渠道斷面自動測流系統(tǒng)在位山灌區(qū)測水量水中的應(yīng)用

袁明霞，王愛蘋

(位山灌區(qū)管理服務(wù)中心，山東 聊城 25200)

0 引 言

位山灌區(qū)是黃河中下游和山東省最大的引黃灌區(qū)，是聊城引進(jìn)與配置黃河水資源的主要灌溉工程，現(xiàn)渠首設(shè)計(jì)引水流量240m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積36萬hm2。

1 位山灌區(qū)測流現(xiàn)狀

近年來位，山灌區(qū)大部分測站主要采用的是EKL-3A型全自動纜道測流系統(tǒng)。全自動纜道測流系統(tǒng)在灌區(qū)雖然成功應(yīng)用，但因纜道式測流系統(tǒng)是建立在復(fù)雜的空間中，系統(tǒng)在測量過程受外界因素影響大，自動性差[2]，與灌區(qū)的自動化測水量水設(shè)施建設(shè)預(yù)期效果相差很遠(yuǎn)。所以灌區(qū)為進(jìn)一步改進(jìn)測水量水設(shè)施，優(yōu)化配置供水，2019年新引進(jìn)了渠道斷面自動測流系統(tǒng)[1]。

2 渠道自動測流系統(tǒng)的概況(構(gòu)架及功能、應(yīng)用范圍、垂線設(shè)置)

渠道斷面自動測流系統(tǒng)是一種綜合性的測量控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)以自動化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)渠道斷面水文數(shù)據(jù)的自動測流，是一種簡單快捷操作簡便的自動測流系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架及功能

渠道斷面自動測流車系統(tǒng)包括上位機(jī)、測流車、測流軌道、測流房四部分。測流房建在測流渠道合適的一側(cè)，在測流渠道斷面上修建一座鋼構(gòu)測橋,在測橋上游側(cè)鋪設(shè)兩條平行軌道,軌道一端鋪設(shè)到測流房內(nèi)，測流車放置于測流房內(nèi)的軌道上[2]。

上位機(jī)控制軟件可遠(yuǎn)程控制監(jiān)控整個(gè)測流過程，并具備動態(tài)仿真功能，可動畫仿真整個(gè)測流過程。

測流車采用模塊化設(shè)計(jì)，具有本地操作和遠(yuǎn)程操作功能。

系統(tǒng)具有自動采集水位、分層流速，自動測量水深、泥位功能，同時(shí)還具有根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動計(jì)算斷面面積計(jì)和斷面流量，并能自動生成數(shù)據(jù)報(bào)表功能。系統(tǒng)自動程度高，可預(yù)定測流時(shí)間，操作簡單明了，整個(gè)測流過程中，可無需人員值守。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用范圍

渠道斷面自動測流系統(tǒng)適用于渠道寬度100m以下，渠道深度10m以下，設(shè)計(jì)流速3m/s以下的渠道斷面。

2.3 垂線設(shè)置

以位山灌區(qū)三干渠周店為例，根據(jù)渠道實(shí)際情況設(shè)置了7條測量垂線，共有六個(gè)測量區(qū)間，在軌道上根據(jù)設(shè)置的垂線條數(shù)標(biāo)識出其位置,并在每個(gè)垂線處安裝上標(biāo)識器(圖1所示)。以后,可根據(jù)需要加密或減少測量垂線。

3 測量原理

點(diǎn)擊啟動鍵測流時(shí),測流車啟動開啟卷簾門，測流車沿軌道前行,測流車運(yùn)行出測流房后，觸碰到測量垂線標(biāo)識器時(shí),測流車停止前行，開始測量，自動下放儀器至渠底，測量水深及淤積深度，并及時(shí)反饋測量數(shù)據(jù)及測量狀態(tài)。依據(jù)測點(diǎn)水位和水深數(shù)據(jù)自動判斷用幾點(diǎn)法進(jìn)行測流，并自動算出高度預(yù)減值，根據(jù)高度預(yù)減值，儀器下放到一定的距離時(shí)自動減速，緩慢運(yùn)行到到固定深度進(jìn)行單點(diǎn)測量,測量完成后回收儀器,測流車?yán)^續(xù)前行至下一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測流，以此類推，待測流車對所有測點(diǎn)測量完成后，測流車返回至原點(diǎn)，返回原點(diǎn)后依據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出斷面流量，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端，卷簾門關(guān)閉，整個(gè)測流流程結(jié)束。

圖1 渠道斷面自動測流系統(tǒng)示意圖

4 系統(tǒng)操作

系統(tǒng)操作分本地操作和遠(yuǎn)程操作，本地操作和遠(yuǎn)程操作都有自動運(yùn)行模式和手動運(yùn)行模式兩種操作方式。本地操作是在現(xiàn)場通過測流車啟動鍵和液晶觸摸屏功能鍵進(jìn)行測量操作控制，遠(yuǎn)程操作是通過上位機(jī)軟件進(jìn)行測量操作控制。無論是遠(yuǎn)程操作還是本地操作，無論是自動模式還是手動模式，只要處于測量狀態(tài)，其測流的整個(gè)過程都以動態(tài)的形式顯示在測流主界面上。

5 自動測流系統(tǒng)的應(yīng)用效果

5.1 直觀明了，為掌握渠道斷面流量、淤積和泥沙運(yùn)行等情況提供了動態(tài)數(shù)據(jù)

以往使用的EKL-3A型全自動纜道測流系統(tǒng)，在測量過程中，雖然也能觀察到儀器運(yùn)行狀態(tài)、測流垂線的條數(shù)及渠道淤積情況，但系統(tǒng)不能自動計(jì)算出淤積深度，也不能觀察到實(shí)時(shí)平均流速。測流車測流系統(tǒng)，在測流過程中，可自動計(jì)算出淤積厚度，實(shí)時(shí)平均泥位數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)平均流速數(shù)據(jù)以曲線圖的形式顯示在測流主界面上，為掌握渠道斷面流量、淤積等情況提供了動態(tài)數(shù)據(jù)。

5.2 系統(tǒng)操作簡單、降低了勞動強(qiáng)度 、縮短測流了時(shí)間，提高了工作效率

EKL-3A型全自動纜道測流系統(tǒng)受外界因素影響大，操作較復(fù)雜，測流時(shí)間較長，測流條件差，每次測流時(shí)需至少2-3人，并且測流人員需到野外測流房去進(jìn)行測流。

該系統(tǒng)的應(yīng)用，整個(gè)測流過程可足不出戶，在測站的上位機(jī)軟件上一人操作便可完成，操作簡單，也可預(yù)定自動測流時(shí)間，全程可無需人員干預(yù)，大大降低了勞動強(qiáng)度、 節(jié)約勞動成本，改善了測流條件，縮短了測流時(shí)間，提高了工作效率。

5.3 系統(tǒng)自動性強(qiáng)，避免了人為因數(shù)帶來的誤差，提高了測量精度。

由于纜道式測流系統(tǒng)自動性差，每次測流時(shí)，都需要人工設(shè)置參數(shù)，需要測流人員將起始距距離及觀測到水位數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，才能進(jìn)行測流，數(shù)據(jù)誤差比較大。而渠道斷面自動測流系統(tǒng)能夠自動采集水位等數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動計(jì)算出斷面流量，整個(gè)測流過程無需人工干預(yù)，避免了人為因素帶來的誤差，提高了測量精度。

5.4 測流數(shù)據(jù)對比分析

以三干渠周店站為例進(jìn)行自動和手動測流結(jié)果對比(見附表)，其測流數(shù)據(jù)是在相同條件下采集得到。通過計(jì)算得ε1=0.45 %，

ε2=49%。通過自動和手動測流對比，測流數(shù)據(jù)偏離程度很小，系統(tǒng)誤差在 l%范圍內(nèi)，流量誤差符合《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》的要求。

測流車流量測流數(shù)據(jù)對比，如表1所示。

表1 測流車流量測流數(shù)據(jù)對比

續(xù)表1 測流車流量測流數(shù)據(jù)對比

6 對該系統(tǒng)提出優(yōu)化建議

6.1 將小車觸碰感應(yīng)改進(jìn)為距離感應(yīng)

根據(jù)渠道斷面，設(shè)置完垂線后，需要在軌道上安裝相應(yīng)的標(biāo)識器，若需增減垂線條數(shù)，需要將原來的標(biāo)識器拆下來，重新安裝。而軌道是架設(shè)在渠道斷面上，改變標(biāo)識器位置存在一定的危險(xiǎn)性。如果能將小車觸碰感應(yīng)到標(biāo)識器進(jìn)行測流，改進(jìn)為距離感應(yīng)測流，即設(shè)置好垂線后，只需量出垂線到小車感應(yīng)器的距離，小車按設(shè)置好垂線距離自動感應(yīng)并運(yùn)行到各垂線進(jìn)行測流，這樣可免去增減測流垂線時(shí)，拆裝標(biāo)識器帶來的麻煩，同時(shí)為增減垂線提供方便。

6.2 提高測流系統(tǒng)的兼容性

位山灌區(qū)各個(gè)測流站實(shí)測數(shù)據(jù)的錄入都是通過e平臺來完成的，由于自動測流系統(tǒng)與灌區(qū)e平臺是相互獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，每次測流完都需要測流人員再將測流數(shù)據(jù)一一錄入到到灌區(qū)e平臺，如若自動測流系統(tǒng)與灌區(qū)e平臺兼容 ，實(shí)現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)自動傳輸 ，會進(jìn)一步提高測水量水工作效率。

6.3 增加防凍裝置，解決冬季測流問題

冬季，流速儀旋轉(zhuǎn)部件入水后收回過程中有結(jié)冰現(xiàn)象，致使測流工作不能正常進(jìn)行。如果能增加流速儀防凍裝置，減少流速儀在回收過程中的結(jié)冰現(xiàn)象，將使冬季測流工作順利進(jìn)行。

7 結(jié) 語

渠道自動測流系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了勞動強(qiáng)度，減少了勞動成本，改善了工作條件，縮短了測流時(shí)間，提高了工作效率和測量精度，應(yīng)用效果良好。現(xiàn)已在位山灌區(qū)其他各個(gè)測流站點(diǎn)推廣應(yīng)用。