水利灌區水情自動監測系統的設計

周德東　邊玉國

(蘭州工業學院電氣工程學院， 甘肅 蘭州　730050)

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水利灌區水情自動監測系統的設計

周德東邊玉國

(蘭州工業學院電氣工程學院， 甘肅 蘭州730050)

水利行業智能化發展已成為必然趨勢。水利灌區作為用水大戶，其節水灌溉、合理用水必須著眼于信息化的發展。本文介紹了甘肅鼎新灌區水情自動監測系統的設計情況。該系統運行效果良好，可為水利灌區智能化發展做參考。

灌區； 水情； 自動監控

1　引　言

隨著信息技術、計算機技術、自動控制技術的不斷發展，水利行業的智能化已成為當前發展的必然趨勢，并正在逐步實施。由于世界性水資源的短缺，作為用水大戶的農田灌溉，其合理用水、節約用水已刻不容緩，加強水情信息監測可達到控制水量、定額管理的目的，因此水利灌區信息化建設必須提上既定日程。

2　水利灌區概述

甘肅省鼎新灌區位于黑河下游，地處甘肅省與內蒙古自治區的交界地帶，深居巴丹吉林沙漠腹地，灌溉面積14萬畝，南北長70余km，東西寬平均約4km，地勢西南高，東北低，自然縱坡在1‰左右，海拔在1130～1200m之間。

該灌區水情自動監測系統的建設是為有效落實農業用水總量控制與定額管理提供技術保障，其重點是加強水資源的統一調配，在總量控制的基礎上，合理制定區域間水量分配方案。系統建設的好壞，直接關系到節水型社會試點的建設，是灌區治理開發和現代化管理的需要。

3　設計要求

甘肅省某灌區水情自動監測系統項目，主要內容為建設渠道水庫水情監測系統、重點閘門監控系統、重點區域視頻監視系統、通信網絡及信息傳輸平臺，灌區應用軟件開發。

該項目將綜合運用信息化技術、自動化技術，構建灌區水情自動監測系統，以此充分發揮灌區的節水調水功能，增強水管所的應變能力和水資源配置水平，提高灌區的現代化管理水平，最終對提升灌區的整體管理水平和綜合效益，實現科學管理、高效控制、節能增效起到直接的作用。

此次信息化項目將充分運用信息系統集成理念，綜合應用通信技術、自動化技術、計算機技術、網絡技術、智能技術和有關水利渠系工程技術，在計算機系統和數據庫系統的支撐下，將灌區的水量調度活動、供水計量業務，包括水情采集、部分閘門監控、重點區域視頻監視、水量調度、供水分析以及各級水管部門的業務活動集成起來，構筑一個數字化、網絡化、智能化的信息系統。

4　水情監測站設計

水位和流量信息采集是灌區水情自動監測系統中的關鍵組成部分。準確計量主要引水口的水位，邏輯計算流量、水量，能夠為整個灌區水量調度管理和水量計量以及直接計費提供所必需的數據。

水流量計量是為灌區管理自動化、整體信息化系統服務的，是適用于水資源和水利調度的專用智能監測系統。根據灌區工程的實際情況，結合國內外同類工程模式，要求該系統具有可靠性、準確性、實用性、先進性、開放性、安全性和易維護性等特點。

4.1水情監測點布置

根據項目要求，此次水情自動監測系統項目中水位信息采集分為三種情形：

a.與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集6處19點。

b.獨立渠道水位采集29處29點。

c.水庫庫水位采集8處8點。

4.1.1與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集

由于此類水位點分布在閘門的上游和下游約100m處，這些閘門在該期工程中需要控制，因此這6處19點水位采集點在閘門監控系統中進行設計，水位由閘門監控核心單元采集，采集的水位數據發送到相應的信息分中心或信息中心站進行存儲。

4.1.2獨立渠道水位采集

獨立渠道水位采集共29處29點，根據采集的渠道水位數據，通過水位—流量關系換算出流量，再計算出水量。采集的水位數據通過通信模塊發送到水管所信息中心數據庫服務器中存儲。

4.1.3水庫庫水位采集

水庫庫水位采集共8處8點，根據采集的庫水位數據，通過水位—庫容關系換算出庫容。采集的水位數據通過通信模塊發送到水管所信息中心數據庫服務器上存儲。

4.2系統方案設計

渠道水位采集點和水庫庫水位采集點由現場設備和接收端設備組成。現場設備包括：遙測RTU終端設備、水位傳感器、通信單元和供電單元；接收端設備包括：數據庫服務器和安裝了水位流量接收處理軟件和水位庫容接收處理軟件的工作站。水位采集系統結構如圖1所示。

圖1　水位采集系統結構

根據圖1所示，采集點主要由遙測終端(RTU)、GPRS 通信模塊、水位傳感器及供電單元組成。水位傳感器選擇壓力式水位傳感器；供電單元選擇太陽能供電系統，由遙測終端機控制太陽能電池板給蓄電池充電，防止太陽能板對蓄電池無限制充電，導致蓄電池充爆損壞，再由蓄電池給遙測終端供電。水位傳感器感應水位信號，由遙測終端采集并臨時存儲，再通過GPRS通信模塊傳送到中心站數據庫服務器存儲。

灌區水情自動監測系統的結構如圖2所示。

圖2　水情自動監測系統結構

其中，部分引水樞紐水位點通過浮子式水位計采集庫區水位，采用超聲波液位計采集總干渠首水位，將數據采用GPRS發送到水管所信息中心監控計算機上。

采用GPRS通信的29點水位采集點系統結構圖如圖3所示。

圖3　水位采集點通信系統結構

采用GPRS 通信方式的水情采集由現場RTU 定時采集水位數據，通過傳輸單元分別傳送到水管所數據庫服務器中存儲；在水管所信息中心分析處理應用軟件實現數據分析、統計、查詢。

水情監測系統在遙測RTU終端設備控制下，自動完成各引水口水位參數的采集和預處理并存入固態存儲器，并經GPRS通信鏈路向信息中心站傳送所采集的數據，利用GPRS網絡通信方式傳輸到水管所，所有水位采集點采用太陽能極板供電。

水情監測站向信息中心報送數據的方式可采用定時上報、中心召測應答、事件報送的混合體制。事件報送時，每當流量參數發生一個計量單位的變化時，采集終端機就自動采集，并進行數據擾動濾波，加注時標，按指定的格式存儲。采集終端機中至少可保存一個月以上的數據。如采集站與中心站發生長時間通信線路中斷時，數據能通過IC卡轉存，并通過水管段上報到水管所信息中心。

現地水情監測站是由太陽能電源供電系統、水情監測終端機(RTU)、水位傳感器、GPRS/GSM通信模塊、防盜探測器、信號避雷器等組成，可選配IC卡數據提取接口。其中水情監測RTU、防盜探測器、信號避雷器、液晶顯示模塊、膠體蓄電池等設備集成在終端機箱內。系統結構如圖4所示。

圖4　水情監測現地站系統結構

水位傳感器輸出4～20mA信號，水情監測RTU的模擬量輸入接口(AI)進行水位測量。

防盜探測器的開關信號輸入水情監測RTU的開關量輸入/輸出模塊(DI/DO)，用于探測測量井是否被打開，起防盜報警作用。

IC卡讀寫接口(可選)經與水情監測RTU進行IC卡數據交換，在沒有通信信號的情況下，通過IC卡，在水管所的IC卡識別終端上將數據上傳。

GPRS MODEM通過RS232/RS485接口與水情監測RTU進行通訊。在有通信信號的情況下，所有數據經水情監測RTU采集，并通過GPRS上傳到水管所調度監控中心。

太陽能電源提供RTU設備電源輸入，為整個監測系統供電。

5　防雷接地設計

灌區水情監測站防雷設計主要有三方面，各水位觀測站的防雷采用太陽能支架頂部安裝避雷針、通信線路同軸避雷器和水情監測終端機I/O端口防高壓三位一體的防雷技術；此外，建設水情監測站接地網，接地電阻不大于4Ω，可更好地避免雷擊。

該項目提供兩個方面的防雷設計考慮。

a. GSM通信天線引雷：水泥電線桿頂部安裝避雷針，在有雷電引起超高壓時，直接對地放電，保護設備。

b.通信線路引雷：對于通信電纜較長且裸露在外的GPRS模塊串口，通信線路采用信號線避雷器，最大限度地把雷擊信號引入水情監測站接地網。

6　防盜安保設計

該項目所設計的水位監測站均考慮無人值守方式，采用物理防盜機械鎖安裝在測井蓋上進行一級物理防盜；此外在設備箱內采用紅外線報警探頭或門磁開關探測的二級電子防盜，信息中心站通過遙測終端機進行信號采集，然后經GPRS通信送到各遙測中心站，以進行報警。

另外，采用40kgφ12的鋼筋制作金屬保護欄保護現地水情監測站系統。

7　結　語

隨著科技的發展，任何行業必將實現智能化、信息化，水利灌區也不例外。水利灌區水情自動監測系統的實施，將進一步促進水利行業智能化、信息化建設，達到全面合理用水、節約用水的目的。

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Design on water condition automatic monitoring system in water conservancy irrigation area

ZHOU Dedong, BIAN Yuguo

(LanzhouInstituteofTechnologyCollegeofElectricalEngineering,Lanzhou730050,China)

Intelligent development of water conservancy industry has become an inevitable trend. Water conservancy irrigation area is regarded as large water consumption user. Its water saving irrigation and reasonable water consumption must focus on the development of informationization. In the paper, the design condition of water condition automatic monitoring system in Gansu Dingxin irrigation area is introduced. The system has good operation effect, which can be used as reference for intelligent development in water conservancy irrigation area.

irrigation area; water condition; automatic monitoring

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.009

TU93

B

1005-4774(2016)01-0027-04