引黄水闸流量测验系统技术改造

刘其鑫 ，见桂芹 ，张 涛

（1.山东黄河河务局供水局，山东 济南 250011；2.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

目前，由山东黄河河务局供水局负责管理的渠首引黄水闸共63座，设计总引水能力2 423.3 m3/s。近三年山东局平均年引水量69.39亿m3，其中省内非农业引水9.24亿m3，省内农业引水50.07亿m3，跨区引水10.08亿m3。目前沿黄地区需水量呈逐年递增的趋势，水资源供需矛盾突出，随着科学技术的进步和现代化进程加快，引黄测流的精度越来越受到人们重视，提高测流精度及测流方式的现代化、自动化、信息化是引黄供水工作亟待解决的重要课题。为此2010年供水局在陶城铺闸、潘庄闸开展了自动计量设施试点工作，探索流量测验系统现代化改进的新路径。

1 现状及存在问题

目前，山东局引黄涵闸的测流设施大部分修建于上世纪八九十年代，受当时经济环境、技术水平的限制均采用便桥式或缆道式人工操作测流。目前在用上世纪八十年代修建的便桥式13座、缆道式13座，上世纪九十年代修建的便桥式11座、缆道式3座。这种测流方式已使用60余年，明显落后于现在科技发展水平，有必要采用现代化的测流系统来替代原始的人工测流。所表现出来的主要问题有：（1）大部分便桥锈蚀严重威胁测流人员生命安全，缆道垂度过大影响铅鱼运行及测量数据精确度；（2）测流时需要测流人员多，一般需要3人配合进行测流，1人操作1人按秒表计流速仪信号数1人记录；（3）测流人员劳动强度大，必须人力摇动水文绞车控制20 kg重铅鱼或手持流速仪进行测流；（4）测流时间长，测验一次从操作记录到计算得出数据需要1-2 h时间；（5）测流精度低，在人工接收流速信号时易受到干扰，同时在操作中读取水面宽度、水深、计时、计算时都会存在人为误差。

2 测流仪器选取

1）旋浆流速仪。其工作原理是，当水流作用到仪器的感应原件旋浆时，旋浆即产生回转运动，通过对其旋转率进行换算得到水流流速。该流速仪特点是：测流量程广，用一个旋浆即可满足各种高、低流速测量；仪器转轴动态密封性能优良，可在高含沙量情况下进行测流；测流精度高，使用寿命长。

2）ADCP。ADCP即声学多普勒流速剖面仪，具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。但经过水文局多次试验，无论固定式ADCP，还是走航式ADCP，在水流含沙量超过2.9 kg/m3，其测量数据不准确。

3）电磁流速仪。该流速仪通过对水面回波进行分析测定水流流速。只能测量表面流速，并且容易受风浪影响，测量精度偏低，且对水流断面要求条件高。

4）对流速仪安装使用情况的考察。针对引黄渠道含沙量大、渠底断面不断变化等特点，对兄弟单位河南黄河河务局供水局进行了考察学习，并对黑岗口闸和红旗闸进行了现场观摩和座谈。河南供水局在自动计量方面也做了一定探索，先后安装了15台计量设施。主要测流设备有三种：多普勒ADCP，如红旗闸、张菜园闸；管道电磁流量计，如黑岗口闸；明渠电磁流量计，如桃花峪闸。

多普勒流量计安装后运行比较好的为红旗闸，主要因为红旗闸含沙量小，每年调水调沙时期，大河流量（2 000～4 000）m3/s时，引水能力（20～50）m3/s，含沙量在（1～1.5）kg/m3。 含沙量超过 3 kg/m3时测量数据也不准确，张菜园闸就因受含沙量影响，设备安装后一直未能正常运用。

管道电磁流量计，需要人工制造水流通道，并保证水流常年通过，管道不可淤积。黑岗口闸在一常年向水库供水的支渠上安装本系统，主渠道还需人工测流。

明渠电磁流量计，需要渠道断面不发生冲淤变化。桃花峪引黄闸将该流量计安装于闸室内进行运行，山东局在刘春家闸和马扎子闸做过试验，都因测流数据不准确而放弃。

3 流量测验系统现代化改造

针对引黄测流的特点，经过多方考察，EKL-3A型全自动水文缆道测流系统较适合引黄渠道测流。

3.1 EKL-3A型全自动水文缆道测流系统

EKL-3A型全自动水文缆道测流系统，由南京水利水文自动化研究所研制，该系统采用开口悬索式缆道，测流仪采用旋浆式测流仪。主要由水文绞车、交流变频器、计算机、数据采集卡、PLC（程序逻辑控制器）、光栅增量编码传感器、无线测流信号系统（信号源和接收盒）、信号转换板、开关电源、通讯模块（RS485转RS232）、继电器和接触器等部分组成。

该系统采用工控机和PLC可编程控制器作为完成自动化缆道测流的控制核心，配合交流变频调速、光电编码测距定位、流速自动测算、音频信号传输等成熟技术和计算机测流控制软件及流量成果自动生成软件等构成。系统可通过计算机对缆道测流装置进行全自动、半自动、手动测流控制，各种测量方式均可最终生成断面流量报表和断面流速分布曲线图。

软件功能主要由缆道测流、数据报表、测流数据图形、参数设置、数据安全、系统文档等几大项组成。

软件支持“实测断面流量测验”、“借用断面流量测验”和在同一断面中“混合测流”方式。在采用实测断面测验时垂线的操作方法可选择测流和测深两种；在使用借用断面测验时，操作方法必须选择为借用水深，要使用全自动测流则必须配置测流垂线与参数且每进行一次全自动测流都必须配置一次，各项参数配置完成可以进行全自动测流。

测流开始后铅鱼下到垂线一定距离时，将减速，到达垂线位置时自动停车，并等待几秒后自动下降；接收到水面信号时，入水深度自动清零，同时水面信号灯被点亮；接收到渠底信号时自动停车，同时渠底信号灯被点亮，等待几秒后自动提升；铅鱼将从下向上对每个测点进行逐一的测流。到达各测点时，等待几秒钟后进行流速信号采集，同时流速信号灯被点亮，所有测点测完后，铅鱼将继续提升直至限位点后停止，此时实测断面图中此条垂线由虚线变为实线，并完成测流；然后继续自动前进，进行下一垂线测流，直到所有垂线全部完成。系统自动计算后生成符合GB50197—1993河流流量监测规范的报表。

3.2 安装使用情况

目前该测流系统已在聊城位山灌区周店测站、兴隆村测站、丁莫测站等19个测站安装使用，运行良好。在位山灌区周店测站对EKL-3A型全自动水文缆道测流和手动测流数据在水位相同和水流稳定条件下进行了对比分析，通过数据分析，系统误差在正负3.4%以内，满足测流需求。

3.3 引进情况

借助位山灌区安装运行经验，2011年4月在陶城铺闸安装一台EKL-3A型全自动水文缆道测流系统。该设备投入正常使用后，对全自动测流数据与人工测流数据进行了比测，测流数据得到了灌区管理单位的认可。截止到2012年6月25日累计测流103 d，累计放水量达到1.81亿m3。

3.4 运行状况

该系统的成功运用，实现了可靠灵活的水面布线、河底信号可靠采集传输、缆道测深和铅鱼的自动升降及进退，大大减轻了枯燥繁琐的重复劳动，提高了效率。同时人工测量水面铅鱼定位采用目测，测深凭手感，数据误差比较大，该系统建立可靠灵活的水面、河底信号实现了自动测深，极大地提高了测流的精确度，消除了人为因素带来的误差。

4 结语

引黄闸测流的最大难点是含沙量高，目前只有旋转式流速仪适合高含沙水流的测流。因此引黄水闸计量信息化建设还需在旋转式流速仪的基础上改进。通过位山灌区和陶城铺闸的安装使用，EKL-3A型全自动水文缆道测流系统较好地实现了测流现代化的目的，但还存在以下几个问题：1）未实现信息化传输和远程操控；2）信号源传输存在不稳定的情况；3）河宽观测和测流不能同时进行。下一步要在EKL-3A型全自动水文缆道测流系统基础上进行进一步改进，实现渠首计量远程测流、信息化传输。