高精度低成本雷達式測流系統在鳳臺縣永幸河灌區中的應用

賀 磊

鳳臺縣永幸河灌區管理處，安徽 淮南 232100

鳳臺縣永幸河灌區位于淮河中游，灌區總面積約600km2，耕地總面積約366.7km2。主干渠永幸河全長43km，設計流量120m3/s，與其溝通的15條大溝全長155km，組成了灌區的主要排灌水網，實現了南水北調、北水南濟、排灌自如。

灌區地域寬廣、支渠數量多、個別支渠比較偏僻、交通不便，測流站散布野外無人看管。使用人工測流或半自動測流方案，建站成本高、運維成本高，測流站點配件易耗損，且流量數據無法實時在線監測。因此，文章提出一種結合物聯網、雷達波測流技術的全自動化測流系統，該系統建設成本較低，相對誤差較小，可滿足灌區測流的精度要求，且實時性好、可靠性高、通信費用低。

1 傳統灌區流量測量方法

傳統的灌溉渠道流量測量方法包括流速儀法、標準斷面法、渠系建筑物法、量水堰法、量水槽法等[1]。其中，國家標準水文站典型的纜道（軌道）流速儀法是一種人工測流方法，其測流理論和操作規程非常成熟可靠，但在這種測流方法下改用全自動控制纜道測流站以后可靠性很差，測流時間很長，且機電一體化的設備故障率高，以及河道水體的漂浮物對旋槳流速儀的纏繞，導致不能長期全自動測流。

2 自動化灌區流量測量方法

2.1 自動軌道測流法

自動軌道測流法主要是利用自動控制電機驅動鉛魚流速儀的總成型測流裝置。由于其機電一體化裝置具有高復雜性，故障率較高，且旋槳流速儀會受漂浮物纏繞等干擾因素影響，日常運行需要較多的現場調試和維護工作。

2.2 超聲波H-ADCP法

超聲波H-ADCP法是一種基于渠道剖面橫向水體的超聲波多普勒原理代表流速法，適合水位變幅不大的特定自然河道測流。灌區調水時的渠道水位變幅很大，因此H-ADCP無法滿足規范中探頭在水下自動跟蹤60%水頭位置的要求，不宜采用[2]。

2.3 超聲波時差法

超聲波時差法是一種基于渠道剖面橫向水體的超聲波陣列代表流速法。該方法主要存在泥沙淤積改變剖面形態的測量誤差、代表流速與橫向平均流速的建模理論相關性問題，以及條件河渠左右岸條件不符合探頭安裝要求、人工清淤對渠道內密集超聲波探頭陣列和布線產生破壞等問題，后期運行維護工作量和成本較大，不宜大批量設計采用。

2.4 雷達波測流法

雷達波測流法是一種渠道非接觸式測流法。在河渠水面上方架設懸臂式支架安裝雷達探頭、平板陣列式雷達天線用來測水位，另一個多普勒天線用來測水體表面流速，然后通過水文模型計算出流速點下面的垂線平均流速，然后采用與垂線法ADCP相同的技術路線，可以采用走航式ADCP數據進行建模、率定和比測數據，垂線流速與斷面測流模型具有水文測驗理論相關性，因此是一種科學的實時自動測流方法，該方法可以滿足5min的監測周期要求[3]。

2.5 自動測流方案比選

河渠斷面自動測流是一個非常復雜的技術，由于河道寬度、河床形態、水文變化特征、地形和地質條件均不同，投資成本存在差異，測流精度不同，導致沒有一種全自動測流方法可以適應大部分自然河渠測流斷面。各種不同測流方案技術比較分析表如表1所示。

表1 各種不同測流方案技術比較分析表

根據鳳臺縣當地灌渠水系情況，以及前述各自動化測流法的特點，最終鳳臺縣永幸河灌區選用雷達波測流法開展自動測流工作。

3 鳳臺縣永幸河灌區自動化測流系統

3.1 自動測流系統的拓撲結構

鳳臺縣永幸河灌區自動化測流系統的組成主要包括以下三個部分：應用層，即中心站監管平臺，主要由服務器、數據庫軟件、遙測站自動監測系統軟件平臺等組成；傳輸層，即數據通信網絡，主要采用無線物聯網進行傳輸；物理層，即前端硬件設備，包括遙測終端、流速及水位傳感器設備等。系統組成拓撲如圖1所示。

圖1 鳳臺縣永幸河灌區自動化測流系統拓撲結構圖

3.2 自動測流站的主要功能及現場安裝

（1）自動測流站的主要功能。①自動采集水位、表面流速傳感器的數據，處理和存儲數據，接收和響應中心站發送的招測命令；②現場終端嵌入流量模型和計算功能，發送水位、流速和流量計算數據；③支持遙測終端一發多收，向不同地址的中心站目標發送數據；④固態存儲，自動存儲1年以上的水位、流速、流量數據；⑤響應云平臺的遠程參數配置和接口測試指令。

（2）現場安裝。①選址測流斷面，現場預制混凝土基座；②太陽能板安裝在立桿上，安裝和固定立桿；③放下懸臂，安裝雷達二合一傳感器探頭；④在立桿上安裝設備箱、蓄電池，連接電纜；⑤遙測終端上電，配置參數，測試雷達傳感器的讀數；⑥升起懸臂并固定，測試流量和發送遙測流量數據。永幸河灌區自動測流站安裝示意圖及現場圖如圖2所示。

圖2 鳳臺縣永幸河灌區自動測流站安裝示意圖及現場圖

4 結束語

隨著通信技術、物聯網技術在水利工程中的深入應用，灌區流量在線自動監測系統越來越受到重視，它可以實現多個設備的分布式監控及集中管理，通過將流量遙測站的各種運行狀態參數數字化、信息化、網絡化，以實現數據共享；中心站監管平臺同時對各遙測的水位、流量等實現實時自動在線采集，監控遙測各個設備的運行狀態，在出現異常時迅速處理并報警，全面實現灌區流量監管的全自動化。文章所述自動測流系統建設成本較低，相對誤差較小，可滿足灌區測流的精度要求，且實時性好、可靠性高、通信費用低，可長期穩定運行，值得推廣。