灌区明渠水位流量实时监测技术研究与应用

马腾远,张 庆,宋玉娟,王贵田,马树升

(1.河海大学土木与交通学院,江苏南京 210098；2.临沂市平邑县水利局,山东平邑 273300；3.日照市岚山区水利局,山东 岚山 276806；4.东营市河口区水利局,山东东营 257200；5.山东农业大学水土学院,山东泰安 271018)

1 引言

目前国家实施的大中型灌区节水改造的重点是干支渠的衬砌和配套、小型农田水利工程建设的重点是斗农渠的衬砌或改为管道。基本要求是大幅减少渠系渗漏损失、从水源到田间输配水通畅、闸阀控制灵活、灌溉计量准确、土建工程美观、监测控制设备自动化程度高、有相应的管理机构和管理措施等。

灌区现代化管理的内容相当广泛,其中明渠水位流量实时监测是其核心内容之一,也是推动计量灌溉促进灌区节水和提高作物水分生产率的基础条件。作者在这一领域进行了10多年的跟踪和应用研究,本文就部分应用研究的内容做一介绍。

2 水位流量监测系统的结构与功能

目前新建的灌区水位流量监测(控制)系统,多由一个监控中心和多个水位流量监控站组成。在监控中心最基本的设备组成有工业控制机、数据采集及流量积算软件(控制软件)、显示器、打印机、VGA分配器、投影机及投影屏或超薄壁挂液晶电视、交流220V供电和UPS不间断电源,GPRS通信模块、避雷器及接地极等。

在水位流量监测站最基本的设备组成有水位传感器、数显仪表、超声波流量计、GPRS通信模块、直流开关电源、交流220V供电或太阳能供电系统、避雷器及接地极等。此外系统具有很强的扩展功能:如可增加土壤水分传感器、翻斗式量雨器、空气温湿度传感器、地下水位和盐度传感器、闸或阀开度传感器、电量传感器等；还可对现场的阀门、水闸、水泵等开启或关闭。监测控制系统的结构如图1所示:

图1 监测控制系统结构图Fig.1 The structural of control system

2.1 现场监测显示功能

可利用安装在渠道或灌区现场的水位传感器、超声波流量计的换能器、土壤墒情传感器等各种不同监测功能的传感器,将测得的各种物理量如水位、流速、土壤含水量等转换为一标准信号如4-20mA或0-1V或1-5V等。该信号接入二次数显仪表,在现场立即示了被测物理量的数值。

2.2 现场/远程控制功能

过去对于灌区干支渠闸门或斗农渠斗农门、管道灌溉的阀门,小型的一般由人工操作在现场人力开启关闭；对于大型闸门、阀门、水泵一般是人工在现场操作由电力开启关闭,这些可均称为现地控制。

目前最新建设的灌区节水改造和小农水项目,在监测控制中心通过操作工业控制机键盘和鼠标,可远距离控制现场闸门、阀门、水泵的开启和关闭。还可根据远程采集的相应开度传感器的数据,得知闸门或阀门的相应开度。

2.3 远程实时监测功能

该系统可通过工业控制机实时监测和记录各渠道监测断面的水位、流速、瞬时流量和累积流量。也可根据需要增设相应传感器,监测土壤墒情、降雨量、地下水位及矿化度、水泵电机的三相电压、三相电流、功率、耗电量等。整个运行过程可实现无人值守。

2.4 管理功能

系统软件可以动画模拟灌溉生产工艺,并对接收到的各种数据建立实时数据库、进行数据处理分析、自动生成各种生产报表等。可对历史数据和报表进行备份、查询、记录和打印等。对中心站工业控制机设置IP地址后,还可作为服务器在异地进行网上查阅、数据共享等,大幅提升灌溉管理水平。

3 系统工作原理

3.1 软件技术

软件系统运行平台为Window s XP,采用SQL Server数据库。采用C和JAVA编程,由主控窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分组成,开放式体系结构、标准化接口,采用群件技术和Web技术相结合,同时提供B/S和C/S两种应用模式。真正的32位程序,支持多任务、多线程、多用户。以保证多用户系统,并能在Web上发布实时信息。水力判别及流量积算软件的编制,依据于水工模型实验室水力学率定的水工建筑物尺寸、流态、过流糙率、流量系数等技术指标和相应的流量积算公式,系统可实时采集水位数据或流速数据并同步积算瞬时流量和累积流量。

系统应有全新的Active X动画构件,可制作和显示动画界面；具有方便的报警设置和丰富的报警类型；具有网络功能,支持 TCP/IP、Modem、485/422/232,以及具有各种无线网络、无线电台、无线网桥、GPRS/CDMA等多种网络通信体系结构；系统还具扩展功能,可利用现场PLC对闸门、阀门和水泵进行远程开启、关闭控制；系统还具有较强的报表功能,可生成和打印各种日报表、月报表、年报表。

3.2 数据通信技术

本系统的遥测遥控是通过GPRS通信网络来实现的,数据监控终端与GPRS模块连接,数据监控中心工业控制机与中心GPRS模块连接。终端GPRS模块通过虚拟专用网将现场信息发送到运营商服务器,服务器处理后通过虚拟专用网再将信息发送到中心GPRS模块。这样,数据监控中心无须采用ADSL等INTELNET公网连接,便可接收现场GPRS模块的数据。GPRS移动用户可以随时访问自己的虚拟专用网络(VPN),而不是每次都需要拨号上网。

GPRS是按GSM标准定义的封包交换协议,可快速接入数据网络。它在移动终端和网络之间实现了“永远在线”的连接,网络容量只有在实际进行传输时才被占用。GPRS数据通信是基于数据分组传送的,它能提供连续不断的数据通信业务,并始终在线,通信费用是按照实际传送的数据字节进行结算的,运行费用低。它不受地域限制,是一种经济便捷的通信方式,可以实现灵活的信息网络传输。

4 系统硬件配置

4.1 水位传感器及数显仪表

水位传感器的作用是用来量测渠道水深的。因量测原理不同有浮子式水位传感器、超声波水位传感器、压力式水位传感器等。

浮子式水位传感器是以浮子感测水位变化。工作状态下,浮子、平衡锤与悬索连接牢固,悬索悬挂在水位轮的“V”形槽中。平衡锤起拉紧悬索和平衡作用,调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃水线上。在水位不变的情况下,浮子与平衡锤两边的力是平衡的。当水位上升时,浮子产生向上浮力,使平衡锤拉动悬索带动水位轮作顺时针方向旋转,相应水位传感器的显示读数增加；当水位下降时,则浮子下沉,拉动悬索带动水位轮逆时针方向旋转,相应水位传感器的显示器读数减小。该水位传感器的显示器上一般配置RS485通信输出接口。

超声波水位传感器是通过测得换能器底面到水面的距离,再换算出渠道的水深。高频脉冲声波由换能器发出,遇被测物体(水面)表面被反射,折回的反射回波被同一换能器接收,转换成标准电信号(一般为4～20mA/1～5VDC)。脉冲发送和接收之间的时间(即声波的运动时间)与换能器到水面的距离成正比,声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示:S=C*T/2。

压力式水位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理,采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器,将静压转换为电信号,经过温度补偿和线性修正,转化成标准电信号(一般为4～20mA/1～5VDC)。

超声波水位传感器和压力式水位传感器输出的标准电信号,再接到一台具有标准电信号输入接口和RS485通信输出接口的数显仪表。该数显仪表具有多种信号输入和232或485通信输出功能。可在线修改显示量程、变送输出范围、报警值及报警方式等。

4.2 明渠超声波流量计

4.2.1 明渠超声波流量计测流原理 用超声波来测量流体的流量实质上是测量流体的流速。根据不同的原理有时差法、多普勒法、声束偏位法和听音法,目前用得较多的是时差法。

当流体流速向量与声波方向平行时,声波的波速将发生变化,即当声波向下游传播时波速增加,声波向上游传播时波速降低。在明渠中,一定高程和厚度的流体平均流速是通过测量两个换能器之间传播的历时差来确定的(时差法)。

用于明渠流量监测的超声波流量计主要由多个测速换能器(由声道数决定)、一个测水位换能器和二次显示仪表所组成,既测流速又测水位。它是由渠底到水面沿水深自下而上分层测出各层的流速,再根据各层流速构成的流速分布曲线进行积分求出过水断面上的平均流速。由超声波水位计精确测出的水深和断面的几何尺寸便求得明渠过水断面的数值。有了平均流速和过水断面即可求出瞬时流量,再按一定时间对瞬时流量累积可得过流总量。测流原理如下图所示。

图2 超声波测量流速原理图Fig.2 Schematic diagram of flow velocity measurement using ultrasonic wave

4.2.2 明渠超声波流量计安装 时差法明渠超声波流量计的安装,应选择在渠段平直、水流均匀、无漩涡回流的渠段,平直段长度应满足测试规范的要求(大于20倍水面宽度。),断面与水流方向垂直。换能器由渠底往上分层、成对错开一定距离(与水流成45～65度角)安装在两侧渠壁上。以下是日照水库灌区马家岭、昌乐高崖水库灌区徐家庙安装示意图如下。

图3 明渠超声波流量计安装示意图Fig.3 Sketch of open channel ultrasonic flow meter mounting

5 结语

作者近年来结合山东省大中型灌区节水改造项目的实施,先后在日照水库灌区、昌乐高崖水库灌区、宁阳罡城坝引河灌区、平阴田山引黄灌区进行了明渠水位流量的实时监测应用研究,对于推动灌区自动化测水量水起了很好的引领示范作用,研究成果曾获得2004年度山东省科技进步三等奖。可以预见,随着国家对水利投入的持续加大和小型农田水利建设的普遍展开,明渠水位流量实时监测会有快速的大发展。

[1] 马树升等,水库灌区自动化测水量水实时监测系统研究报告,2004

[2] 马树升等,村镇供水系统遥测遥控及监视图像无线网桥传输技术应用研究报告,2009

[3] 马树升等,灌区水情无线数传实时监控的内容与方法,山东农业大学学报2003,34(1):91-95

[4] 杨红玲等,超声波法与流速仪法在明渠测流中的比较研究,山东农业大学学报2008,39(2)

[5] 樊铭京等,明渠恒定非均匀流渠道流量实时监测方法研究与探讨,山东农业大学学报2010,41(3):440-442