灌區分水閘量測水自動監測系統設計及應用

劉懷利

（安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院 合肥 230088）

隨著物聯網、云計算、大數據等信息技術的發展，將傳統的灌區取水人工測量升級為智能化高精度量測水已經成為可能。灌區輸水具有明渠、涵洞、涵閘、管道等多種方式，傳統灌區明渠取水計量多采用人工纜道測流方式，具有測站造價成本高、需要人工現場觀測以及不能實時計量等問題。本文針對灌區在明渠方式下通過分水閘放水，開展了量測水技術研究及自動監測系統設計開發。該系統具有經濟簡便、可靠穩定和實時在線監測等特點，已成功應用對于安慶市花涼亭灌區、明光市分水嶺水庫、定遠雙河水庫灌區等安徽省內多個大中型灌區測量水，對于及時、準確地掌握灌區的水情，實時擬定最佳的配水方案，提高灌區用水的管理水平具有重要的意義。

1 測流方法原理

灌區過閘水流一般情況下呈現“有閘潛流、有閘自由流、無閘潛流和無閘自由流”四種不同水流狀態。灌區分水閘門測流是通過測量水工建筑物上下游水位，根據水流的流態（有閘潛流、有閘自由流、無閘潛流和無閘自由流），選用不同的流量計算公式。流量系數可根據流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算得出。當水流均勻恒定時，過流流量可由水位和閘門開度確定。通過人工觀察，根據閘門是否阻水確定是否有閘控制自由流和潛流，是根據在有閘控制時閘后返回的水躍是否淹沒閘門底邊阻礙閘門出流來判定的；在無閘控制時，根據閘后返回的水躍是否淹沒到閘槽位置阻礙過閘水流來判定。

對于分水閘有閘控制自由流流態下的流量，可由公式（1）計算得出：

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

對于分水閘全開自由流流態下的流量，可由公式（2）計算得出：

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

對于分水閘有閘控制潛流流態下的流量，可由公式（3）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（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為閘門開度（m）；μ 為流量系數；B 為閘門寬度（m）； g 為重力加速度9.8m/s2。

對于分水閘全開潛流流態下的流量，可由公式（4）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（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；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8m/s2。

2 設計思路

灌區分水閘量測水自動監測系統主要由信息采集、網絡傳輸、數據積算儲存、信息平臺4 部分組成。其中信息采集主要通過在分水閘的上下游布設水位自動監測站以及在閘門布設開度自動監測儀來實時采集水閘的上下游水位和閘門開度信息。要求閘前、閘后水位計安裝于距離閘門約等于1/4 單孔閘寬的位置，（閘后水位計距離閘門不得超過40cm）。水位傳感器是進行閘前、閘后水位測量的儀表，用于渠道水位測量的傳感器形式有浮子式水位計、壓力式水位計、氣泡式水位計或超聲波水位，考慮可靠性與穩定性，一般使用浮子式水位計。閘位傳感器是進行啟閘高度測量的儀器，啟閘高度測量的原理是將閘門的上下移動位置轉化成與之對應的旋轉角度，然后送入光電編碼器轉變成數字編碼，接入閘門量水開度儀表。

水位計儀表和閘門開度儀表應有液晶顯示屏，可現場顯示采集到的水位、閘門開度的實時數據，并具有RS485 數字通信接口（modbus 通信協議）。通過有線電纜方式，將水位計儀表和閘門開度儀表鏈接至水量積算遙測終端，將采集到的水閘上下游水位值、閘門開度值傳輸至水量積算遙測終端。再根據過閘水流狀態，選擇相應的流量計算公式，設定流量系數值、閘門寬度值，最后通過算法編程由水量積算遙測終端自動積算出過閘流量值。

水量積算遙測終端對積算出的實時流量數據（瞬時流量值、累計流量值）進行儲存和現場液晶大屏顯示，并內嵌4G 無線傳輸模塊，將流量數據、水位數據、閘門開度數據遠程傳輸至監測信息平臺。監測信息平臺應用管理軟件對接收到流量數據、水位數據、閘門開度數據進行查詢、展示和生成報表等，并可通過手機APP 實現移動查詢和應用。

3 水量積算遙測終端設計

水量積算遙測終端是系統的關鍵核心設備，直接影響灌區量測水的精準性和可靠性。考慮到設備成本和可靠性，采用嵌入式技術設計研制水量積算遙測終端，由ARM 控制器、數字信號I/O 接口模塊、存儲器、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，結構圖見圖1。

圖1 水量積算遙測終端組成結構圖

數字信號I/O 接口，主要為RS485 通信接口，采用modbus 協議，采集水位計儀表和閘門開度儀表的水位實時數據和閘門開度實時數據；電源模塊用于電壓轉換和系統供電，將220V 交流電轉換為12V直流電，為水量積算遙測終端各電子元器件供電；ARM 控制器用于數據的采集轉換和流量積算等；存儲器用于對采集的水位、閘門開度、流量等數據進行存儲；液晶觸摸顯示屏用于對水位、閘門開度、流量等進行直觀展示，以及設置流量系數、閘門寬度等。

流量積算模塊為采用特定算法，通過軟件編程利用ARM 處理實現過閘流量的智能計算。算法原理為根據“有閘自由流、全開自由流、有閘潛流和全開潛流”四種不同水流狀態，選擇對應的流量計算公式。根據設置的流量系數、閘門寬度，以及采集的上下游水位值、閘門開度值，即可自動計算出實時過閘流量。

4 監測信息平臺設計

配置服務器、磁盤陣列、網絡設備、防火墻等相關平臺硬件設備實現對灌區分水閘流量相關信息的接收、存儲和處理。開發基于B/S 構架的平臺應用軟件，實現多種信息的發布、查詢、統計和分析功能，采用WEBGIS 為基礎，在發布的電子地圖上標注灌區分水閘的空間分布。

（1）實時監測模塊。在GIS 地圖上，展示灌區水閘及分水口具體分布位置；點擊位置圖標，可展示該水閘的基礎信息。查詢基礎信息包括水閘類型、工程級別、現場照片等。

（2）查詢統計模塊。可實時采集分水閘監測點實時信息，并以多媒體和直觀的專業圖表等方式在WEB 網頁上自動顯示。可瀏覽動態網頁，觀察分水閘的上下游水位值、閘門開度值、瞬時流量、累積流量、采集時間、現場視頻圖像等信息。可選擇查詢任一時段內，灌區分水閘的所有開閘時間、關閘時間記錄和臺賬，以及閘門開度值和取水量數據。

（3）統計報表模塊。可以通過設定時間段，查詢灌區分水閘的總放水量等信息；可以查詢指定時間段內各水閘的開關閘信息和上下游水位信息，并可以按標準模版形成統計報表，同時支持報表Excel文件導出打印。

（4）移動查詢系統APP。開發基于Android 系統的灌區分水閘量測水監測移動系統APP，具有地圖瀏覽查詢、地圖導航、水閘基礎信息查詢、閘門開度查詢、上下游水位查詢、放水量統計等功能，可配置與手機、Pad 等移動終端上應用，實現隨時隨地查詢和掌握水閘的狀態及放水量等信息。

5 結語

灌區分水閘量測水自動監測系統已成功應用于安徽省內多個大中型灌區，在實際應用中取得了較好的效果。該系統的應用改變了以往人工現場記錄開閘時間和人工統計推測水量的情況，降低了人員工作強度、提升了工作效率。在系統實際應用中，為保障量測水精度，需做好流量系數的檢測及率定工作。流量系數現場率定，可用流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學公式計算，通過多次測驗，分析流量系數規律，建立流量系數與有關水力因素的相關關系。當有多種形式的泄水建筑物混合出流時，應逐個率定流量系數。

現場率定的流量系數相關因素關系線，在使用過程中，關系線穩定的，應每隔5～10年進行一次檢測；關系線不夠穩定的，應每隔2～5年進行一次檢測；當發現水工建筑物尺寸、形狀、糙率變化時，應及時檢測。每條流量系數關系線每次檢測，用于檢驗的測點數應不少于10 個。可用《水文資料整編規范》（SL247-2012）中規定的t 檢驗法進行檢驗