雷達流量計在灌區渠首在線計量中的應用

張貴芳

（河南省水文水資源測報中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

根據水利部對取水監測計量體系建設要求，0.30萬hm2以上大中型灌區渠首取水口在線計量實現全覆蓋，一般中型灌區渠首取水口若符合安裝在線計量設施的應實現在線計量，不符合安裝在線計量的可采用推算或折算的方式計量。對在渠首取水口安裝在線計量設施，對灌區取水量進行實時在線監測，可實時掌握農業灌溉用水量的大概情況。文章以灌區渠首取水口安裝雷達流量計，采用流速面積法，實時監測灌溉用水量作為案例，闡述灌區取水量在線監測的實現。

1 測流方式選擇

目前測流傳感器主要分為兩大類：接觸式和非接觸式。其中接觸式測流傳感器有多普勒超聲波流量計、V-ADCP、H-ADCP等，非接觸式測流傳感器主要使用是雷達流量計。雖然測流方法多種多樣，但從原理上概括起來主要分為兩大類：水位流量關系法、流速面積法。雷達流量計監測優勢主要在于它是非接觸監測，易于運維，可實現24 h對流速、水位、流量監測，且安裝施工簡單，汛期和非汛期均可安裝。從河南省大中型灌區渠首安裝在線計量設施的實際情況來看，大部分采用流速面積法，使用的監測設備主要是雷達流量計。

2 監測斷面選址

渠道型監測的監測斷面的選址非常重要，不宜選取在彎道、流態不穩、有沙洲崩岸、死水的斷面處、也不宜選取在水工建筑物上游處。選擇這樣的監測斷面，一般會流速不穩，監測到的水位、流速值會發生跳變，監測數據無法代表真實情況，無法滿足測量精度要求。雷達流量計安裝位置應距離渠首出水口一定距離，監測設備上游順直段應滿足10倍渠寬，下游順直段應滿足5 倍渠寬。同時也應考慮所選擇的位置后期是否適宜水位、流速的人工實測。為保證取水計量精度，每年應開展流量率定、水位-流量關系率定。

3 監測設備安裝調試與數據接入應用

3.1 監測設備安裝

安裝前準備：儀器設備安裝前需要現場工程師進行現場測量，并定制儀器設備的立桿及支架，目的是確保傳感器所在測流垂線為渠道中線位置。

安裝基礎及防雷接地制作：安裝基礎尺寸一般為0.80 m×0.80 m×0.80 m，防雷接地要求為接地電阻<10 Ω。

立桿及保護箱安裝：將提前定制好的立桿固定安裝于混凝土基礎，并將三防箱固定于立桿側壁。三防箱材質應采用防銹材質。

安裝時盡量使雷達流量計上蓋平面與水面處于平行狀態，從而保證測水位的雷達波束與水面垂直，即橫滾角在±3°內；測流速雷達波束與水面間的夾角（即俯仰角）約55°，以保證測量的精度。

雷達流量計中的傳感器通過通信電纜和485 轉USB 接口與電腦連接，并連接電源。

3.2 參數配置

雷達流量計可通過專用的上位機軟件進行相關參數設置。

3.2.1 設置安裝高度參數

設置“設備參數1”區域的參數時，填寫安裝高度，然后對應點擊“設置”，顯示設置成功即完成安裝高度的設置。

3.2.2 設置斷面形狀參數

現場安裝人員根據監測斷面的測量結果，設置對應的尺寸參數?，F場常見結構形狀有梯形、矩形、圓形和不規則形狀。①當監測斷面結構形狀為規則形狀時，斷面形狀選擇項可根據實際情況進行選擇，輸入對應的尺寸（如底寬、口寬、渠高等）參數，界面可自動顯示斷面形狀剖面圖，對比監測斷面剖面圖與實際形狀無誤后，點擊“設置”即可。②當現場結構形狀不在梯形、矩形、圓形結構范圍之內時，監測斷面形狀應選擇不規則，此時需要設置多組不同的結構尺寸參數。斷面結構設置如下：點擊“清空”，以左側零點為源點，分別將1、2、3、4、5、6 點位相對于零點的距離輸入坐標表格中。點擊“設置”，顯示監測斷面的剖面圖，即可設置成功。

3.3 遙測終端機調試

遙測終端機調試順序一般為：①先接通電源。如果是交流電供電，首先應合上交流電源的空氣開關，再合上數據采集終端的電源開關，完成供電；如果是太陽能（蓄電池）供電，則合上數據采集終端的電源開關，完成供電。②配置參數。配置內容包括站號、傳感器類型、數據采集間隔、數據存儲間隔等各項參數，具體需配置的參數應按照水資源數據傳輸規約中上傳和存儲要求進行配置。雙擊配置軟件圖標打開計算機USB參數配置軟件，點擊主界面上的“參數設置”，按照水資源數據傳輸規約進行RTU相關參數設置，見圖1。然后根據監測數據接收端服務器IP及端口信息進行網絡通信設置。③系統聯調遙測終端機參數設置完畢后，需要手動遙測數據，并將數據上報至水資源監控平臺，確?，F場與監控平臺數據一致。

圖1 RTU參數配置圖

3.4 比測數據要求

為確保監測數據準確可靠，還應開展監測斷面測量、數據比測工作。監測斷面的大斷面測量應包括測量數據和大斷面圖，大斷面圖包括起點距和高程，同時應明確水位和流速測量設備的位置。

因為雷達流量計所采用的流量計算方法一般為流速面積法，其中流速由雷達流速儀測得，過水面積需要通過實測水深以及監測大斷面實時計算。所以在監測站點建設的同時，需要進行詳細的監測大斷面測量工作，并將該大斷面信息錄入監測系統，以便實時計算過水面積，進而計算得出實時流量數據。渠道型監測管理系統根據所錄監測大斷面數據，可自動形成大斷面橫剖面圖。

監測數據接入進水資源監控平臺后，后期仍需人工對水位、流速、流量進行比測，并將比測數據錄入渠道型監測站管理系統，計算出高中低水位對應的率定流量系數。

3.5 監測數據接入與水量計算

監測設備調試成功后，RTU通過網絡將實時監測數據上報至水資源監控平臺，然后渠道型監測站管理系統從水資源監測數據庫獲取解析后的監測數據，通過流速面積法自動對水量進行計算。

通過明渠在線流量監測站點的建設及運行，管理人員可隨時在渠道型監測站管理系統查詢灌區用水量情況，并且可根據年許可水量實現用水速率預警及用水量預警分析，為灌區管理者提供決策科學依據。

4 結語

通過灌區渠首取水口安裝在線計量設施，實現了灌區用水量計量自動采集，為水行政主管部門對于農業用水總量指標控制、水資源優化配置與監管提供了基本數據支撐，為按水計量征收水費和經濟用水管理提供較可靠的依據。