通江子灌區量水監測信息系統的設計與研究

劉長志

(臺安縣水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114100)

1 概況

通江子灌區位于臺安縣東北部，處于遼河流域下游。其范圍包括西佛鎮的小紅旗、古家子、姜荒、雙廟子、紅廟子、東佛以及達牛鎮的金家窩堡、大于家、大姜家、大田家等村。灌區全域總面積為11.10萬畝，其中耕地面積占6.01萬畝，耕地中原規劃灌溉面積為5.50萬畝，現實際灌溉面積為5.10萬畝。灌區主體工程大多于20世紀80年代建設而成，受到當時施工條件、資金等因素的限制，工程建設水平較低，無法滿足現有的技術標準，致使渠系建筑物不能得到有效維護和及時更新，即無法保證正常灌溉，使得有效灌溉面積和實際灌溉面積不斷縮減。

2 通江子灌區量水監測信息系統的設計與研究

本系統設計嚴格遵循技術領先、性能穩定的原則，綜合考慮工程維護及施工中的各方面因素，為今后的改擴建留有擴充余地。因此，本系統采用時差法超聲波明渠計量，以保證設計系統的完整性和全面性[1]。

2.1 通江子灌區量水監測信息系統的設計

結合灌區雨情、水情、農作物生長等實際條件，從安全用水要求、灌區信息管理等方面入手，利用現代電子技術，建立灌區信息化保障體系，開發并合理利用灌區信息資源，使用精度較高、穩定性較好的設備開展信息采集、傳輸及處理工作，盡可能地提高信息傳輸的準確性和時效性，并能及時、有效地反饋信息，以發揮預測相關信息的功能，從而提高灌區管理效率，打造灌區科學、高效運營新模式[2]。通江子灌區量水監測信息系統建設主要內容包括泵站監測系統、閘門監測系統、渠道流量監測系統和監控中心建設4個部分。

(1)泵站監測系統：主要監測排灌站軸流泵的運行狀態，如功率、電壓等方面的監測，監測泵站的前池、后池水位。

(2)閘門監測系統：主要監測一支、二支進水閘的運行狀態，如閘門開度、閘前水位等方面的監測。

(3)渠道流量監測系統：分別監測排灌站后、一支進水閘后、二支進水閘后渠道的水位、流量監測。

(4)監控中心建設。監控中心利用建設完成的監控云服務平臺，進行數據匯集和成果展示。

2.2 通江子灌區量水監測信息系統的應用研究

2.2.1泵站監測系統

泵站監控系統采用RTU為核心采集的現地監控單元，主要實現采集、監測和存儲的功能。根據通江子排灌站實際需求，實時監測5臺通江子排灌站軸流泵的實際運行狀態，如：功率、電壓等，監測泵站的前池、后池水位，并把監測數據傳輸到監控中心。應保證所選設備滿足高質量的要求，以防出現因單個元件損壞而致使系統崩潰的現象發生[3]。

2.2.2閘門監測系統

閘門監測系統主要對一支進水閘、二支進水閘的運行狀況進行監測。進水閘閘門尺寸均為0.8m×1m(寬×高)，單吊點配置。

本系統設置的主要目的是實時監測閘門的運行狀態，如開度和閘前水位。在每個閘位安裝閘門開度傳感器設備，實時監測閘門的開啟高度，利用磁致伸縮液位計采集閘前水位，并通過遙測終端采集單元、無線通訊控制單元將監測數據傳輸到監控中心，從而保證管理部門對閘門運行狀態實時監控記錄，通過運行數據分析判斷閘門是否安全穩定運行[4]。

2.2.3渠道流量監測系統

(1)系統工作原理

渠道流量監測系統主要是對灌區支斗渠道進行水量計量及傳輸[2]。一般會采用流速與水位雙計量的方式，即用水位流量關系曲線方式或者流量面積法計量水量，再經過相互核準后，確保所得數據的精準性[5]。流速測量的方法為超聲波“時差法”，在實際測量過程中，為保證測量精度，應多層布設。

(2)系統網絡結構及組成

流量監測系統由流速傳感器、水位傳感器、流量計主機、GPRS通訊模塊、監控管理軟件及服務器組成，流量計內置鋰電池供電[6]。

(3)系統組成

本系統流量監測采用流速面積關系法，需要測量過水斷面的面積和斷面流速指標，進而計算流量。依照測量方法，該系統的精度較高，且不易受下游頂托水的影響。

流量監測的主要設備構成有超聲波流量計、太陽能板、GPRS模塊[7]。通常系統默認工作模式為自報式，主要是利用GPRS通訊模塊采集并導出數據至監控中心。

(4)測流方案

超聲波流量計的應用采取速度面積測量法，用流體的平均流速乘以渠道的橫截面積即可得到流經渠道的流量[8]。根據相關公式推算出流速，再通過超聲波液位計測量的液位與渠道幾何形狀計算出流體流經的橫截面積，儀表采集流速和面積參數后，計算并顯示流量的各項參數，也可通過遠傳模組將流量參數上報到數據中心，實現遠程的監測和記錄，可以廣泛應用于明渠、涵洞、閘室等水流計量，見表1。

表1 技術參數

(5)數據傳輸方案

超聲波明渠流量計具有GPRS遠傳模組，可將各種傳感數據通過GPRS網絡傳輸到遠程計算機，實現遠程的監測和記錄[9]。供電主要方式為太陽能板浮充蓄電池，按平均每年用水時間6個月計算，用水期每小時上報一次數據計算，太陽能板的功率選擇40W，電池選擇12V65AH的膠體電池。

(6)安裝方案

渠道流量監測分為通江子排灌站下游流量監測和一支進水閘門和二支進水閘門下游流量監測兩部分。一是泵后流量監測。本系統監測斷面為混凝土倒梯形斷面，由于監測斷面較寬，設備不宜安裝在混凝土預制件上，需在斷面一側開挖基礎，架設電桿，流量計安裝在電桿支架上。二是閘后流量監測。本監測斷面為混凝土斷面，一支閘門下游渠道尺寸為1m×1m(寬×高)，二支閘門下游渠道尺寸為1.3m×1.2m(寬×高)。由于監測斷面較窄，宜在監測斷面上埋設混凝土預制件，并把流量計安裝在預制件上。

2.2.4監控中心建設

利用現有灌區監控中心的監控云服務軟件平臺，設置專用接口程序，將系統中采集的各種監測數據通過接口軟件程序錄入到軟件平臺中，為灌區后臺管理提供基礎數據。在監控中心軟件平臺中可實現以下功能：

(1)自動存儲數據至相應的數據庫中；

(2)統計出各用水戶的用水流量及用水量，并用報表形式匯總呈現；

(3)統計并對比分析各用水戶用水量；

(4)制作相關的統計分析報表；

(5)顯示泵、閘的運行狀態和數據。

3 效果分析

本系統是為通江子灌區設計研發的，系統實施后，推動實現了量水數據采集、傳輸以及分析自動化技術，落實了閘門配水自動監測控制體系和信息網絡化管理模式，對節約灌區水量、提高灌溉效率、優化灌溉用水配置具有重要意義[10]。此外，該系統的實施可以減輕灌區工作人員的壓力，優化灌區管理模式及相關設施，加快實現灌區信息化、現代化管理。通過實踐證明，實施本系統后可達到以下效果：

(1)根據灌區制定的用水計劃與水量調配的改進措施，調節渠道用水量，保障輸水渠道和田間供水；

(2)自動監測水量，并按設定模式計算出灌溉效率，進一步指導灌區用水工作；

(3)結合灌區相關墑情系統，完善水量供需數據，根據變化及時做出修正，指導完成供水和配水方案;

(4)采用數據采集、傳輸與分析自動化技術，節約測量時間和成本；

(5)高效完成相關統計匯總工作，形成統計分析報表，以便為管理者提供科學決策依據；

(6)記錄完整的配水狀況，為用水戶提供高效、優質的服務。

4 結語

綜上所述，通江子灌區量水監測信息系統的設計，對灌區水量控制、優化水資源配置及改進灌區傳統管理模式具有重要作用，且已取得明顯效果。今后，應注重灌區量水監測系統的設計與應用，鼓勵相關科研人員加強對該系統的研究與推廣力度，解決農業灌溉問題，推動現代水利信息化發展。