閆潭灌區自動化計量與監控應用研究

(東魚河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

閆潭灌區自動化計量與監控應用研究

楊桂玲

(東魚河流域工程管理處， 山東 菏澤 274000)

閆潭灌區引水閘進行自動化計量，因黃河水有大量泥沙沉積，給計量帶來一定困難。本文以自動化監測儀器和軟件為基礎，通過軟件對數據進行分析并計算引水量。該系統具有數據監控功能，提高了信息自動化管理效率，為決策層管理灌溉區提供了詳細的信息，通過提高灌溉區經濟效益，來實現灌溉區工程項目的作用和價值。

自動化計量； 流速面積法； 運行管理； 經濟效益

1 引 言

閆潭灌區自建成以來，為當地經濟發展發揮了重要作用。經過長期運行，目前灌區存在著諸多問題，而且運行管理方式落后，管理體制粗放，需要信息自動化條件下的精細化管理。自動化計量與監控系統結合灌區實際，利用超聲波流量計、水位計等先進的測量水設備進行現場定時采集各種所需數據，并研制3XD-201閘門測控儀及相關的監控及采集軟件，對采集的實測數據進行信號轉換后，通過GPRS無線傳輸技術，將信號傳輸到管理處總監控室，再變成為直觀的顯示界面，在監控室計臬機和投影民屏幕上顯示出來，使各監控現場的水位、流速、流量、閘門的運行情況等一目了然，使管理人員可以隨時掌握各縣、鄉的用水情況和蓄水情況，并根據各地上報的旱情及時調整調水方案，大大提高了灌水利用率，同時為水費計收提供了科學依據。

2 閆潭灌區引黃情況簡介

閆潭灌區是1982年在東明小閆潭灌區的基礎上發展起來的。1991～1996年，國家和地方共投資1.37億元用于骨干工程的建設，拓寬引黃送水干線133km，引黃干線工程主要包括渠首工程、輸水工程、蓄水工程、骨干供排水工程。灌區內轄東明、曹縣、單縣、成武四縣51個鄉鎮，總人口236萬，其中農業人口228萬。灌區經濟以農業為主，主要農作物有：小麥、玉米、棉花、花生等，種植比例為：小麥75%，棉花18%，玉米70%，其他糧食作物3%，經濟作物4%，復種指數170%，是山東省重要的糧棉生產基地。

閆潭引黃閘位于黃河右岸樁號162+700處。該閘始建于1971年，為四聯12孔鋼筋混凝土涵閘，因設防能力不能滿足防洪需求，于1982年進行了改建，改建后的閘室共分為6孔，每孔凈寬6m，閘底板高程63.00m，引黃流量80cm/s。引水渠：引水渠位于防砂閘與閆潭引黃閘之間，長9.2km，梯形斷面，渠底寬15m，邊坡1∶3，設計水深3m，設計放淤流量150cm/s，灌溉引水流量80cm/s。

3 閆潭灌區引水自動化計量應用分析

引黃測流系統監測點計劃選在閆潭引黃閘后約150m位置，屬寬渠淺流型渠道，計量方案是利用“流速面積法”實現測點流量的準確計量，測出準確數據可以用于與黃河水管部門的水量核算，故此準確地測量引水量意義重大。因在流量監測點引水季節渠底泥砂為不均勻分布，若利用“流速面積法”實現流量準確測量，必須滿足以下三個條件：?準確的輸水截面積測量；?準確的平均流速測量；?準確的實時水位高程測量。由于水位、淤泥分布和流速不斷變化，故實際計量方案應滿足實時監測要求。

3.1 實時測量輸水渠截面積測算

實時測量輸水截面，在測量斷面上的渠壁和渠底均應為固化結構，且實測出該斷面水位高程和渠底淤泥厚度，才能得出實時輸水截面積。輸水截面具體情況是：輸水渠應該為矩形敞口結構，渠底固化材料應采用混凝土結構，渠道寬度約32m，水深約2m，輸水渠測量段長度為2m，渠壁厚度應不小于0.6m，渠側面高度根據引水面高程計算，在輸水渠測量斷面上每間隔1m設置1個淤砂厚度傳感器(設置間隔可根據實際情況定)，淤砂厚度傳感器測出該點淤砂厚度，全部淤砂厚度傳感器則可描繪出整個測量斷面的淤砂分布，計算取平均值則可得平均淤積泥沙厚度。在輸水渠內安置超聲波水位計和浮子式水位計，結合水位計測出的水位高程，從而計算出準確的輸水截面積(詳細情況如圖1、圖2)。

圖1 輸水斷面測量

圖2 淤砂傳感器

3.2 實時測量平均流速測算

閆潭灌區實時水量測量系統的平均流速測量計劃采用美國多普勒水平剖面流速計(Channel Master H-ADCP 如圖3)，該水量流速測量計的主要特點是：

圖3 H-ADCP多普勒水平流速計

a.該多普勒水平流速計(Channel Master H-ADCP)高精度、高空間和時間分辨率。閆潭灌區的引黃輸水截面相對比較小，在測速截面比較小時可以使用較小的單元，在較短的采樣時間步長內獲得精確的流速數據；且對于很難測驗的低流速和非恒定流也能獲得高質量測驗數據，該測速系統的標準配置為1～128個可選單元、0.25～10m可選單元長度、1～100m剖面范圍(取決于系統頻率)，可以得到更多的流速數據，計算出可靠的平均流速數據，具有很大的靈活性。

b.平均流速測算的標準配置還應有傾斜計，傾斜計對于調整H-ADCP 安裝支架和監測安裝支架的傾斜變化，對于保證測驗數據質量有重要的作用。Channel Master H-ADCP多普勒水平剖面流速計用于測量斷面指定水平層多點流速測量，在一個水平層最多可達128點流速測量，但要得到整個輸水斷面上各水平層的流速數據就必須使Channel Master H-ADCP上下移動達到各水平層的位置并在所到水平層進行多點流速測量，故還要有一套使Channel Master H-ADCP上下移動的機構及控制系統。另外，當Channel Master H-ADCP向下移動到測渠底部時有可能被淤積的泥砂所阻擋，因此還要有一套清淤泵定時清除Channel Master H-ADCP上下移動通道下部的淤砂，這樣才能保證測速設備的正常運行。清淤泵每天自動開啟半小時，控制系統與流速儀升降控制系統安裝在同一現地PLC控制箱內，保證淤砂不會積累。

3.3 實時測量引水量的數據計算

閆潭灌區單縣段的平均引水量的計算，是通過流速測量采用多普勒剖面流速計(Channel Master H-ADCP)的流速數據、輸水渠截面的於砂傳感器的於砂厚度數據、超聲波水位計或浮子水位計測出的水位高程數據及渠道的截面面積計算得出的，并根據變換具有實時測量功能。在引水渠的斷面下，渠道參數已知，水位測得、各點淤砂厚度測得、平均流速測得。

則： 平均沙厚=Σ測點沙厚/測點個數

有效水深=已測水位-平均沙厚-固化渠底高程

實際輸水截面=有效水深×河床寬度

瞬時流量=實際輸水截面×平均流速

累計水量=Σ瞬時流量(累計時間段內)

將測得的瞬時流量和累計流量上傳到引黃所的同時，通過中國移動GPRS無線網絡上傳到閆潭引黃灌溉數據管理中心，通過軟件自動處理后顯示在電腦終端上，由灌區管理人員根據數據調整灌區的引水及分水情況。

4 引黃自動化實時測量的監控

4.1 自動化計量系統的實時監控功能

閆潭灌區單縣段采用的自動化測量系統具有數據實時監控功能，主要是參數設定、流量計算、數據監測、在線儀器狀態監測、數據回放及處理等功能，流量計算可選用數值法和指標流速法，在電腦終端軟件自動化處理后，顯示的數據是相同的。通過該自動化軟件系統可以很好地監控自動化測量儀器的狀態和測量的數據，并通過動化處理顯示在電腦終端上。該自動化監控系統的主要功能如下：

a.引黃渠流量實時監測：在線實時監測總干H-ADCP明渠流量計的流速和流量。

b.水位實時監測：在線監測水位信息，并將所采集水位實時上傳，同時，將所采集的水位在現地計算出流量。

c.淤砂實時監測：在線監測各點淤砂信息，并將所采集淤砂實時上傳，同時，將所采集的各點淤砂厚度在現地計算出平均值。

d.動畫監控顯示：根據需要動態實時顯示水位、流速、沙厚、流量、通訊狀態、報警信息等數據。

e.H-ADCP升降掃描控制：根據需要調節H-ADCP的高度，以測出不同流層的流速。

f.清淤泵定時啟停控制：對H-ADCP升降通道定時清淤，保證通道暢通。

g.數據處理與存儲：完成各種數據處理、篩選、匯總、分析、完成水位、流量數據、報警信息的存儲功能。

h.報表自動生成：完成實時數據的召喚打印，歷史數據的匯總、打印等功能。

i.通訊處理：完成數據通訊管理、發送接收數據的校驗，做到數據、命令的準確傳輸。判斷通訊線路的使用情況，自動識別一定的通訊故障，給出提示。

j.權限管理：完成軟件使用權限的管理功能，使只有相應權限的用戶才能完成相應的功能，并自動對一些操作的操作者做記錄。

k.決策支持：將各種數據分析、匯總，為合理利用水資源提供決策依據。

4.2 自動化計量系統的移動監控終端

閆潭灌區單縣段引進的該套自動化計量系統有移動監測終端軟件，即將軟件安裝到智能移動終端上。移動終端是定制的智能手機，管理人員可以實時接收傳送的監控數據，作出必要的判斷，在特殊情況或災難情況下，可以迅速作出反應，該功能能為灌區的管理層決策提供數據支持。該監控功能具有以下特點：

a.監控中心上位監控軟件為灌區統一的采集、監控管理軟件。

b.圖形顯示現地設備，可接受現地設備的報警信息。

c.對現地設備的報警故障情況可拍成圖像傳回監控中心或相關管理人員所持的灌區移動監控終端上，便于在第一時間將故障解決。

d.可監測授權范圍內所有監測點的監測信息，包括水位、流速、流量、水量、淤砂和閘門參數，包括數據、圖形及表格。

e.可設置各種現地設備的算法，可輸入已有水位流量關系數據表。

f.具有渠道量測水計算功能，必要時還可對監測數據實施更新。

g.采用帶觸摸屏智能手機，保留手機的全部功能。

5 結 語

在閆潭灌區單縣段主干渠分水口也可采用此套自動化計量系統，采用小型測速單元，可為計算分水量提供可靠的數據，為閆潭灌區分水量自動化計量的運行管理打好堅實的基礎，為閆潭灌區信息自動化運行管理提供可靠保證。閆潭灌區引水和分水計量自動化，是為閆潭灌區的信息自動化管理提供保障，是信息化管理的一種體現。閆潭灌區以節水增效為中心，以可持續發展為目的，依靠信息自動化的管理，提高灌溉水的利用率，在滿足區域農業規劃、水利發展總體規劃的前提下，合理調度、優化配置，使有限的水資源得到持續、有效、充分利用，確保灌區社會、經濟、環境等綜合效益的充分發揮。

Study on Automatic Measurement and Monitoring Application in the Yantan Irrigation Area

Ma Zhao-yang

(ShanCountyWaterSuppliersBureau,ShanCounty,Shandong274300)

The automatic measurement is carried out for the sluices of the Yantan Irrigation Area. However, the measurement is hard to carry out because of a great deal of sediment deposition of the water from the Yellow River. Based on the automatic monitoring instruments and software, the data are analyzed and computed for water quantity of transfer by software. This system improves information automated management efficiency with its data monitoring. It can provide detailed information for the decision-.making level for management of irrigation area, so that the function and value of engineering projects are achieved by improving the economic benefit of the irrigation area.

Automatic measurement; velocity-.area method; operations management; economic benefit

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03