源穩壓模塊、RS-485通信穩壓模塊、+24 V電源穩壓模塊、電池電壓檢測模塊等。設計采用+12 V電源模塊外接+12V外接電源，經過MP2560穩壓后產生+5 V和3.3V電源穩壓模塊，供MCU模塊、液晶屏顯示、按鍵模塊、數據存儲、實時時鐘模塊和RS-485通信模塊使用

液晶屏顯示設計采用192*64點陣式液晶屏顯示，單片控制液晶屏電壓及背光電壓控制液晶屏功耗；在喚醒按鍵按下后，液晶屏顯示儀表信息；5m in內無按鍵操作時，單片機將液晶屏電源及背光電源全部關掉，達到降低功耗的目的。

明渠流量儀表采用有8+1按鍵設計，8個常規按鍵，1個喚醒按鍵；常規按鍵實現儀表參數設置；喚醒按鍵實現單片機從休眠狀態喚醒，方便儀表參數配置及查看儀表數據。

儀表設置參數存儲采用鐵電存儲芯片存儲，結構容量為4 kb，具有功耗低、讀寫次數無限制、掉電數據保存時間長及讀寫速度快等優點。流量儀表采用外部U盤進行數據保存，流量儀表上電后，每小時進行數據存儲，存儲近1 h內，每5min的流量儀表讀數；采用每天創建EXCEL表格的方式進行存儲；方便后期數據查看；同時單片機控制U盤存儲模塊電源，達到控制功耗的目的。

3　明渠水位流量積算儀應用

研制的明渠水位流量積算儀外形如下圖，并且已獲得中國專利授權，專利號為：201520986167X。

圖2　流量積算儀Fig.2Water flow integrator

3.1水位（深）測量點選定

流量監測點一般選在各級渠道的首端進口處往下游的一段渠段上，這樣測到的是該渠道進口流量。要求該渠段穩定順直、斷面尺寸和襯砌均勻一致、縱坡邊坡不變，該渠段長度可為8～15倍渠寬，因渠道順直情況不同至少應有8倍渠寬長度。

3.2水位傳感器的安裝

在該8～15倍渠寬的順直渠段上，水位傳感器可安裝在距上游5～9倍渠寬、距下游3～6倍渠寬處。水位傳感器可裝在渠道1側岸坡的測井里，測井與渠道以連通管于底部連通。構造圖如下。

圖3　水位傳感器安裝位置示意圖Fig.3The schematic installation forwater level sensor

3.3流量積算儀安裝與防護

明渠水位流量積算儀的水位傳感器采用投入式的、測水體靜水壓力的傳感器，將其放入PVC管測井內，可準確測出隨水深正比變化的水體靜水壓力，并經信號調理電路轉換成標準信號輸出，再根據信號與水深的線性對應關系確定出渠水深度。

明渠水位流量積算儀的顯示儀表，可就近置于測井旁邊的渠道堤頂上，其上加罩一玻璃鋼材質的防護罩蓋，于罩內用特制鎖具鎖緊以防雨水及暴曬、被盜或損壞。

3.4實際安裝應用

2012年筆者在山東武城縣、滕州市數條斗渠上進行了設備安裝，均是將斗渠渠首的塊石襯砌矩形斷面改造成混凝土無吼道量水槽，每槽設有2個水位測井分為上游水位和下游水位，采用該明渠水位流量積算儀表進行流量監測。2012到2013連續2年在山東莒南縣陡山水庫灌區的10多條斗渠進行了設備安裝，同樣是將渠首矩形斷面改造成混凝土無吼道量水槽進行流量監測。這幾個灌區的流量監測無論在測流的實時性、流量精確度、數據可儲存保留以及數據迅速上傳等方面均取得了較好的效果。但都遇到渠道坡度較緩，增建量水槽后造成阻水降低渠道過水能力的困擾。因此，2014到2015年在山東莒南縣陡山水庫灌區七支渠的斗渠測流時，設備直接裝在明渠均勻流渠段上。安裝前對各斗渠是否能發生明渠均勻流進行了勘測篩選，對測流渠段長度、寬度和渠底縱坡進行了測量，嚴格確定測井位置［4］。將原有襯砌石體拆除、改用混凝土澆筑測井并預埋角鋼及螺栓、固定玻璃鋼防護罩蓋等。

在灌區渠系圖上對每條斗渠進行了編號，將流量積算儀及璃鋼防護罩上也對應刻印相同編號，輸入各渠道的測量參數。結合2015年及2016年的農田灌溉，采用流速儀對各斗渠道進行了測流率定，取得了很好的測流效果［5］。

4　結論

筆者在明渠均勻流渠段或某些標準量水槽上，采用研制的灌區明渠水位流量積算儀，按水力學原理通過實時監測渠或槽內水深，可同步快捷將積算出渠道的瞬時流量和累積流量。儀表可同步儲存水深、瞬時流量和累積流量的數據過程并實時上傳數據。該積算儀的應用較傳統的灌區明渠測流具有測流效率高、實時性強、精度高、信息化自動化程度高等特點。

［1］阮芬，馬樹升，白俊清，等.超聲波流量計的測流原理及其應用研究［J］.山東農業大學學報：自然科學版，2006，37（1）：99-104

［2］楊紅玲，馬樹升，張加義，等.超聲波法與流速儀法在明渠測流中的比較研究［J］.山東農業大學學報：自然科學版，2008，39（2）：301-304

［3］樊銘京，馬樹升，王貴田.明渠恒定非均勻流渠道流量實時監測方法研究與探討［J］.山東農業大學學報：自然科學版，2010，41（3）：440-442

［4］馬騰遠，張慶，宋玉娟，等.灌區明渠水位流量實時監測技術研究與應用［J］.山東農業大學學報：自然科學版，2011，42（3）：411-414

［5］馬玉水，樊銘京，王愛軍，等.基于無喉道量水槽的灌區流量實時遙測系統研究與應用［J］.山東農業大學學報：自然科學版，2013，44（1）：86-89

Development and Application of Water Flow Integrator in Open Channel of Irrigated Area

LIUYu-hai1，XIEQing-hua2，FANM ing-jing3，CHENXiang-lei4，MAShu-sheng3*
1.Water Bureau ofHekou DistrictDongying City，Dongying 257200，China
2.ZaozhuangWaterConservancy Investigation and Design Institute，Zaozhuang 277800，China
3.College ofWater Conservancy and CivilEngineering/Shandong AgriculturalUniversity，Tai'an 271018，China
4.Water Bureau ofDonggang DistrictRizhao City，Rizhao 276800，China

It is one of the key techniques tomeasure thewater flow in an open channelof irrigated area for thewater-saving agriculture.This paper developed a water flow integrator in irrigated area according to the relationship of water flow in hydraulic principle.Its effect in application wasmore efficient，more real-time and more accurate than traditional one for open channel.

Irrigated area；open channel；water lever and flow；integrator

P332.3

A

1000-2324（2016）04-0565-04

2016-04-10

2016-06-03

劉玉海（1977-），男，本科，工程師，研究方向農田水利.E-mail：liuyuhai3658522@163.com

Author for correspondence.E-mail：mss@sdau.edu.cn