灌區(qū)分水閘量測(cè)水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉懷利

（安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院 合肥 230088）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的灌區(qū)取水人工測(cè)量升級(jí)為智能化高精度量測(cè)水已經(jīng)成為可能。灌區(qū)輸水具有明渠、涵洞、涵閘、管道等多種方式，傳統(tǒng)灌區(qū)明渠取水計(jì)量多采用人工纜道測(cè)流方式，具有測(cè)站造價(jià)成本高、需要人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及不能實(shí)時(shí)計(jì)量等問(wèn)題。本文針對(duì)灌區(qū)在明渠方式下通過(guò)分水閘放水，開(kāi)展了量測(cè)水技術(shù)研究及自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便、可靠穩(wěn)定和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用對(duì)于安慶市花涼亭灌區(qū)、明光市分水嶺水庫(kù)、定遠(yuǎn)雙河水庫(kù)灌區(qū)等安徽省內(nèi)多個(gè)大中型灌區(qū)測(cè)量水，對(duì)于及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握灌區(qū)的水情，實(shí)時(shí)擬定最佳的配水方案，提高灌區(qū)用水的管理水平具有重要的意義。

1 測(cè)流方法原理

灌區(qū)過(guò)閘水流一般情況下呈現(xiàn)“有閘潛流、有閘自由流、無(wú)閘潛流和無(wú)閘自由流”四種不同水流狀態(tài)。灌區(qū)分水閘門測(cè)流是通過(guò)測(cè)量水工建筑物上下游水位，根據(jù)水流的流態(tài)（有閘潛流、有閘自由流、無(wú)閘潛流和無(wú)閘自由流），選用不同的流量計(jì)算公式。流量系數(shù)可根據(jù)流速儀法實(shí)測(cè)建筑物出流量和實(shí)測(cè)水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計(jì)算得出。當(dāng)水流均勻恒定時(shí)，過(guò)流流量可由水位和閘門開(kāi)度確定。通過(guò)人工觀察，根據(jù)閘門是否阻水確定是否有閘控制自由流和潛流，是根據(jù)在有閘控制時(shí)閘后返回的水躍是否淹沒(méi)閘門底邊阻礙閘門出流來(lái)判定的；在無(wú)閘控制時(shí)，根據(jù)閘后返回的水躍是否淹沒(méi)到閘槽位置阻礙過(guò)閘水流來(lái)判定。

對(duì)于分水閘有閘控制自由流流態(tài)下的流量，可由公式（1）計(jì)算得出：

式中：Q 為過(guò)閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H為閘門開(kāi)度（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8。

對(duì)于分水閘全開(kāi)自由流流態(tài)下的流量，可由公式（2）計(jì)算得出：

式中：Q 為過(guò)閘流量（L/s）；H0為上游水深（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8m/s2。

對(duì)于分水閘有閘控制潛流流態(tài)下的流量，可由公式（3）計(jì)算得出：

式中：Q 為過(guò)閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H1為下游水深或閘后水深（m）；H為閘門開(kāi)度（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）； g 為重力加速度9.8m/s2。

對(duì)于分水閘全開(kāi)潛流流態(tài)下的流量，可由公式（4）計(jì)算得出：

式中：Q 為過(guò)閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H1為下游水深或閘后水深（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8m/s2。

2 設(shè)計(jì)思路

灌區(qū)分水閘量測(cè)水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)積算儲(chǔ)存、信息平臺(tái)4 部分組成。其中信息采集主要通過(guò)在分水閘的上下游布設(shè)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)站以及在閘門布設(shè)開(kāi)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀來(lái)實(shí)時(shí)采集水閘的上下游水位和閘門開(kāi)度信息。要求閘前、閘后水位計(jì)安裝于距離閘門約等于1/4 單孔閘寬的位置，（閘后水位計(jì)距離閘門不得超過(guò)40cm）。水位傳感器是進(jìn)行閘前、閘后水位測(cè)量的儀表，用于渠道水位測(cè)量的傳感器形式有浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、氣泡式水位計(jì)或超聲波水位，考慮可靠性與穩(wěn)定性，一般使用浮子式水位計(jì)。閘位傳感器是進(jìn)行啟閘高度測(cè)量的儀器，啟閘高度測(cè)量的原理是將閘門的上下移動(dòng)位置轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，然后送入光電編碼器轉(zhuǎn)變成數(shù)字編碼，接入閘門量水開(kāi)度儀表。

水位計(jì)儀表和閘門開(kāi)度儀表應(yīng)有液晶顯示屏，可現(xiàn)場(chǎng)顯示采集到的水位、閘門開(kāi)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并具有RS485 數(shù)字通信接口（modbus 通信協(xié)議）。通過(guò)有線電纜方式，將水位計(jì)儀表和閘門開(kāi)度儀表鏈接至水量積算遙測(cè)終端，將采集到的水閘上下游水位值、閘門開(kāi)度值傳輸至水量積算遙測(cè)終端。再根據(jù)過(guò)閘水流狀態(tài)，選擇相應(yīng)的流量計(jì)算公式，設(shè)定流量系數(shù)值、閘門寬度值，最后通過(guò)算法編程由水量積算遙測(cè)終端自動(dòng)積算出過(guò)閘流量值。

水量積算遙測(cè)終端對(duì)積算出的實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)（瞬時(shí)流量值、累計(jì)流量值）進(jìn)行儲(chǔ)存和現(xiàn)場(chǎng)液晶大屏顯示，并內(nèi)嵌4G 無(wú)線傳輸模塊，將流量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、閘門開(kāi)度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)。監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)應(yīng)用管理軟件對(duì)接收到流量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、閘門開(kāi)度數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、展示和生成報(bào)表等，并可通過(guò)手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)查詢和應(yīng)用。

3 水量積算遙測(cè)終端設(shè)計(jì)

水量積算遙測(cè)終端是系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備，直接影響灌區(qū)量測(cè)水的精準(zhǔn)性和可靠性?？紤]到設(shè)備成本和可靠性，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)研制水量積算遙測(cè)終端，由ARM 控制器、數(shù)字信號(hào)I/O 接口模塊、存儲(chǔ)器、智能軟件算法模型、嵌入式Linux 軟件、觸摸液晶大屏、電源模塊等軟硬件組成，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 水量積算遙測(cè)終端組成結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號(hào)I/O 接口，主要為RS485 通信接口，采用modbus 協(xié)議，采集水位計(jì)儀表和閘門開(kāi)度儀表的水位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和閘門開(kāi)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；電源模塊用于電壓轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)供電，將220V 交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電，為水量積算遙測(cè)終端各電子元器件供電；ARM 控制器用于數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換和流量積算等；存儲(chǔ)器用于對(duì)采集的水位、閘門開(kāi)度、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；液晶觸摸顯示屏用于對(duì)水位、閘門開(kāi)度、流量等進(jìn)行直觀展示，以及設(shè)置流量系數(shù)、閘門寬度等。

流量積算模塊為采用特定算法，通過(guò)軟件編程利用ARM 處理實(shí)現(xiàn)過(guò)閘流量的智能計(jì)算。算法原理為根據(jù)“有閘自由流、全開(kāi)自由流、有閘潛流和全開(kāi)潛流”四種不同水流狀態(tài)，選擇對(duì)應(yīng)的流量計(jì)算公式。根據(jù)設(shè)置的流量系數(shù)、閘門寬度，以及采集的上下游水位值、閘門開(kāi)度值，即可自動(dòng)計(jì)算出實(shí)時(shí)過(guò)閘流量。

4 監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

配置服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻等相關(guān)平臺(tái)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)分水閘流量相關(guān)信息的接收、存儲(chǔ)和處理。開(kāi)發(fā)基于B/S 構(gòu)架的平臺(tái)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)多種信息的發(fā)布、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析功能，采用WEBGIS 為基礎(chǔ)，在發(fā)布的電子地圖上標(biāo)注灌區(qū)分水閘的空間分布。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。在GIS 地圖上，展示灌區(qū)水閘及分水口具體分布位置；點(diǎn)擊位置圖標(biāo)，可展示該水閘的基礎(chǔ)信息。查詢基礎(chǔ)信息包括水閘類型、工程級(jí)別、現(xiàn)場(chǎng)照片等。

（2）查詢統(tǒng)計(jì)模塊。可實(shí)時(shí)采集分水閘監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)信息，并以多媒體和直觀的專業(yè)圖表等方式在WEB 網(wǎng)頁(yè)上自動(dòng)顯示?？蔀g覽動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，觀察分水閘的上下游水位值、閘門開(kāi)度值、瞬時(shí)流量、累積流量、采集時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像等信息。可選擇查詢?nèi)我粫r(shí)段內(nèi)，灌區(qū)分水閘的所有開(kāi)閘時(shí)間、關(guān)閘時(shí)間記錄和臺(tái)賬，以及閘門開(kāi)度值和取水量數(shù)據(jù)。

（3）統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)定時(shí)間段，查詢灌區(qū)分水閘的總放水量等信息；可以查詢指定時(shí)間段內(nèi)各水閘的開(kāi)關(guān)閘信息和上下游水位信息，并可以按標(biāo)準(zhǔn)模版形成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，同時(shí)支持報(bào)表Excel文件導(dǎo)出打印。

（4）移動(dòng)查詢系統(tǒng)APP。開(kāi)發(fā)基于Android 系統(tǒng)的灌區(qū)分水閘量測(cè)水監(jiān)測(cè)移動(dòng)系統(tǒng)APP，具有地圖瀏覽查詢、地圖導(dǎo)航、水閘基礎(chǔ)信息查詢、閘門開(kāi)度查詢、上下游水位查詢、放水量統(tǒng)計(jì)等功能，可配置與手機(jī)、Pad 等移動(dòng)終端上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查詢和掌握水閘的狀態(tài)及放水量等信息。

5 結(jié)語(yǔ)

灌區(qū)分水閘量測(cè)水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于安徽省內(nèi)多個(gè)大中型灌區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。該系統(tǒng)的應(yīng)用改變了以往人工現(xiàn)場(chǎng)記錄開(kāi)閘時(shí)間和人工統(tǒng)計(jì)推測(cè)水量的情況，降低了人員工作強(qiáng)度、提升了工作效率。在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，為保障量測(cè)水精度，需做好流量系數(shù)的檢測(cè)及率定工作。流量系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)率定，可用流速儀法實(shí)測(cè)建筑物出流量和實(shí)測(cè)水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計(jì)算，通過(guò)多次測(cè)驗(yàn)，分析流量系數(shù)規(guī)律，建立流量系數(shù)與有關(guān)水力因素的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)有多種形式的泄水建筑物混合出流時(shí)，應(yīng)逐個(gè)率定流量系數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)率定的流量系數(shù)相關(guān)因素關(guān)系線，在使用過(guò)程中，關(guān)系線穩(wěn)定的，應(yīng)每隔5～10年進(jìn)行一次檢測(cè)；關(guān)系線不夠穩(wěn)定的，應(yīng)每隔2～5年進(jìn)行一次檢測(cè)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)水工建筑物尺寸、形狀、糙率變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)。每條流量系數(shù)關(guān)系線每次檢測(cè)，用于檢驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于10 個(gè)?？捎谩端馁Y料整編規(guī)范》（SL247-2012）中規(guī)定的t 檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)