通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

劉長(zhǎng)志

(臺(tái)安縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114100)

1 概況

通江子灌區(qū)位于臺(tái)安縣東北部，處于遼河流域下游。其范圍包括西佛鎮(zhèn)的小紅旗、古家子、姜荒、雙廟子、紅廟子、東佛以及達(dá)牛鎮(zhèn)的金家窩堡、大于家、大姜家、大田家等村。灌區(qū)全域總面積為11.10萬(wàn)畝，其中耕地面積占6.01萬(wàn)畝，耕地中原規(guī)劃灌溉面積為5.50萬(wàn)畝，現(xiàn)實(shí)際灌溉面積為5.10萬(wàn)畝。灌區(qū)主體工程大多于20世紀(jì)80年代建設(shè)而成，受到當(dāng)時(shí)施工條件、資金等因素的限制，工程建設(shè)水平較低，無(wú)法滿足現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，致使渠系建筑物不能得到有效維護(hù)和及時(shí)更新，即無(wú)法保證正常灌溉，使得有效灌溉面積和實(shí)際灌溉面積不斷縮減。

2 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循技術(shù)領(lǐng)先、性能穩(wěn)定的原則，綜合考慮工程維護(hù)及施工中的各方面因素，為今后的改擴(kuò)建留有擴(kuò)充余地。因此，本系統(tǒng)采用時(shí)差法超聲波明渠計(jì)量，以保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的完整性和全面性[1]。

2.1 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合灌區(qū)雨情、水情、農(nóng)作物生長(zhǎng)等實(shí)際條件，從安全用水要求、灌區(qū)信息管理等方面入手，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，建立灌區(qū)信息化保障體系，開(kāi)發(fā)并合理利用灌區(qū)信息資源，使用精度較高、穩(wěn)定性較好的設(shè)備開(kāi)展信息采集、傳輸及處理工作，盡可能地提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和時(shí)效性，并能及時(shí)、有效地反饋信息，以發(fā)揮預(yù)測(cè)相關(guān)信息的功能，從而提高灌區(qū)管理效率，打造灌區(qū)科學(xué)、高效運(yùn)營(yíng)新模式[2]。通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建設(shè)主要內(nèi)容包括泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、閘門(mén)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、渠道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控中心建設(shè)4個(gè)部分。

(1)泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：主要監(jiān)測(cè)排灌站軸流泵的運(yùn)行狀態(tài)，如功率、電壓等方面的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)泵站的前池、后池水位。

(2)閘門(mén)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：主要監(jiān)測(cè)一支、二支進(jìn)水閘的運(yùn)行狀態(tài)，如閘門(mén)開(kāi)度、閘前水位等方面的監(jiān)測(cè)。

(3)渠道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：分別監(jiān)測(cè)排灌站后、一支進(jìn)水閘后、二支進(jìn)水閘后渠道的水位、流量監(jiān)測(cè)。

(4)監(jiān)控中心建設(shè)。監(jiān)控中心利用建設(shè)完成的監(jiān)控云服務(wù)平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集和成果展示。

2.2 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的應(yīng)用研究

2.2.1泵站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)采用RTU為核心采集的現(xiàn)地監(jiān)控單元，主要實(shí)現(xiàn)采集、監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)的功能。根據(jù)通江子排灌站實(shí)際需求，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5臺(tái)通江子排灌站軸流泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，如：功率、電壓等，監(jiān)測(cè)泵站的前池、后池水位，并把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。應(yīng)保證所選設(shè)備滿足高質(zhì)量的要求，以防出現(xiàn)因單個(gè)元件損壞而致使系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象發(fā)生[3]。

2.2.2閘門(mén)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

閘門(mén)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)一支進(jìn)水閘、二支進(jìn)水閘的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。進(jìn)水閘閘門(mén)尺寸均為0.8m×1m(寬×高)，單吊點(diǎn)配置。

本系統(tǒng)設(shè)置的主要目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)，如開(kāi)度和閘前水位。在每個(gè)閘位安裝閘門(mén)開(kāi)度傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閘門(mén)的開(kāi)啟高度，利用磁致伸縮液位計(jì)采集閘前水位，并通過(guò)遙測(cè)終端采集單元、無(wú)線通訊控制單元將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而保證管理部門(mén)對(duì)閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄，通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析判斷閘門(mén)是否安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

2.2.3渠道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)工作原理

渠道流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)灌區(qū)支斗渠道進(jìn)行水量計(jì)量及傳輸[2]。一般會(huì)采用流速與水位雙計(jì)量的方式，即用水位流量關(guān)系曲線方式或者流量面積法計(jì)量水量，再經(jīng)過(guò)相互核準(zhǔn)后，確保所得數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性[5]。流速測(cè)量的方法為超聲波“時(shí)差法”，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為保證測(cè)量精度，應(yīng)多層布設(shè)。

(2)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及組成

流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由流速傳感器、水位傳感器、流量計(jì)主機(jī)、GPRS通訊模塊、監(jiān)控管理軟件及服務(wù)器組成，流量計(jì)內(nèi)置鋰電池供電[6]。

(3)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)流量監(jiān)測(cè)采用流速面積關(guān)系法，需要測(cè)量過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e和斷面流速指標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算流量。依照測(cè)量方法，該系統(tǒng)的精度較高，且不易受下游頂托水的影響。

流量監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備構(gòu)成有超聲波流量計(jì)、太陽(yáng)能板、GPRS模塊[7]。通常系統(tǒng)默認(rèn)工作模式為自報(bào)式，主要是利用GPRS通訊模塊采集并導(dǎo)出數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。

(4)測(cè)流方案

超聲波流量計(jì)的應(yīng)用采取速度面積測(cè)量法，用流體的平均流速乘以渠道的橫截面積即可得到流經(jīng)渠道的流量[8]。根據(jù)相關(guān)公式推算出流速，再通過(guò)超聲波液位計(jì)測(cè)量的液位與渠道幾何形狀計(jì)算出流體流經(jīng)的橫截面積，儀表采集流速和面積參數(shù)后，計(jì)算并顯示流量的各項(xiàng)參數(shù)，也可通過(guò)遠(yuǎn)傳模組將流量參數(shù)上報(bào)到數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和記錄，可以廣泛應(yīng)用于明渠、涵洞、閘室等水流計(jì)量，見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

(5)數(shù)據(jù)傳輸方案

超聲波明渠流量計(jì)具有GPRS遠(yuǎn)傳模組，可將各種傳感數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和記錄[9]。供電主要方式為太陽(yáng)能板浮充蓄電池，按平均每年用水時(shí)間6個(gè)月計(jì)算，用水期每小時(shí)上報(bào)一次數(shù)據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)能板的功率選擇40W，電池選擇12V65AH的膠體電池。

(6)安裝方案

渠道流量監(jiān)測(cè)分為通江子排灌站下游流量監(jiān)測(cè)和一支進(jìn)水閘門(mén)和二支進(jìn)水閘門(mén)下游流量監(jiān)測(cè)兩部分。一是泵后流量監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面為混凝土倒梯形斷面，由于監(jiān)測(cè)斷面較寬，設(shè)備不宜安裝在混凝土預(yù)制件上，需在斷面一側(cè)開(kāi)挖基礎(chǔ)，架設(shè)電桿，流量計(jì)安裝在電桿支架上。二是閘后流量監(jiān)測(cè)。本監(jiān)測(cè)斷面為混凝土斷面，一支閘門(mén)下游渠道尺寸為1m×1m(寬×高)，二支閘門(mén)下游渠道尺寸為1.3m×1.2m(寬×高)。由于監(jiān)測(cè)斷面較窄，宜在監(jiān)測(cè)斷面上埋設(shè)混凝土預(yù)制件，并把流量計(jì)安裝在預(yù)制件上。

2.2.4監(jiān)控中心建設(shè)

利用現(xiàn)有灌區(qū)監(jiān)控中心的監(jiān)控云服務(wù)軟件平臺(tái)，設(shè)置專用接口程序，將系統(tǒng)中采集的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)接口軟件程序錄入到軟件平臺(tái)中，為灌區(qū)后臺(tái)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在監(jiān)控中心軟件平臺(tái)中可實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中；

(2)統(tǒng)計(jì)出各用水戶的用水流量及用水量，并用報(bào)表形式匯總呈現(xiàn)；

(3)統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析各用水戶用水量；

(4)制作相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表；

(5)顯示泵、閘的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

3 效果分析

本系統(tǒng)是為通江子灌區(qū)設(shè)計(jì)研發(fā)的，系統(tǒng)實(shí)施后，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)了量水?dāng)?shù)據(jù)采集、傳輸以及分析自動(dòng)化技術(shù)，落實(shí)了閘門(mén)配水自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制體系和信息網(wǎng)絡(luò)化管理模式，對(duì)節(jié)約灌區(qū)水量、提高灌溉效率、優(yōu)化灌溉用水配置具有重要意義[10]。此外，該系統(tǒng)的實(shí)施可以減輕灌區(qū)工作人員的壓力，優(yōu)化灌區(qū)管理模式及相關(guān)設(shè)施，加快實(shí)現(xiàn)灌區(qū)信息化、現(xiàn)代化管理。通過(guò)實(shí)踐證明，實(shí)施本系統(tǒng)后可達(dá)到以下效果：

(1)根據(jù)灌區(qū)制定的用水計(jì)劃與水量調(diào)配的改進(jìn)措施，調(diào)節(jié)渠道用水量，保障輸水渠道和田間供水；

(2)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水量，并按設(shè)定模式計(jì)算出灌溉效率，進(jìn)一步指導(dǎo)灌區(qū)用水工作；

(3)結(jié)合灌區(qū)相關(guān)墑情系統(tǒng)，完善水量供需數(shù)據(jù)，根據(jù)變化及時(shí)做出修正，指導(dǎo)完成供水和配水方案;

(4)采用數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析自動(dòng)化技術(shù)，節(jié)約測(cè)量時(shí)間和成本；

(5)高效完成相關(guān)統(tǒng)計(jì)匯總工作，形成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，以便為管理者提供科學(xué)決策依據(jù)；

(6)記錄完整的配水狀況，為用水戶提供高效、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通江子灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)灌區(qū)水量控制、優(yōu)化水資源配置及改進(jìn)灌區(qū)傳統(tǒng)管理模式具有重要作用，且已取得明顯效果。今后，應(yīng)注重灌區(qū)量水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，鼓勵(lì)相關(guān)科研人員加強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)的研究與推廣力度，解決農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題，推動(dòng)現(xiàn)代水利信息化發(fā)展。