由測流方式的轉變淺談引黃灌區信息化發展

鮑建平，王 瑞，張海霞，王 力

（濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600）

1 小開河引黃灌區簡介

山東省濱州市小開河引黃灌區位于黃河下游左岸，為國家大（2）型引黃灌區，縱貫濱州市中部，是濱州市重要水源。小開河干渠設計流量60 m3/s，加大流量85 m3/s，設計灌溉面積7.3萬hm2。灌區自1993年開工建設，1998年建成運行；干渠全長94.2 km，包括輸沙渠51.3 km、沉沙池4.16 km、輸水渠38.7 km；干渠配套建筑物178 座。小開河上游輸沙干渠采用大比降遠距離輸沙技術，干渠比降為1/5500～1/6800，渠道底寬16～24 m，邊坡系數為1∶1.75，上游設計水位2.35 m，設計流速1.0～1.39 m/s，整體為窄深式梯形斷面結構。

2 小開河灌區渠道測流發展歷程

小開河灌區運行24 a年來，已累計引用黃河水超過50 億m3。目前，用水區域和單位主要有濱城區、惠民縣、陽信縣、沾化區、無棣縣、北海新區、西海水務公司、北海水務公司等。灌區渠道長，跨越縣區多，流量計量到支渠為止，水費收取到縣區。為實現自動測流、精準計量，灌區在渠道測流方面進行了諸多探索，最終實現了從人工測流到自動化測流的轉變。截至2021年底，灌區共有干渠自動化測流點14處，水庫自動化測點4 處，支渠自動化測點83 處；各測點均建設了標準斷面，根據不同情況，分別架設了智能測流車，安裝了流量計或閘前閘后水位計等相關測流設施。

2.1 人工測流階段

1999—2004年，主要采用人工測流方式即流速儀+鉛魚+測繩的測流方式，流速儀型號采用重慶產LS25-A 型，顯示器為ZLS-3直讀流速顯示器。人工測流缺點較多，主要有：①該型號流速儀旋漿螺絲套與身架密閉不嚴，容易被泥沙堵塞，影響轉速，導致測流不準確；②顯示器體積較大，不易攜帶，且用接線柱連接線路，程序繁瑣，不易操作；③測流鉛魚較重，因灌區為大比降遠距離輸沙渠道，流速較大，上游測點鉛魚配重達15 kg 以上，人員勞動強度大，耗費時間長，且受天氣和測點交通狀況影響較大。人工測流的優點是能隨時摸清測流點淤積狀況，測流數據較準確。

2.2 多普勒量測階段

自2004年起，小開河灌區嘗試引入自動化測流儀器，首先應用的是超聲波多普勒測流設備。多普勒測流利用顆粒反射原理，根據頻率差求得流速，進而求得流量。灌區投資超230 萬元建成寬帶聲學多普勒自動化測流系統，設備采用美國RDI 公司生產的第三代寬帶多普勒H-ADCP。該設備有300、600、1200 kHz 3種頻率，配有超聲波水位計、壓力水位計、測量傾斜角度傾斜計，有效量程分別為190、90、30 m。考慮渠首站的泥沙含量比較高，選用了600 kHz的儀器；其余2個站位于灌區的中游和下游，泥沙含量相對較低，選用了1200 kHz的儀器。系統采用寬帶技術，在水平方向可達128個測量單元[1]。

該系統通過數傳電臺接收到自動化測流數據后，能夠顯示每個測點的流速、水位、流量等信息，在辦公室就能對渠道引水情況進行掌控。同時，該系統將所有接收的數據寫入數據庫，既積累了資料，又方便以后查詢。

多普勒測流儀的優點是設備集水位、流速測量于一體，解決了水位計、流速儀分設問題，但缺點也較突出。例如，多普勒測流儀對泥沙含量比較敏感，泥沙含量較高時測流儀穿透距離僅有渠道斷面的1/3 至1/2，嚴重影響測流準確度，誤差較大，甚至有時出現錯誤，顯示數據匪夷所思；多普勒測流儀無法對渠道淤積進行監測，反映不出淤積變化對渠道測流斷面的影響，經常需要人工測量淤積情況；多普勒測流儀安裝高度約80 cm，當淤積深度達到80 cm 以上時，測流儀探頭位于淤積面以下，便無法應用；多普勒測流儀核心技術均在美國，遇到故障后僅靠灌區工作人員往往難以排除，設備的后期維護、維修費用高，維修時間長。基于多普勒測流儀應用效果較差，設備在2007年發生故障后，未再繼續維修運行。

2.3 軌道式智能測流車測流階段

經過不斷探索，自2011年開始小開河灌區與交通運輸部天津水運工程科學研究所聯合研制軌道式智能化測流車，經多年完善和改進后逐漸成熟，至2018年干渠沿線共安裝了6 臺軌道式智能測流車，基本能夠代替人工，自動完成流量測算工作，并實現測流數據自動上傳。

智能測流車是綜合性的測量控制系統，自動采集垂線水位、分層流速、水深等數據，通過分部流速面積法計算斷面流量，整個測量過程無需人的參與，測量完成后自動將測量數據和計算的流量數據上傳到上位機控制軟件[2]。在測流橋上增設2 條平行軌道，軌道上根據渠道斷面寬度確定測量垂線位置及個數。啟動測量時，測流車自動運行，根據水深自動判斷該垂線測點數量及測點位置。流速儀到達預定深度后進行流速測量，測量完成后自動行至下一個垂線進行測量。最后，測流車自動計算斷面總流量，通過4G 模塊將數據傳輸至灌區信息化平臺，如圖1所示。

圖1 軌道式智能測流系統示意

測流車的流速儀前期采用超聲波流速儀，但因黃河水含沙量影響太大，后換用旋漿式流速儀，準確可靠。測流車的運用，大大提高了灌區的科技含量，也節省了大量人工，提高了工作效率。軌道式智能化測流車優點如下：①測流車小巧靈活，基建投資小。自重不足100 kg，可借用已有測流橋加裝測流軌道，投資省。②自動化程度高，可真正實現無人值守。測流車可通過現場遙控器或者計算機遠程控制，實時準確自動測量水位、水深，根據水深自動判斷流速測量方法，自動測算斷面流量，繪制斷面流速分布圖，數據通過網絡自動傳輸到各測點所屬管理所，實現自動測報和信息共享。在中心站點或遠程客戶端可以查看實時數據和歷史數據。測流車可自動打開和關閉測流房房門，自動充電待機。③模塊化設計，維護方便。測流車內設備模塊化設計，出現故障，可單模塊拆卸更換，維護方便快捷。④軟件友好，可修正測繩傾斜誤差，流程規范。同時，軌道式智能化測流車也有如下缺點：①測流采用傳統旋漿式測流儀，測流時間長；②軟件操作系統還需進行升級完善；③小車運行速度及測流速度還有進一步開發的空間。

3 灌區信息化建設情況

小開河灌區測流技術的不斷進步，促進了灌區信息化的高速發展，截至2021年灌區在信息化建設方面已累計投資超3000萬元，逐漸建成了灌區信息化綜合管理平臺和工程視頻監控、軌道式智能測流、渠道水位實時監測、道路卡口電警、墑情氣象監測等系統。綜合歷年灌區信息化建設內容，主要包括以下7個方面。

3.1 專用電力及光纜

因灌區距離較長，建設初期僅在沿干渠幾處重要節點位置設立了攝像頭，供電系統為借用附近村莊民用電，利用手機卡傳輸信號，電力及信號傳輸可靠性較差；后期結合大型灌區續建配套與節水改造工程，自2014年開始逐步沿干渠架設專用光纜80 km、高壓電力15 km，安裝專用變壓器15臺，為信息化建設打下了良好基礎。

3.2 軌道式智能測流車系統

目前，灌區已安裝軌道式自動測流車系統6 套，測流斷面設備配置主要有軌道式智能測流車、雷達水位計、紅外數字智能球機，能夠完全實現無人值守、自動測流、自動充電和數據自動上傳。

3.3 視頻監控系統

依托灌區自身的電力及網絡系統，灌區目前已安裝視頻監控80余處，基本實現了灌區工情、水情全覆蓋。視頻監控主要設置在引黃閘、渡槽等大型建筑物，支渠進水閘、各縣區界測流橋及管理所內，采用光纜鋪設+專網VPN匯總的建設方式。主干渠按不同管理所管理范圍分段，建設了視頻專網（光纜全覆蓋），匯集點位于各管理所機房內，通過NVR 進行管理與視頻存儲。各管理所和灌區中心機房，通過電信VPN數據專線搭建了小開河視頻專網，實現了所有視頻數據的匯集與共享。部分重要站點還安裝了語音對講設備及自動識別喊話驅離設備，實現了語音廣播及自動喊話驅離、水法宣傳和遠程語音警告等功能。

3.4 水情監測系統

灌區共計建設了97 處水位監測點，分別監測干渠、重要支渠閘前閘后水位、測流橋水位以及各水庫水位。水位計型式為雷達水位計，受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風沙等環境因素的影響較小，設備運行穩定；在工作范圍內具有較高的精度（±3 mm），測量數據通過4G 傳感器上傳至灌區信息化平臺；用電量小，可用蓄電池和太陽能供電。每個測點可按照設定的時間將水位自動傳輸至灌區信息化平臺。當水位超過設定的上限數值時，系統自動發出報警提示，并發送至管理人員的手機終端，做到早發現、早處置。

3.5 閘門監控系統

灌區建設閘門監控43 處，全部為閘位計。閘位計為恒力收繩閘門開度傳感器，從內部拉出一根鋼絲繩與被測閘門直接連接，閘門提升或下降時鋼絲繩帶動與編碼器同軸的測輪旋轉，使編碼器與被測閘門同步轉動，將被測閘門的啟降轉化為編碼器軸的旋轉，輸出相應的位置信息，從而達到了監測灌區支渠閘門板的啟閉高度的目的。閘位計的測量數據通過4G通信模塊，直接發送至灌區信息化平臺。

3.6 墑情、氣象監測系統

2018年，沿干渠左右岸分散建設土壤墑情實時監測點14 處。通過土壤墑情傳感器實時監測-10、-20、-30和-40 cm 處灌區不同區域土壤的溫度和濕度變化，并在灌區分散建設了自動氣象站監測系統6 處，可實時監測區域內溫度、濕度、降雨量、風力等氣象信息，為灌區的運行管理、科學調度、科學制定灌溉用水計劃提供了數據支撐。相關設備采集數據均可自動采集，自動上傳。

3.7 軟件應用平臺

信息化管理平臺（小開河智慧灌區e 平臺）是小開河灌區信息化建設的中樞神經系統，為灌區所有信息化設備提供了數據集成場所，涵蓋了灌區管理涉及的信息采集、用水管理、水費征收、防汛抗旱、工程巡檢等多方面應用，為灌區的智慧高效管理提供了強力保障。

小開河智慧灌區e 平臺共計投資超120 萬元。該平臺是以灌區的實際工作情況和需求為基礎，結合當前最為先進的云服務技術、物聯網技術、大數據技術、地理信息技術、人工智能技術和移動應用技術，對灌區業務需求進行了深層次的挖掘和細致的梳理分析。該平臺主要分為信息采集、量水測水、水費管理、工程管理、灌區GIS一張圖、灌區可視化、行業管理等12 個模塊，57 個分項。其中，信息采集模塊的主要作用是接收、展示以及查詢灌區信息化設備監測數據，灌區工作人員可以通過PC 端或手機App 端實時查詢各監測點水情；量水測水模塊為基層管理人員根據每日測水流量數據填報；灌區GIS一張圖系統是以二、三維電子地圖為展示媒介，將灌區涉及的工程臺賬信息、灌區水情信息等各類監測信息數據賦予空間維度，進行更加形象直觀的展示，方便各級工作人員及時掌握灌區運行管理情況；灌區可視化展示系統是將灌區各類數據以圖形或圖表的形式進行統一的匯總，運用大數據分析，直觀形象地反映灌區各存在因素的發展趨勢，研判黃河水量情況，為灌區管理者科學決策提供支撐。在軟件開發后期，還加入了通過手機App巡檢的功能。

4 存在問題及建議

（1）灌區缺乏信息化后期運維經費。信息化建設資金主要來源于灌區續建配套和節水改造工程，未能單獨立項。信息化建設投資在續建配套和節水改造總投資的占比僅為3.5%，建設資金得不到保證[3]，上級部門應進一步加大投資力度，投資比重向信息化部分適當傾斜。

（2）缺乏統一技術標準。2021年新建設的83處支渠量測水系統，包括超聲波明渠流量計、電磁式明渠流量計及閘前閘后水位計3種類型，因設備較多，相關軟件平臺與灌區e平臺急需進一步融合完善。

（3）對于測量精度較低的閘口，需探索新的測量方式。部分支渠因缺少測流建筑物建設條件，采用閘前閘后水位方式，利用引水閘流量計算公式進行估算，測算精度低，后期可嘗試改用測控一體化閘門，提高測流精度。

（4）供電保證率較低。穩定的電源供給沒有覆蓋所有的信息化設備，有相當部分采用太陽能供電，受天氣影響大，需進一步加大供電設備覆蓋率，提高供電保證率。

（5）沿渠線桿易損壞。光纜沿渠道架設，曾出現人為撞毀線桿、大風等極端天氣刮斷光纜現象，導致信號傳輸發生中斷，可將架空電纜改為地埋，降低不利因素影響。

（6）部分設備老舊。由于信息化工程分年度逐年完成，時間跨度大，電子設備更新換代較快，部分攝像頭存在老化、像素低、變焦速度慢、夜視紅外功能弱等不足，需要及時更換新一代產品。

（7）缺乏專業維護人員。灌區沒有專業維護人員，有關設備發生故障時只能找原安裝廠商技術人員，但出保修期后運維費用較高，需要加大人員培訓力度，盡快構建灌區信息化管理的專業力量。

5 結語

據了解，山東省大型引黃灌區通過多年的續建配套與節水改造工程實施，灌區基礎設施已趨于完善，但多數灌區信息化建設能力尚存不足，成為灌區現代化改造的短板，這與水利部提出的“十三五”期間全面完成大型灌區信息化建設任務和以水利信息化帶動水利現代化的總體要求存在差距[4]。“十四五”期間引黃灌區的高質量發展，信息化建設必將是重中之重。依托現代化物聯網技術、3S（遙感、地理信息系統和全球定位系統）技術、云技術、大數據技術和軟件應用技術，建立起完善的灌區信息化基礎設施、功能完備的灌區業務應用系統和安全可靠的保障體系，成為未來灌區發展的目標[5]。

本文希望通過系統總結典型灌區信息化建設過程及成果，梳理存在問題，為以后引黃灌區的信息化建設提供借鑒，助力灌區逐步實現從傳統灌區到現代灌區的跨越式發展，逐步由“信息化”到“數字化”再到“現代化”，最終實現“智慧化”，推動引黃灌區的高質量發展。