灌區(qū)明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

馬騰遠(yuǎn),張 慶,宋玉娟,王貴田,馬樹升

(1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇南京 210098；2.臨沂市平邑縣水利局,山東平邑 273300；3.日照市嵐山區(qū)水利局,山東 嵐山 276806；4.東營(yíng)市河口區(qū)水利局,山東東營(yíng) 257200；5.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水土學(xué)院,山東泰安 271018)

1 引言

目前國(guó)家實(shí)施的大中型灌區(qū)節(jié)水改造的重點(diǎn)是干支渠的襯砌和配套、小型農(nóng)田水利工程建設(shè)的重點(diǎn)是斗農(nóng)渠的襯砌或改為管道。基本要求是大幅減少渠系滲漏損失、從水源到田間輸配水通暢、閘閥控制靈活、灌溉計(jì)量準(zhǔn)確、土建工程美觀、監(jiān)測(cè)控制設(shè)備自動(dòng)化程度高、有相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)和管理措施等。

灌區(qū)現(xiàn)代化管理的內(nèi)容相當(dāng)廣泛,其中明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是其核心內(nèi)容之一,也是推動(dòng)計(jì)量灌溉促進(jìn)灌區(qū)節(jié)水和提高作物水分生產(chǎn)率的基礎(chǔ)條件。作者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了10多年的跟蹤和應(yīng)用研究,本文就部分應(yīng)用研究的內(nèi)容做一介紹。

2 水位流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

目前新建的灌區(qū)水位流量監(jiān)測(cè)(控制)系統(tǒng),多由一個(gè)監(jiān)控中心和多個(gè)水位流量監(jiān)控站組成。在監(jiān)控中心最基本的設(shè)備組成有工業(yè)控制機(jī)、數(shù)據(jù)采集及流量積算軟件(控制軟件)、顯示器、打印機(jī)、VGA分配器、投影機(jī)及投影屏或超薄壁掛液晶電視、交流220V供電和UPS不間斷電源,GPRS通信模塊、避雷器及接地極等。

在水位流量監(jiān)測(cè)站最基本的設(shè)備組成有水位傳感器、數(shù)顯儀表、超聲波流量計(jì)、GPRS通信模塊、直流開關(guān)電源、交流220V供電或太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、避雷器及接地極等。此外系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能:如可增加土壤水分傳感器、翻斗式量雨器、空氣溫濕度傳感器、地下水位和鹽度傳感器、閘或閥開度傳感器、電量傳感器等；還可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的閥門、水閘、水泵等開啟或關(guān)閉。監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structural of control system

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示功能

可利用安裝在渠道或灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的水位傳感器、超聲波流量計(jì)的換能器、土壤墑情傳感器等各種不同監(jiān)測(cè)功能的傳感器,將測(cè)得的各種物理量如水位、流速、土壤含水量等轉(zhuǎn)換為一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)如4-20mA或0-1V或1-5V等。該信號(hào)接入二次數(shù)顯儀表,在現(xiàn)場(chǎng)立即示了被測(cè)物理量的數(shù)值。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程控制功能

過去對(duì)于灌區(qū)干支渠閘門或斗農(nóng)渠斗農(nóng)門、管道灌溉的閥門,小型的一般由人工操作在現(xiàn)場(chǎng)人力開啟關(guān)閉；對(duì)于大型閘門、閥門、水泵一般是人工在現(xiàn)場(chǎng)操作由電力開啟關(guān)閉,這些可均稱為現(xiàn)地控制。

目前最新建設(shè)的灌區(qū)節(jié)水改造和小農(nóng)水項(xiàng)目,在監(jiān)測(cè)控制中心通過操作工業(yè)控制機(jī)鍵盤和鼠標(biāo),可遠(yuǎn)距離控制現(xiàn)場(chǎng)閘門、閥門、水泵的開啟和關(guān)閉。還可根據(jù)遠(yuǎn)程采集的相應(yīng)開度傳感器的數(shù)據(jù),得知閘門或閥門的相應(yīng)開度。

2.3 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

該系統(tǒng)可通過工業(yè)控制機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄各渠道監(jiān)測(cè)斷面的水位、流速、瞬時(shí)流量和累積流量。也可根據(jù)需要增設(shè)相應(yīng)傳感器,監(jiān)測(cè)土壤墑情、降雨量、地下水位及礦化度、水泵電機(jī)的三相電壓、三相電流、功率、耗電量等。整個(gè)運(yùn)行過程可實(shí)現(xiàn)無人值守。

2.4 管理功能

系統(tǒng)軟件可以動(dòng)畫模擬灌溉生產(chǎn)工藝,并對(duì)接收到的各種數(shù)據(jù)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、自動(dòng)生成各種生產(chǎn)報(bào)表等?？蓪?duì)歷史數(shù)據(jù)和報(bào)表進(jìn)行備份、查詢、記錄和打印等。對(duì)中心站工業(yè)控制機(jī)設(shè)置IP地址后,還可作為服務(wù)器在異地進(jìn)行網(wǎng)上查閱、數(shù)據(jù)共享等,大幅提升灌溉管理水平。

3 系統(tǒng)工作原理

3.1 軟件技術(shù)

軟件系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)為Window s XP,采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。采用C和JAVA編程,由主控窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略五部分組成,開放式體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化接口,采用群件技術(shù)和Web技術(shù)相結(jié)合,同時(shí)提供B/S和C/S兩種應(yīng)用模式。真正的32位程序,支持多任務(wù)、多線程、多用戶。以保證多用戶系統(tǒng),并能在Web上發(fā)布實(shí)時(shí)信息。水力判別及流量積算軟件的編制,依據(jù)于水工模型實(shí)驗(yàn)室水力學(xué)率定的水工建筑物尺寸、流態(tài)、過流糙率、流量系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的流量積算公式,系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集水位數(shù)據(jù)或流速數(shù)據(jù)并同步積算瞬時(shí)流量和累積流量。

系統(tǒng)應(yīng)有全新的Active X動(dòng)畫構(gòu)件,可制作和顯示動(dòng)畫界面；具有方便的報(bào)警設(shè)置和豐富的報(bào)警類型；具有網(wǎng)絡(luò)功能,支持 TCP/IP、Modem、485/422/232,以及具有各種無線網(wǎng)絡(luò)、無線電臺(tái)、無線網(wǎng)橋、GPRS/CDMA等多種網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)還具擴(kuò)展功能,可利用現(xiàn)場(chǎng)PLC對(duì)閘門、閥門和水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉控制；系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的報(bào)表功能,可生成和打印各種日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。

3.2 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

本系統(tǒng)的遙測(cè)遙控是通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的,數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與GPRS模塊連接,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心工業(yè)控制機(jī)與中心GPRS模塊連接。終端GPRS模塊通過虛擬專用網(wǎng)將現(xiàn)場(chǎng)信息發(fā)送到運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器,服務(wù)器處理后通過虛擬專用網(wǎng)再將信息發(fā)送到中心GPRS模塊。這樣,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心無須采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接,便可接收現(xiàn)場(chǎng)GPRS模塊的數(shù)據(jù)。GPRS移動(dòng)用戶可以隨時(shí)訪問自己的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN),而不是每次都需要撥號(hào)上網(wǎng)。

GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議,可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”的連接,網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。GPRS數(shù)據(jù)通信是基于數(shù)據(jù)分組傳送的,它能提供連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù),并始終在線,通信費(fèi)用是按照實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行結(jié)算的,運(yùn)行費(fèi)用低。它不受地域限制,是一種經(jīng)濟(jì)便捷的通信方式,可以實(shí)現(xiàn)靈活的信息網(wǎng)絡(luò)傳輸。

4 系統(tǒng)硬件配置

4.1 水位傳感器及數(shù)顯儀表

水位傳感器的作用是用來量測(cè)渠道水深的。因量測(cè)原理不同有浮子式水位傳感器、超聲波水位傳感器、壓力式水位傳感器等。

浮子式水位傳感器是以浮子感測(cè)水位變化。工作狀態(tài)下,浮子、平衡錘與懸索連接牢固,懸索懸掛在水位輪的“V”形槽中。平衡錘起拉緊懸索和平衡作用,調(diào)整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水線上。在水位不變的情況下,浮子與平衡錘兩邊的力是平衡的。當(dāng)水位上升時(shí),浮子產(chǎn)生向上浮力,使平衡錘拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),相應(yīng)水位傳感器的顯示讀數(shù)增加；當(dāng)水位下降時(shí),則浮子下沉,拉動(dòng)懸索帶動(dòng)水位輪逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),相應(yīng)水位傳感器的顯示器讀數(shù)減小。該水位傳感器的顯示器上一般配置RS485通信輸出接口。

超聲波水位傳感器是通過測(cè)得換能器底面到水面的距離,再換算出渠道的水深。高頻脈沖聲波由換能器發(fā)出,遇被測(cè)物體(水面)表面被反射,折回的反射回波被同一換能器接收,轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(一般為4～20mA/1～5VDC)。脈沖發(fā)送和接收之間的時(shí)間(即聲波的運(yùn)動(dòng)時(shí)間)與換能器到水面的距離成正比,聲波傳輸?shù)木嚯xS與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示:S=C*T/2。

壓力式水位傳感器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理,采用國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器,將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(一般為4～20mA/1～5VDC)。

超聲波水位傳感器和壓力式水位傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),再接到一臺(tái)具有標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸入接口和RS485通信輸出接口的數(shù)顯儀表。該數(shù)顯儀表具有多種信號(hào)輸入和232或485通信輸出功能?？稍诰€修改顯示量程、變送輸出范圍、報(bào)警值及報(bào)警方式等。

4.2 明渠超聲波流量計(jì)

4.2.1 明渠超聲波流量計(jì)測(cè)流原理 用超聲波來測(cè)量流體的流量實(shí)質(zhì)上是測(cè)量流體的流速。根據(jù)不同的原理有時(shí)差法、多普勒法、聲束偏位法和聽音法,目前用得較多的是時(shí)差法。

當(dāng)流體流速向量與聲波方向平行時(shí),聲波的波速將發(fā)生變化,即當(dāng)聲波向下游傳播時(shí)波速增加,聲波向上游傳播時(shí)波速降低。在明渠中,一定高程和厚度的流體平均流速是通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)換能器之間傳播的歷時(shí)差來確定的(時(shí)差法)。

用于明渠流量監(jiān)測(cè)的超聲波流量計(jì)主要由多個(gè)測(cè)速換能器(由聲道數(shù)決定)、一個(gè)測(cè)水位換能器和二次顯示儀表所組成,既測(cè)流速又測(cè)水位。它是由渠底到水面沿水深自下而上分層測(cè)出各層的流速,再根據(jù)各層流速構(gòu)成的流速分布曲線進(jìn)行積分求出過水?dāng)嗝嫔系钠骄魉?。由超聲波水位?jì)精確測(cè)出的水深和斷面的幾何尺寸便求得明渠過水?dāng)嗝娴臄?shù)值。有了平均流速和過水?dāng)嗝婕纯汕蟪鏊矔r(shí)流量,再按一定時(shí)間對(duì)瞬時(shí)流量累積可得過流總量。測(cè)流原理如下圖所示。

圖2 超聲波測(cè)量流速原理圖Fig.2 Schematic diagram of flow velocity measurement using ultrasonic wave

4.2.2 明渠超聲波流量計(jì)安裝 時(shí)差法明渠超聲波流量計(jì)的安裝,應(yīng)選擇在渠段平直、水流均勻、無漩渦回流的渠段,平直段長(zhǎng)度應(yīng)滿足測(cè)試規(guī)范的要求(大于20倍水面寬度。),斷面與水流方向垂直。換能器由渠底往上分層、成對(duì)錯(cuò)開一定距離(與水流成45～65度角)安裝在兩側(cè)渠壁上。以下是日照水庫(kù)灌區(qū)馬家?guī)X、昌樂高崖水庫(kù)灌區(qū)徐家廟安裝示意圖如下。

圖3 明渠超聲波流量計(jì)安裝示意圖Fig.3 Sketch of open channel ultrasonic flow meter mounting

5 結(jié)語(yǔ)

作者近年來結(jié)合山東省大中型灌區(qū)節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施,先后在日照水庫(kù)灌區(qū)、昌樂高崖水庫(kù)灌區(qū)、寧陽(yáng)罡城壩引河灌區(qū)、平陰田山引黃灌區(qū)進(jìn)行了明渠水位流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究,對(duì)于推動(dòng)灌區(qū)自動(dòng)化測(cè)水量水起了很好的引領(lǐng)示范作用,研究成果曾獲得2004年度山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)?？梢灶A(yù)見,隨著國(guó)家對(duì)水利投入的持續(xù)加大和小型農(nóng)田水利建設(shè)的普遍展開,明渠水位流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)有快速的大發(fā)展。

[1] 馬樹升等,水庫(kù)灌區(qū)自動(dòng)化測(cè)水量水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究報(bào)告,2004

[2] 馬樹升等,村鎮(zhèn)供水系統(tǒng)遙測(cè)遙控及監(jiān)視圖像無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)應(yīng)用研究報(bào)告,2009

[3] 馬樹升等,灌區(qū)水情無線數(shù)傳實(shí)時(shí)監(jiān)控的內(nèi)容與方法,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2003,34(1):91-95

[4] 楊紅玲等,超聲波法與流速儀法在明渠測(cè)流中的比較研究,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2008,39(2)

[5] 樊銘京等,明渠恒定非均勻流渠道流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法研究與探討,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2010,41(3):440-442