永幸河灌區灌溉溝渠測流方案比選

中圖分類號：S274.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0141-05

Abstract：ThispapercombinesthecharacteristicsofwaterdiversionflowinYongxing RiverIrigationArea，relieson moderInternetof Thingstransmisiontechnology，andusesradarwaveflowmeasurementprinciplestorealizethebesttechnical solutionforopenchannelcross-sectionflowmeasurement.Throughactualcomparison，thecomparativeadvantagesofthisflow measurementtechnical solutionarelowconstructionandoperationcosts，theaccuracyofchannelcross-sectionflowmeasurement canmetcurrentnationalregulatoryrequirements，andtheperformanceoftheworkandoperationprocess isstableandreliable. ThiswillfurtherimprovetheautomationlevelandeffciencyoffowmonitoringinYongxingRiverIrigationAreainFengtai County，andsolvethebotleneckproblemofutomaticflowmeasurementinmaincanalsandbranchcanalsintheirigationarea under unattended conditions.

Keywords：Yongxing River IrigationArea;flowmeasurementmethods；open channels；Internetof Things；plancomparison and selection

鳳臺縣位于安徽省中部偏北，淮河中游，淮北平原南緣。鳳臺縣南臨淮河，轄西淝河，北以茨淮新河為界，西臨潁上縣，東與淮南市潘集區接壤，縣域呈東南、西北斜形，南北長 50km ，東西寬約 42km ，面積 1100km² 耕地面積 46100km² ，水面16萬畝（1畝約等于 667m² ）。鳳臺縣永幸河灌區覆蓋地域面積廣、灌區溝渠干支線縱橫交錯、星羅棋布，建設在主干渠系上的自動化工程建設功能齊全，設備配備先進能夠實現高效率工作利用。而分布在偏遠的渠系測流點交通便利性差，建設的測流站基本屬于無人值守看管地域環境。假設采用人工測流或半自動測流方案，其投資建站運維成本高、人工運維工效低，測流數據無法實現全天候實時在線監測。為此開展灌區灌溉溝渠測流方案比選工作符合灌區管理工作實際情況，通過灌溉溝渠測流技術方案比選工作能夠有效提升灌區測流站點建設功效，實現低成本建設，高精準工作效率要求，通過典型技術方案比選分析，可實現測流站點長期穩定運行，節約工程建設運維投資成本，極有利于提升工程管理效率。

1灌區溝渠傳統測流方法應用簡介

灌區灌溉溝渠傳統最常用測流方法有標準堰槽、水工建筑等測流方法，該方法需要通過水位與水工建筑物參數關系來推算流量。測流前需要建設穩定自然流場測流區段和堰槽，不能保證長期有效的清淤和測流段堰槽前后渠段修型，這類測流方式土建成本高，后期維護和防治清淤破壞的難度較大，不宜大量普遍采用（圖1）。

2灌區灌溉溝渠全自動測流方案應用簡介

2.1 自動軌道測流法

自動軌道測流法工作原理是利用電機自動控制裝置與驅動鉛魚流速儀的組合工作實現總成型測流裝置，現階段最常見的有自動軌道車驅動式測流和自動纜道滑輪驅動式測流。其裝置弊端主要體現在機電一體化技術性復雜，使用過程故障率高，流速儀旋槳易受水面漂浮物纏繞干擾因素影響，完成全程無人全自動測流工作的可靠性概率較低，日常運行需要較多的現場調試和維護工作，并且不能滿足 5min 測流周期（每天動態測流運行288次）的應用要求，即使15min 的測量周期（每天動態測流運行96次）也會造成很高的機械磨損和故障率，不宜設計采用（圖2）。

2.2 超聲波H-ADCP法應用簡介

超聲波H-ADCP法是一種利用超聲波多普勒原理在渠道剖面橫向斷面測量水體流速的方法，可以實現 5min 采樣周期的流量監測要求。基本原理是：河床側向安裝的H-ADCP通過感測水體下 60% 深度位置的水平扇面代表流速與同時人工實測的斷面平均流速推算率定出相關系數 K ，在自動運行時通過感測的實時水深、H-ADCP水平代表流速、相關系數 K 來計算剖面的斷面流量（圖3）。

由于H-ADCP橫向代表流速與剖面平均流速之間沒有相關水文測驗建模理論支撐，僅依靠實驗建立相關系數 K 值關系，難以做全量程連續水深變化的精細化 K 值函數率定，因此不適合本灌區河道水位變幅很大的自動測流應用；H-ADCP感測的水平代表流速值精度也無數據誤差比測方法，難以進行H-ADCP的儀器運行維護；如果設計機電一體化裝置驅動H-ADCP傳感器跟隨水深變化保持在水下 60% 深度工作位置，水體中的泥沙沉積和雜物纏繞將導致自動跟蹤裝置高故障率。因此，雜物很多、水位變幅很大的河道不宜采用H-ADCP測流方法。

2.3 超聲波時差法應用簡介

超聲波時差法基本原理是：沿河道左右岸側面一定水深位置安裝超聲波收發探頭，通過時差測量單層水深的流速作為代表流速，由于單層橫向代表流速與剖面平均流速沒有理論相關性無法建模，因此工程應用中一般會根據河渠的極限水位高度不同，以水深0.5m 左右分層間隔距離設置多對橫向超聲波探頭陣列探頭并布線，通過累計各層的流速計算剖面平均流速，再根據實際水深推算斷面流量。這種方法可以滿足 5min 的監測周期要求，本方法不適用于附近沒有橋涵的較寬測流斷面安裝，橫穿較寬河道左右岸的信號電纜安裝和維護困難；自然河渠測流斷面的左右岸條件需要做岸坡土建整形或砌襯工程，成本和工期較大；輸水河道的淤積物和雜物將破壞復雜的成對探頭陣列。灌區河渠中不宜采用。

2.4 雷達式水位、流速法

雷達式水位、流速法是一種渠道剖面垂線法雷達多普勒原理流速法，可以實現 5min 采樣周期的流量監測要求。基本原理是：其在灌溉溝渠測流斷面的水體上方架設安裝懸臂式支架、二合一雷達傳感器、平板陣列天線雷達用來測量水位，多普勒雷達用來感測水體表面流速，然后通過相關性函數計算出流速點下的垂線平均流速，利用具有水位測驗理論相關性的測流模型，通過垂線平均流速計算出斷面平均流速，再利用雷達水位數據結合測流河道剖面模型計算出斷面流量（圖4）。

這種非接觸式河渠測流法維護成本、故障率低，可以采用走航式ADCP做表面流速和斷面流量數據的精度比測、建模參數率定，不受河渠淤積和雜物影響，無需渠道土建施工，建設成本較低，后期運維工作量和成本甚微，宜在野外無人監管區的干渠、支渠上大量建站。

2.5 自動測流方案比選

灌區河渠斷面測流方案眾多，從測流斷面條件、物理感知原理、建設運維成本和數據精度和可靠性等灌區自動測流站建設需求層面做技術分析，見表1。

鳳臺縣境內河、渠、湖和塘水系復雜，灌區河渠同時兼有防洪排澇和抗旱灌溉功能，以及自排、自灌、機排和機灌4種混合調度模式，河渠測流量水和水資源管理需求非常迫切。

參照表1，根據鳳臺縣灌區河渠較寬、水位和流量變幅很大、漂浮雜物很多、河渠流向變化頻繁和人工砌襯岸線比例不高等渠系情況，永幸河灌區主要選用雷達式測流法進行自動測流工作。

3鳳臺縣永幸河灌區自動化測流系統

3.1 系統通信網絡

鳳臺縣永幸河灌區自動化測流系統的組成主要包括：智能感知層，物聯網傳輸層和應用管理層，系統站網及通信組網如圖5所示。

3.2 自動流量遙測站

3.2.1 水位、流速智能感知

采用BC-21型雷達式水位流速一體化傳感器廣泛應用于 50m 以下天然河道、人工渠道、排水涵道的水位流速感測。

技術規格如下：水位范圍： 0.5～40m ；水位精度：±3mm ；流速范圍： 0.03～20m/s ;流速精度： ±0.01m/s ±1%FS ；流速誤差： ?1%（0.01m/s） ；測量時間： 0～180s 可設定；采樣周期： 0～300min 可設定；雷達天線：平面微帶陣列天線；雷達頻率：K波段；波束角度： 12^° ；智能接口：RS485/RS232，Modbus協議;數據接口： 4～20mA 模擬量；自動補償：內嵌水平垂直姿態傳感器，自動校正水平安裝誤差；工作電壓： 7～30VDC ；工作電流：運行狀態 ?90mA ，休眠狀態 ?1mA ；工作溫度： -35～ 70% ；設備保護：鋁合金外殼， 6kV 防雷等級。

3.2.2物聯網智能遙測終端

采用BC-3201型物聯網智能遙測終端（RTU），并采用低功耗ARM處理器、嵌入式操作系統、先進無線通信技術，滿足水信息管理系統對數據采集、傳輸的需求。

物聯網數據傳輸層結構如圖6所示。

主要功能如下。

1）遠程管理：采用手機APP軟件，通過無線網絡連接RTU，實現遠程參數配置和設備控制，支持RTU的遠程固件版本升級。

2）物聯網信道：板載嵌入4G全網通或IoT，支持北斗衛星短報文、VHF多遙測信道自動備份、切換；支持自報式、應答式、兼容式3種遙測工作模式；支持多路多協議并發數傳功能，實現一對多中心通信，同時滿足與不同遙測協議標準的多個中心站數據發送和接收。

3）固態存儲：板載2年以上數據存儲功能，支持USB口及遠程數據下載轉存。

4）智能自檢：提供設備自動校時，運行電壓、溫度、件狀態自檢告警。

5）智能模型：RTU內嵌入AFMM流量模型和AFMS流量計算引擎軟件，實現表面流速法、垂線法河渠大斷面測流功能，滿足超聲波ADCP、雷達多普勒流速傳感器的測流站一體化集成建設要求。

RTU技術規格如下：脈沖輸入接口：2路，支持單、雙信號翻斗式雨量計;并行輸入接口：1路，支持12位全量格雷碼編碼器水位計；狀態輸出接口：2路;O.C.接口， 12～24V/0.5A 驅動；模擬輸入接口：8路12位，4～20mA ;智能通信接口：1路USB、2路RS-232、2路RS-485；現地無線接口：板載嵌入1路藍牙、1路Lora;遙測通信接口：板載嵌人1路4G全網通或IoT物聯網;獨立日歷時鐘：獨立鋰電池供電，年誤差小于 2min ;輸入電壓范圍： 6～36VDC ;運行功耗范圍：值守功耗小于0.1W（不含遙測、無線和智能接口）；可靠性MTBF：大于 50000h ;工作環境溫度： -30～+70ΩC 。

3.2.3 雷達測流站組成結構

垂線法雷達式自動流量遙測站采用水位流速二合一雷達式非接觸感測方式一體化設計、制造、安裝，專用于 60m 以下的灌區河渠斷面自動流量遙測站建設，滿足灌區測流精度要求。

灌區自動測流站主要設備組成結構如圖7和表2所示。

3.2.4站點測流站功能、原理

1）自動采集水位、表面流速傳感器的數據，處理

和存儲數據，向中心站發送數據。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。灌區自動測流站智能系統原理示意圖如圖8所示。

河海大學AFMM和AFMS智能測流系統軟件嵌入RTU，在現場通過筆記本創建、率定和導人AFMM測流模型，AFMS計算引擎根據RTU采集的雷達水位、流速值演算輸出斷面實時流量數據，向中心站數

據平臺發送流量值。

手機APP可以遠程率定和比測流量數據，AFMS自動學習優化測流數據精度。

3.2.5 現場安裝設計

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。

3.3灌區中心測流管理平臺

3.3.1 客戶端管理

B/S架構的灌區監控中心應用軟件平臺PC客戶端實現對灌區測流站、防汛抗旱、水資源和應急管理等綜合管理功能（圖9）。

手機APP測流模型管理器可以通過物聯網支持RTU端測流模型創建、參數率定、測流斷面的剖面導

入等遠程管理功能（圖10）。

3.3.2 手機APP端管理

4結束語

隨著物聯網通信、智能終端及測流模型在鳳臺永幸河灌區的創新實踐應用，解決了鳳臺智慧水利信息化系統與省市已建新建水利信息系統之間的“數據孤島\"問題，實現了灌區自動測流、遠程設備管理和控制功能。雷達式自動測流站系統建設和運維成本較低，采用具有科學理論支撐的垂線法測流模型，可滿足灌區測流的精度要求，具有實時性好、可靠性高、通信費用低和運行功耗低，野外防雷抗干擾能力強、可長期穩定運行的特點，值得在數字孿生智慧灌區項自設計和建設中推廣應用。

參考文獻：

[1]賀磊.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[J].工程技術研究，2021，6（17）：131-132.

[2]黎含，劉志飛.贛南丘陵山區農戶生計與土地利用行為耦合協調研究——以興國縣為例[J].梧州學院學報，2022，32（6）：49-59.