德州陵城區引黃灌區水情監測系統建設

劉長林,徐洪園,程 霞

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，濟南 250100;2.山東省德州市陵城區水利局,山東 德州 253500)

0 前 言

水資源是一種極為重要的資源，是社會發展必不可缺的資源。中國面積廣闊，有較多的地區處于水資源短缺的情況[1-2]。為了改善這一現象，我國已經修建了大量的灌區工程，在一定程度上改善了水資源短缺、時空分布不均的現狀，促進了農業的發展。然而，早期修建的灌區工程在一定程度上出現了破壞現象，導致輸送水效率低下，造成了水資源的浪費[3-5]。隨著科學技術的不斷發展，自動化水情監測系統在灌區工程建設應用已成為可能。通過水情監測，可控制灌水質量，實現計劃用水，從而進一步提高水資源利用效率[6-9]。本文結合陵城區引黃灌區節水改造工程，對灌水情監測系統建設方案進行分析，研究灌區桁架式、纜道式測量系統及明渠雷達、電磁流量遙測站建設方案，構建水情監測系統，為灌區水情監測系統搭建提供實踐依據。

1 工程概況

德州市陵城區目前存在著水資源總量偏少且時空分布不均，是典型的缺水地區。引黃灌區工程分為骨干渠系工程與鄉鎮末級渠系工程，其中骨干工程涉及9條溝渠清淤，共88.93 km，2條溝渠襯砌，共4.08 km；鄉鎮末級渠系工程涉及95條溝渠清淤，共150.11 km。為了提高水資源利用效率，引黃灌區實施節水工程建設。目前灌區主要存在供水渠系不完善、配套差、量測水設施不全面，無法做到計量供水，準確計量每個農戶用水等問題。

2 測水量水建設內容及功能

2.1 內 容

灌區量水設備配置和量水技術應用的實現灌區計劃用水、改善灌水質量、提高水資源利用效率的重要措施之一。通過建設測水量水工程，可在一定程度上促進節約用水事業的發展。引黃節水項目建設水情監測系統主要有纜道式測流車、桁架式測流車、明渠雷達遙測站、超聲波流量遙測站、閘門量水，在滿足實用性的基礎上采用有先進性的設備進行試點建設，進而打造符合現代化灌區要求的水情監測系統。灌區建設水情監測站點共計39處，數量分布如表1所示。

表1 水情監測系統建設任務表

水情流量計測站主要包括明渠雷達遙測站、明渠電磁流量遙測站等。測站通主要過3G/4G網絡將流量監測數據傳輸到已有的信息化平臺灌區量水測水管理系統。

2.2 功 能

測水量水工程的主要功能如下：

(1) 明渠雷達遙測站、明渠電磁流量遙測站：

① 測速范圍0.1～20 m/s;② 測速精度為±0.01 m/s；±1%FS;③ 流量計算必須有水力模型，水力模型與斷面的粗糙度、坡度、斷面形狀、水位相關；流量計可以直接輸出流速、水位、瞬時流量和累計水量。

(2) 纜道式、桁架式測流功能：① 實現水位采集測量；② 實現水深/淤積測量；③ 實現分層流速測量，依據測點水深或者用戶設置對分層流速進行測量；④ 實現斷面流量自動計算；⑤ 測流過程全自動，無需人員干預；⑥ 系統可通過水深或水面寬度自動調節測點密度；⑦ 本地控制，可進行手動測量控制，測量過程數據實時顯示；⑧ 遠程控制，需支持通過上位機軟件遠程控制操作，通過無線網絡實時將過程數據和狀態信息發送到上位機軟件，用戶可遠程監控測量過程；⑨ 故障分類報警，系統運行過程中，可對監測到的故障分級管理，不影響測量過程的故障以閃光形式提示用戶，致命性故障則觸發聲光報警，并立即進入待機模式，防止發生意外。

3 站點設計

3.1 桁架式測流系統設計

桁架測流系統需要在灌區關鍵的干渠量水點安裝鋼結構測橋，建設測流房。安裝測流小車及控制系統，軌道測流站點現場安裝情況如圖1所示。

圖1 軌道測流站點現場安裝示意圖

測流房建設于渠道右側，具體施工方案可根據現場情況選定。測流房最小建設尺寸為2 250 mm×2 400 mm(長×寬)，軌道的一側可于適當位置安裝防盜門，供工作人員及調試人員進入測流房。測流房附近安裝視頻監控1套，采用4G球機，立桿安裝。系統供電采用太陽能供電。主要設備包括：渠道斷面自動測流車1臺、通訊控制箱1套、旋槳型流速儀1臺、蓄電池12V60AH 1個。

3.2 纜道式測流系統

渠道斷面自動測流系統包括基礎設施(纜繩軌道、測流房)、渠道斷面自動測流車、系統配套設施，系統軟件4部分組成。系統示意如圖2所示。測流系統效果如圖3所示。

圖2 系統示意圖

鐵塔及纜索：

(1) 鐵塔

鐵塔采用八棱變徑鋼管，總高度2.3 m，壁厚6 mm，法蘭盤直徑700 mm，厚度22 mm。

圖3 纜道式測流系統效果示意圖

(2) 鐵塔及錨桿基礎

鐵塔基礎混凝土標號為C20，尺寸1.7 m×1.7 m×2 m(長×寬×高)；錨桿基礎混凝土標號為C20，尺寸1.7 m×1.4 m×2 m(長×寬×高)；

3.3 明渠雷達遙測站

明渠雷達遙測站安裝需要考慮渠道的寬度和邊坡的環境，保證探頭牢固和穩定且要垂直與水面并且可以監測到渠道內的最低水位。設備箱、太陽能板固定在鋼桿上。根據渠道寬度采用的設計，渠道上口小于10 m的站點，設備鋼桿采用直徑為?165 mm的鋼管制作，立桿基礎為現澆C25混凝土，尺寸為1 000 mm × 1000 mm × 1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于10 m且小于15 m的站點，設備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎為現澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于15 m且小于30 m的站點，渠道兩岸各立桿安裝1套設備，設備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎為現澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于30 m的站點，渠道兩岸各立桿安裝1套設備，支臂采用15m的加長支臂，設備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎為現澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)。明渠雷達流量計安裝示意如圖4所示。

圖4 明渠雷達流量計安裝示意圖(渠道口寬B>30)

3.4 明渠電磁流量遙測站

流量計安裝處斷面用C25混凝土澆筑擋墻，確保渠道內水全從超聲波明渠流量計流過。設備箱、太陽能板固定在鋼桿上。設備鋼桿采用直徑為?165 mm的鋼管制作，桿基礎為現澆C25混凝土，尺寸為長1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm(長×寬×深)。明渠電磁流量遙測站安裝如圖5所示。

圖5 明渠電磁流量遙測站安裝示意圖

4 結論及建議

4.1 結 論

引黃節水項目信息化建設本著實用、先進、可靠、可擴展、運維簡單等技術原則，建設適合陵城區的量水模式。與傳統人工量測相比，采用高精度的測量設備(測速精度：±0.01 m/s)，測量結果精度大幅度提高，從而實現直管渠系的精準計量，通過信息化手段，將現場采集的數據信息及時傳輸至信息中心，加強數據的收集、傳輸、整合與分析，可實現用水信息管理，以及用水粗放型管理向精細化管理的轉變。測水量水工程建設切合實際地服務于量水工作，自動化監測、傳輸手段的應用減輕管理人員的工作負擔。實現了水資源實時監測、計劃用水和節約用水管理目標。

4.2 建 議

灌區節水配套改造工程建設可提高灌區水資源利用效率，信息化平臺的搭建可降低管理人員工作強度，提高水資源管理效率。陵城區引黃灌區節水改造工程及信息化平臺建設工程具有重要的意義，還需政府加大投資力度，在政策、資金、物資等方面予以傾斜和優惠，為加快灌區節水改造及信息化平臺建設速度提供保障。