沿江感潮段閘站流量實時監測系統設計

錢福軍，肖文仁，束長寶，包加桐，賈小網，唐鴻儒

(1.江蘇省水文水資源勘測局泰州分局，江蘇 泰州 225300； 2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

水文工作是通過對水位、流量、降水量、水質、泥沙、蒸發、熵情等水文要素的監測與評價，并對水資源的量、質及時空分布變化規律進行研究，以及對洪水、旱情進行監測和預報，為區域水資源的配置、利用、節約、管理、保護以及防汛抗旱減災提供基礎信息、技術支撐與決策依據。水文監測是獲取河道流量第一手資料的直接途徑。傳統流量測驗以水文纜道、船測為主，測驗強度大，間隔時間長，工作效率低，易受河道漂浮物影響，無法滿足連續、實時、自動、在線監測的要求[1]。隨著信息化與智能化的不斷發展，充分利用現代傳感技術、自動測量技術、自動控制技術、計算機應用技術以及相關分析軟件和通信網絡技術進行各類閘站流量實時監測成為必然選擇[2-3]。

目前，國內外學者應用于河道流量自動監測的方法有：水平ADCP法、超聲波時差法、流速儀法、非接觸式雷達波在線測流法等[4-6]。各種流量監測方法都有一些成功的案例，不同的流量監測方法均有其適用條件，不同的流量監測環境需要結合實際選擇最優的監測方案[7-9]。本文考慮沿江閘站地理位置特殊，結合流量監測系統工程要求，依據水力因素法與一潮推流法等流量推算方法，以云平臺為依托，開發沿江閘站流量實時監測系統。該監測系統能夠在云平臺將現場采集的閘門實時開啟高度、寬度和從水情系統中獲取的水位數據進行融合計算，從而得到過閘流量，實現集中監視、定時報汛、分類數據統計存儲、資料整編，并在必要時進行人工報汛等功能，可以減少重復勞動，提高工作效率，保證水文數據的時效性。

1 監測概況

沿江閘站共有5座，水位站點18座、降雨量觀測點16處、蒸發量觀測點2處、地下水監測站28處、水土保持監測站1個，分布于高港、泰興、靖江3個市區，具體如下。

(1) 高港樞紐工程。節制閘共5孔，設計流量440 m3/s，常年運行，單向引水；泵站裝機9臺，設計流量300 m3/s，可雙向抽引、抽排；泵站底層流道可配合節制閘大流量引水，單向運行，設計流量160 m3/s；送水閘共3孔，設計流量100 m3/s，可往通南地區雙向抽引、抽排水量。

(2) 馬甸樞紐。節制閘共5孔，設計流量180 m3/s，雙向引排水；泵站裝機5臺，設計流量60 m3/s，單向抽引水。

(3) 過船港閘。節制閘共5孔，設計流量110 m3/s，雙向引排水。

(4) 夏仕港閘。節制閘共5孔，設計流量650 m3/s，雙向引排水。

(5) 口岸閘。口岸閘共3孔，雙向運用，引水設計流量72.0 m3/s，排水設計流量134 m3/s。

上述5個沿江節制閘站地處長江下游感潮河段，該段長江側水位受潮汐影響起伏較大，致使沿江口門水閘及涵閘兩側水位差連續變化，當閘位一定時，過閘的流量會隨水位差的變化而大幅變化。沿江閘站雖已基本實現對水位、降水量、蒸發量、地下水、水土保持監測的全自動實時測報與資料整編，但流量自動監測工作相對滯緩，仍采用傳統的水文纜道測驗[3]，不僅費工費時，而且不能實現連續在線監測，致使水文流量監測精準度不高；測量數據也不能自動讀入水文數據庫，報汛方式相對落后，增加了水文資料整編工作的難度；當河面存在大塊漂浮物時，水文測量工作無法進行，影響測量精度和測量人員工作安全，已遠不能滿足水文信息化的要求。

2 系統總體框架

沿江閘站流量實時監測系統是在整合沿江閘站硬件設施和軟件系統的基礎上，依據沿江閘站工情等開發出的1套標準、結構化的平臺。該系統由現場數據采集層、服務端數據處理層、功能服務層和應用界面層4個部分組成。系統的總體框架如圖1所示。

(1) 現場數據采集層。安裝在沿江閘站的現場閘站測量單元，自動采集并發送閘站水文數據給互聯網云平臺。

(2) 服務端數據處理層。在泰州水文分局的服務器端或互聯網云端編有數據接口程序，接收沿江閘站現場測量單元發送的水文數據，并將實時水文數據插入到服務器的數據庫中。

(3) 功能服務層。對接收的實時水情數據進行數據整編，匯集成水情發報、網頁服務和手機APP服務需要的各類水情數據，以及將每日08：00報汛數據寫入專有水情數據庫。

圖1 流量監測系統總體框架Fig.1 Overall framework of flow monitoring system

(4) 應用界面層。能在水利數字地圖查看或展示沿江閘站的基本信息、實時雨水情信息；能夠查詢各個閘站相關水情的歷史數據和變化曲線；能夠進行人工報汛及相關水情數據的日旬月統計。

流量監測系統基于云平臺，設計了一種用于感潮段閘站的流量實時監測方法，能實現流量計算、水情發報、信息展示等功能。

系統整體運行流程按照自下而上的模式：現場閘站測量單元通過TCP協議與云平臺建立連接，將現場閘位數據發送到云平臺；基于云平臺的服務端數據處理軟件對水位、閘位數據進行處理，計算成流量數據，然后對流量、水位等數據分類整編、發布；通過web網頁應用服務或手機APP，能夠對沿江閘站水位、流量等各類水情數據實時監測。

3 流量實時監測方法

流量實時監測系統以閘門限位開關、水閘開度儀和4G-RTU設備組成現場閘站測量單元，實時監測沿江閘站的閘位數據，結合水位-流量的率定經驗關系[10-11]，根據水力因素法與一潮推流法流量計算方法進行推流，完成實時流量計算。

流量實時監測方法步驟如下：

(1) 對沿江閘站的所有監測站，根據不同的結構類型、工情，確定不同的流量計算方法；

(2) 基于不同類型閘站的流量計算公式，確定閘站實時流量計算需要監測的數據，由現場閘站測量單元完成監測數據的采集與傳輸；

(3) 確定流量實時監測系統的監測數據存儲頻率，以每5 min采集1次水位信息入庫，同時以同頻率采集計算流量所需的數據，同步計算流量入庫，實現流量的實時監測。

3.1 現場閘站測量單元

根據每個閘站的實際工況、水情，研制沿江閘站現場測量單元，采集沿江閘站的閘位數據并發送給互聯網云平臺，提供完成水流量、引排水次數等其他水情數據的數據支撐。

如圖2所示為沿江閘站現場測量單元結構框圖。現場閘站測量單元由水閘開度儀、閘門限位開關和4G-RTU組成，完成對閘位數據的采集和發送。水閘開度儀和閘門限位開關負責采集現場水閘的閘位信號，4G-RTU把采集的閘位信號上傳到互聯網云平臺，完成現場數據采集與傳輸功能。

圖2 現場閘站測量單元結構示意Fig.2 Structural block diagram of field gate station measurement unit

3.2 流量計算方法

(1) 水力因素法[10]。① 對于閘孔流流態的閘站，采用淹沒式孔流計算公式：Q=f(B，E，ΔZ)，即流量Q與閘門開啟寬度B、閘門開啟高度E以及上下游水位差ΔZ有關；② 對于閘堰流流態的閘站，采用淹沒式堰流計算公式：Q=f(B，hu，ΔZ)，即流量Q與閘門開啟寬度B、閘上游(下游)水頭hu以及上下游水位差ΔZ有關；③ 對于抽水站，采用Q=f(N，ΔZ)的計算公式，即流量Q與抽水站開機功率N以及上下游水位差ΔZ有關。

(2) 一潮推流法[12]：當閘門平水開、平水關，且一次開啟為堰流時，優先選擇一潮推流法進行一潮最大流量或平均流量計算，計算公式為：Q=f(ΔZ，H)，即流量Q與上下游水位差ΔZ以及開閘前穩定水頭H有關。

因此，對沿江閘站流量推算時，首先要對沿江閘站的各個監測站，根據不同的結構類型、工情，確定不同的流量計算方法。如表1所示。

表1 閘站流量計算方法

3.3 監測參數

對所有閘站，普遍設計水力因素法計算流量。高港節制閘、底層流道屬閘孔流流態，口岸閘、馬甸閘、過船港閘、夏仕港閘屬閘堰流流態，高港抽水站、送水閘屬抽水站閘站類型；特別當監測站的閘門平水開、平水關，且閘站類型為閘堰流流態，采用一潮推流法計算流量。

根據不同類型閘站的流量計算公式，確定需要監測的參數，提供完成實時流量計算的數據支撐。

采用水力因素法時，需要監測的參數如下：

(1) 對于閘孔流流態的水閘，需要監測閘門開啟寬度B、閘門開啟高度E、以及上下游水位差ΔZ參數；

(2) 對于閘堰流流態的閘站，需要監測閘門開啟寬度B、閘上下游水頭hu、以及上下游水位差ΔZ參數；

(3) 對于抽水站，需要監測抽水站開機功率N以及上下游水位差ΔZ參數。

采用一潮推流法時，需要監測閘堰流流態閘站的上下游水位差ΔZ與開閘前穩定水頭H參數。

3.4 數據存儲要求

(1) 按照SL 323-2005《實時雨水情數據庫表結構與標識符標準》建立相應的數據庫并存儲。

(2) 確定系統監測參數的存儲頻率，實時信息數據以每5 min讀取1次。其中，開關閘、閘門變動情況下按實際發生時刻讀取時間與閘位，相應水位采用遙測庫水位內插。如開閘時間為09：03，但上下游水位是09：00和09：05的數據，這時需要插補09：03的上下游水位，降低實時流量的計算誤差。

(3) 因種種原因導致閘位數據不能讀取或閘位信息有誤不能使用時，增加人工錄入通道，通過手機APP或其他客戶端授權實現閘位信息錄入。

4 監測系統開發

4.1 系統開發方法

沿江閘站流量實時監測系統基于SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)開發框架進行開發。采用MVC(模型-視圖-控制器)設計模式，將系統進行功能解耦，通過業務邏輯、數據、界面顯示分離的辦法來組織代碼，各功能模塊可獨立開發，大大降低了程序的耦合性。在SSM框架下用戶請求服務器流程如圖3所示。首先用戶通過瀏覽器請求服務器，服務器攔截請求后，交由后臺Controller層處理，Controller層將請求任務交給業務層的Service實現，Service調用持久層中的DAO接口，DAO將完成對數據庫的具體操作任務。DAO得到數據庫數據后返回給Service層，Service層將數據傳遞給Controller層，Controller層再將獲取到的數據給前端(JSP/HTML)顯示，即完成了用戶請求、響應的過程。

圖3 用戶請求服務器流程Fig.3 User request server process

4.2 服務端數據處理軟件

基于云平臺的服務端數據處理軟件主要包括閘位數據接收與流量實時在線處理軟件兩部分。服務端數據處理軟件采用C++語言編寫，后臺數據庫使用Mysql關系型數據庫進行沿江閘站各類水情數據存儲。

閘位數據接收軟件主要用于接收沿江閘站現場測量單元發送的實時閘位數據與讀取水情系統中的實時水位數據，并對數據進行解析，寫入自定義的數據庫表中。

流量實時在線處理軟件主要功能是將現場閘站測量單元采集的閘位數據，結合對應時刻的閘站水位數據，利用水力因素法與一潮推流法的流量計算方法，計算出閘站的實時流量，同時可對流量、引排水潮次等水情數據進行日旬月時間段統計，并同步存入數據庫中。此外，將水情數據整編分類，定時報汛，于每日08：00發送到“水情數據庫”中，縮短水文資料整編時間。

4.3 監測系統軟件結構

沿江閘站流量實時監測系統軟件結構主要由實時數據模塊、報汛模塊、歷史數據模塊和基礎設置模塊構成。實時數據模塊中主要是在水利地圖上顯示沿江閘站基本信息、實時雨水情信息，能查看沿江閘站的開關閘信息數據，能查詢各個閘站指定時段上下游水位變化趨勢和水流量數據信息；報汛模塊分為每日08：00報汛和歷史08：00報汛信息展示，可將沿江閘站的流量、水勢、上下游水位等水情信息進行人工報汛，對錯誤信息進行修改，從外網寫入內網水情數據庫；歷史數據模塊是將相關水情數據按日、旬、月、年的時間段進行統計；基礎設置模塊對整個流量實時監測系統的用戶、權限、菜單等基礎信息進行管理配置。流量監測系統軟件結構如圖4所示。

圖4 流量監測系統軟件結構Fig.4 Software structure of flow monitoring system

4.4 流量監測系統功能

(1) 實時數據模塊。圖5所示為沿江閘站水利地圖集成信息展示界面，在地圖上標記各個站點地理位置，展示區域內水位、雨量、流量等實時數據。圖6所示為沿江閘站的開關閘信息界面，顯示沿江閘站各站點開關閘事件記錄，包括水位、水勢、開高、測流方法和水流量計算依據等信息。圖7所示為沿江閘站水位趨勢界面，能夠顯示和查詢各站點指定時段的上下游水位、引排水流量的數據信息，可直觀反映一段時間內閘站漲潮、落潮的趨勢，為閘站開關閘提供決策依據。

圖5 沿江閘站水利地圖集成信息展示Fig.5 Integrated information display of Yanjiang sluice station water conservancy map

圖6 沿江閘站開關閘信息界面Fig.6 Switch information interface of Yanjiang gate station

圖7 沿江閘站水位趨勢界面Fig.7 Water level trend interface of Yanjiang sluice station

(2) 報汛模塊。每日08：00流量實時監測系統進行自動報汛，即依據《水情信息編碼標準》相關要求，于每日08：00將沿江閘站流量、開關閘時間、上下游水位等水情信息從外網數據庫寫入水利專網水情數據庫。可實現報汛數據直接用于水文資料整編，減少人工重復勞動。系統每日08：00報汛模塊界面如圖8所示。

圖8 每日08：00報汛模塊界面Fig.8 Daily module interface at 08：00

(3) 歷史數據統計模塊。該模塊中主要是對沿江閘站引排水量數據、潮汐水情數據、閘泵水情數據按日、旬、月、年的時間段進行分類統計，可直觀看出沿江閘站不同時期引水量、排水量、引水次數、排水次數、最高潮位和最低潮位發生時間、上游水位、下游水位、過閘流量數據的相關水情變化趨勢。圖9～11分別為沿江閘站的日引排水量統計界面、日潮汐水情統計界面、日閘泵水情統計界面。

圖9 日引排水量統計界面Fig.9 Daily water diversion and drainage statistics interface

圖10 日潮汐水情統計界面Fig.10 Daily tide hydrological statistics interface

圖11 日閘泵水情統計界面Fig.11 Daily gate pump water regime statistics interface

5 結 語

本文設計了用于感潮段的沿江閘站流量實時監測系統，不僅可對沿江閘站上下游水位、上下游水勢、流量、開啟孔數、開機功率、引排水潮次等水情數據進行實時監測和分類統計，還能進行各類水情數據自動報汛，并寫入水情數據庫，保證水文數據的時效性。通過沿江閘站流量實時監測系統建設，為沿江閘站精準調度引、排水量提供了科學依據，提高了測量精度和安全可靠性，具有推廣應用價值。鑒于河床沖刷會造成斷面情況發生變化，為確保流量實時監測系統可靠運用，可利用原有水文纜道或走航式ADCP等測量儀器進行定期比測校驗，及時修改流量計算公式，使流量推算更加精準。