全自動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)流系統(tǒng)在跨流域調(diào)水計(jì)量中的應(yīng)用

□王振興（河南省安陽水文水資源勘測(cè)局）

全自動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)流系統(tǒng)在跨流域調(diào)水計(jì)量中的應(yīng)用

□王振興（河南省安陽水文水資源勘測(cè)局）

中國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，跨流域調(diào)水已經(jīng)成為北方地區(qū)解決水資源短缺的首選方案。文章以引灤入津調(diào)水工程為例，依托互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)等，按照水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范，建立公共水量計(jì)量平臺(tái)，供雙方共同使用，實(shí)現(xiàn)無人值守遠(yuǎn)程自動(dòng)控制精準(zhǔn)測(cè)流的目標(biāo)，為跨流域調(diào)水水費(fèi)結(jié)算提供準(zhǔn)確依據(jù)，同時(shí)也為區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供技術(shù)保證。

水資源；流域；計(jì)量；應(yīng)用

1 引言

中國是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國家，平均年水資源總量28 124億m3，居世界第6位。按人均水資源量計(jì)算，為世界人均水量的1/4，世界排名第110位。由于各流域面積不同，自然地理?xiàng)l件的差異，水資源稟賦差別很大。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能，也進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾，而且還嚴(yán)重威脅到城市、農(nóng)村居民的飲水安全和健康。持續(xù)增長(zhǎng)的生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水需求與水資源相對(duì)貧乏且分布極其不均衡之間的矛盾越來越顯著。集中表現(xiàn)在黃河、海河流域嚴(yán)重缺水，用水量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出河流水資源的承載能力，水質(zhì)、水環(huán)境日益惡化；在西北干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，河流枯竭、綠洲退化、湖泊水位下降。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，為了緩解水資源緊張的情況，除了大力抓好節(jié)約和保護(hù)水資源工作外，跨流域調(diào)水已經(jīng)成為北方城市的必然選擇，跨流域調(diào)水必然帶來水資源供需關(guān)系的變化，引水計(jì)量已成為跨流域調(diào)水工程中不可或缺的一部分。

2 工程概況

引灤入津工程是解決天津市城市缺水的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略措施。引灤入津是將潘家口水庫里的灤河水，跨流域引入海河水系到天津，這是一項(xiàng)引水、輸水、蓄水、凈水、配水完整配套的大型供水工程。該工程?hào)|起河北省遷西縣的大黑汀水庫，南止天津市的西河水廠，工程全長(zhǎng)234 km，途經(jīng)河北省遷西縣、遵化市，天津薊縣、寶坻、武清、北郊區(qū)，沿途有隧洞、水庫、電站、閘涵、明渠、暗渠、倒虹吸、泵站等工程。

引灤入津隧洞工程位于灤河大黑汀水庫與黎河接官廳村之間的分水嶺地帶，全長(zhǎng)12.40 km。隧洞設(shè)計(jì)流量60 m3/s，設(shè)計(jì)水深3.92 m，相應(yīng)流速2.68 m/s；校核流量75 m3/s，校核水深4.68 m，相應(yīng)流速2.81 m/s，實(shí)際校核流量90 m3/s；隧洞設(shè)計(jì)糙率0.02，實(shí)際糙率0.01。隧洞工程設(shè)計(jì)每年調(diào)水能力為10億m3，全年通水時(shí)間210-270 d。

隧洞進(jìn)口水文站始建于1983年8月，1994年3月18日批準(zhǔn)為國家二級(jí)水文站，長(zhǎng)期擔(dān)負(fù)著引灤入津工程流量測(cè)驗(yàn)、引水計(jì)量的任務(wù)。為解決隧洞管理處水文站與大黑汀水庫管理處水文站輸水計(jì)量測(cè)流誤差問題，隧洞管理處與大黑汀水庫管理處經(jīng)過協(xié)商：為節(jié)約資源、避免工程重復(fù)建設(shè)，在隧洞進(jìn)口處建立一套公共測(cè)流平臺(tái)，供雙方共同使用監(jiān)測(cè)引水流量，作為天津市水利局和海委水費(fèi)結(jié)算依據(jù)。因此如何建設(shè)公共測(cè)流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)流是引灤入津工程水量計(jì)量的關(guān)鍵。

3 研究方法

本著公平、公正、科學(xué)的態(tài)度，以《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》為基礎(chǔ)，按照水文纜道流速儀精測(cè)法設(shè)計(jì)，依托互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)等，建立公共的測(cè)流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、無人值守的自動(dòng)化測(cè)流目標(biāo)。為提高起點(diǎn)距、水深測(cè)量精度，纜道懸索測(cè)流改為軌道運(yùn)行平臺(tái)、懸桿自動(dòng)測(cè)流裝置。起點(diǎn)距由絲杠和伺服電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)距的精確定位；水深由懸桿（齒條）、伺服電機(jī)等控制實(shí)現(xiàn)水深的精確定位。水面信號(hào)、水底信號(hào)、流速儀信號(hào)采用自動(dòng)采集有線傳輸方式，系統(tǒng)自動(dòng)讀取測(cè)流水位，在測(cè)流斷面安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無人值守、遠(yuǎn)程控制、可實(shí)時(shí)監(jiān)控的全自動(dòng)測(cè)流目標(biāo)。

4 全自動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)流系統(tǒng)的組成

4.1 機(jī)械部分

由水平運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、照明和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主要設(shè)備有絲杠、軌道、伺服電機(jī)、伺服控制器、PLC控制器、懸桿等組成。懸桿垂直安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)距的水平精確定位。垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、蝸桿和懸桿上固定的齒條組成，實(shí)現(xiàn)懸桿垂直方向移動(dòng)。信號(hào)采集系統(tǒng)位于懸桿底部，由多點(diǎn)位水面控制器和河底信號(hào)控制器和流速儀等組成。

4.2 控制部分

采用PLC控制器和伺服控制器控制測(cè)流系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，定位精確。系統(tǒng)內(nèi)部通訊采用有線傳輸方式，不存在干擾和數(shù)據(jù)丟失，安全可靠。系統(tǒng)內(nèi)部為一小型局域網(wǎng)，各個(gè)設(shè)備均分配有IP地址，內(nèi)部指令傳輸簡(jiǎn)單、迅速。所有信息通過路由器與外網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測(cè)流及數(shù)據(jù)的傳輸。在整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位設(shè)置了多重機(jī)械保護(hù)限位，確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)備的安全。

4.3 軟件部分

系統(tǒng)軟件采用C#語言編程，上位操控畫面操作簡(jiǎn)單、功能齊全。操控界面包括視頻監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量方法選擇及設(shè)置、數(shù)據(jù)測(cè)算、測(cè)算結(jié)果保存及上傳、測(cè)量實(shí)時(shí)顯示、流量記載表打印等功能。

4.4 傳感器控制部分

水面信號(hào)、河底信號(hào)、流速信號(hào)均采用信號(hào)傳感器和有線傳輸方式，由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的PLC發(fā)送到控制室PLC上，進(jìn)入終端機(jī)處理、計(jì)算。

4.5 水位讀取和控制部分

水位信號(hào)采用浮子式水位計(jì)，安裝485接口自動(dòng)讀入計(jì)算機(jī)。

5 在引灤入津調(diào)水計(jì)量中的應(yīng)用

引灤入津隧洞進(jìn)口斷面寬5.70 m、高6.25 m，為規(guī)則混凝土明渠矩形斷面，測(cè)流垂線布設(shè)簡(jiǎn)單，分別為0.85、1.85、2.85、3.85、4.85 m（渠道凈寬5.70 m）；測(cè)點(diǎn)按精測(cè)法設(shè)置，分別為0.00 h、0.20 h、0.60 h、0.80 h、1.00 h（h代表水深）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為精測(cè)法（五點(diǎn)法）測(cè)流，無需參數(shù)設(shè)置和更改。

在測(cè)流斷面安裝的球形攝像機(jī)、槍式攝像機(jī)和滿足夜間測(cè)流監(jiān)控的照明燈，開啟自動(dòng)跟蹤模式，攝像頭自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤懸桿運(yùn)行軌跡，監(jiān)控?cái)嗝鏈y(cè)流設(shè)備運(yùn)行狀況，系統(tǒng)支持夜間測(cè)流。

系統(tǒng)界面操作簡(jiǎn)單、功能齊全。具備視頻監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、測(cè)量實(shí)時(shí)顯示、測(cè)算結(jié)果保存及上傳、打印等功能。系統(tǒng)還具備儀器自動(dòng)復(fù)位功能，即系統(tǒng)測(cè)流結(jié)束自動(dòng)回到斷面起點(diǎn)，可連續(xù)測(cè)流。也可以預(yù)置時(shí)間或水位，實(shí)現(xiàn)定時(shí)或定水位自動(dòng)測(cè)流。為滿足系統(tǒng)在應(yīng)用過程中檢修、維護(hù)、更換儀器等特殊需要，系統(tǒng)具備手動(dòng)控制功能。

本測(cè)流系統(tǒng)是根據(jù)引灤入津隧洞進(jìn)口水文站的工作特性以及供、需水雙方對(duì)測(cè)流精度要求而研制的自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)，本系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)了無人值守、遠(yuǎn)程控制、可實(shí)時(shí)監(jiān)控全自動(dòng)測(cè)流的目標(biāo)。無需人為干預(yù)，測(cè)流速度快，效率高。系統(tǒng)作為公開的水量計(jì)量平臺(tái)，雙方分別在計(jì)算機(jī)上安裝客戶端軟件，即能滿足供水方和受水方遠(yuǎn)程測(cè)流的使用，達(dá)到多臺(tái)電腦遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)流的目的。系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)與伺服電機(jī)和渦輪渦桿的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了起點(diǎn)距1 mm的定位精度，若改變渦輪齒數(shù)或渦桿齒距，即可改變系統(tǒng)的分辨率。垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和懸桿上固定的齒條組合，實(shí)現(xiàn)了水深1 mm的測(cè)量精度。另外，多點(diǎn)位水面控制器和河底信號(hào)控制器的使用，使水面測(cè)點(diǎn)流速和河底測(cè)點(diǎn)流速更具有代表性。系統(tǒng)采用工業(yè)可編程控制器、伺服控制器作為系統(tǒng)控制核心，保證了整套系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠。

6 結(jié)語

該自動(dòng)精準(zhǔn)測(cè)流系統(tǒng)測(cè)流速度快、精度高，作為跨流域調(diào)水計(jì)量公共平臺(tái)，供受水雙方共同使用，避免了重復(fù)建設(shè)，節(jié)約了資金，為跨流域調(diào)水水費(fèi)結(jié)算提供了準(zhǔn)確依據(jù)，同時(shí)也為缺水地區(qū)水資源合理配置提供了有效的技術(shù)支持。

[1]朱曉原張留柱姚永熙.水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：中國水利水電出版社，2013.5，41-226.收稿日期：2016-06-27

（責(zé)任編輯：邢博輝）

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1673-8853（2016）10-0066-02