闫潭灌区自动化计量与监控应用研究

(东鱼河流域工程管理处， 山东 菏泽 274000)

闫潭灌区自动化计量与监控应用研究

杨桂玲

(东鱼河流域工程管理处， 山东 菏泽 274000)

闫潭灌区引水闸进行自动化计量，因黄河水有大量泥沙沉积，给计量带来一定困难。本文以自动化监测仪器和软件为基础，通过软件对数据进行分析并计算引水量。该系统具有数据监控功能，提高了信息自动化管理效率，为决策层管理灌溉区提供了详细的信息，通过提高灌溉区经济效益，来实现灌溉区工程项目的作用和价值。

自动化计量； 流速面积法； 运行管理； 经济效益

1 引 言

闫潭灌区自建成以来，为当地经济发展发挥了重要作用。经过长期运行，目前灌区存在着诸多问题，而且运行管理方式落后，管理体制粗放，需要信息自动化条件下的精细化管理。自动化计量与监控系统结合灌区实际，利用超声波流量计、水位计等先进的测量水设备进行现场定时采集各种所需数据，并研制3XD-201闸门测控仪及相关的监控及采集软件，对采集的实测数据进行信号转换后，通过GPRS无线传输技术，将信号传输到管理处总监控室，再变成为直观的显示界面，在监控室计臬机和投影民屏幕上显示出来，使各监控现场的水位、流速、流量、闸门的运行情况等一目了然，使管理人员可以随时掌握各县、乡的用水情况和蓄水情况，并根据各地上报的旱情及时调整调水方案，大大提高了灌水利用率，同时为水费计收提供了科学依据。

2 闫潭灌区引黄情况简介

闫潭灌区是1982年在东明小闫潭灌区的基础上发展起来的。1991～1996年，国家和地方共投资1.37亿元用于骨干工程的建设，拓宽引黄送水干线133km，引黄干线工程主要包括渠首工程、输水工程、蓄水工程、骨干供排水工程。灌区内辖东明、曹县、单县、成武四县51个乡镇，总人口236万，其中农业人口228万。灌区经济以农业为主，主要农作物有：小麦、玉米、棉花、花生等，种植比例为：小麦75%，棉花18%，玉米70%，其他粮食作物3%，经济作物4%，复种指数170%，是山东省重要的粮棉生产基地。

闫潭引黄闸位于黄河右岸桩号162+700处。该闸始建于1971年，为四联12孔钢筋混凝土涵闸，因设防能力不能满足防洪需求，于1982年进行了改建，改建后的闸室共分为6孔，每孔净宽6m，闸底板高程63.00m，引黄流量80cm/s。引水渠：引水渠位于防砂闸与闫潭引黄闸之间，长9.2km，梯形断面，渠底宽15m，边坡1∶3，设计水深3m，设计放淤流量150cm/s，灌溉引水流量80cm/s。

3 闫潭灌区引水自动化计量应用分析

引黄测流系统监测点计划选在闫潭引黄闸后约150m位置，属宽渠浅流型渠道，计量方案是利用“流速面积法”实现测点流量的准确计量，测出准确数据可以用于与黄河水管部门的水量核算，故此准确地测量引水量意义重大。因在流量监测点引水季节渠底泥砂为不均匀分布，若利用“流速面积法”实现流量准确测量，必须满足以下三个条件：ⓐ准确的输水截面积测量；ⓑ准确的平均流速测量；ⓒ准确的实时水位高程测量。由于水位、淤泥分布和流速不断变化，故实际计量方案应满足实时监测要求。

3.1 实时测量输水渠截面积测算

实时测量输水截面，在测量断面上的渠壁和渠底均应为固化结构，且实测出该断面水位高程和渠底淤泥厚度，才能得出实时输水截面积。输水截面具体情况是：输水渠应该为矩形敞口结构，渠底固化材料应采用混凝土结构，渠道宽度约32m，水深约2m，输水渠测量段长度为2m，渠壁厚度应不小于0.6m，渠侧面高度根据引水面高程计算，在输水渠测量断面上每间隔1m设置1个淤砂厚度传感器(设置间隔可根据实际情况定)，淤砂厚度传感器测出该点淤砂厚度，全部淤砂厚度传感器则可描绘出整个测量断面的淤砂分布，计算取平均值则可得平均淤积泥沙厚度。在输水渠内安置超声波水位计和浮子式水位计，结合水位计测出的水位高程，从而计算出准确的输水截面积(详细情况如图1、图2)。

图1 输水断面测量

图2 淤砂传感器

3.2 实时测量平均流速测算

闫潭灌区实时水量测量系统的平均流速测量计划采用美国多普勒水平剖面流速计(Channel Master H-ADCP 如图3)，该水量流速测量计的主要特点是：

图3 H-ADCP多普勒水平流速计

a.该多普勒水平流速计(Channel Master H-ADCP)高精度、高空间和时间分辨率。闫潭灌区的引黄输水截面相对比较小，在测速截面比较小时可以使用较小的单元，在较短的采样时间步长内获得精确的流速数据；且对于很难测验的低流速和非恒定流也能获得高质量测验数据，该测速系统的标准配置为1～128个可选单元、0.25～10m可选单元长度、1～100m剖面范围(取决于系统频率)，可以得到更多的流速数据，计算出可靠的平均流速数据，具有很大的灵活性。

b.平均流速测算的标准配置还应有倾斜计，倾斜计对于调整H-ADCP 安装支架和监测安装支架的倾斜变化，对于保证测验数据质量有重要的作用。Channel Master H-ADCP多普勒水平剖面流速计用于测量断面指定水平层多点流速测量，在一个水平层最多可达128点流速测量，但要得到整个输水断面上各水平层的流速数据就必须使Channel Master H-ADCP上下移动达到各水平层的位置并在所到水平层进行多点流速测量，故还要有一套使Channel Master H-ADCP上下移动的机构及控制系统。另外，当Channel Master H-ADCP向下移动到测渠底部时有可能被淤积的泥砂所阻挡，因此还要有一套清淤泵定时清除Channel Master H-ADCP上下移动通道下部的淤砂，这样才能保证测速设备的正常运行。清淤泵每天自动开启半小时，控制系统与流速仪升降控制系统安装在同一现地PLC控制箱内，保证淤砂不会积累。

3.3 实时测量引水量的数据计算

闫潭灌区单县段的平均引水量的计算，是通过流速测量采用多普勒剖面流速计(Channel Master H-ADCP)的流速数据、输水渠截面的於砂传感器的於砂厚度数据、超声波水位计或浮子水位计测出的水位高程数据及渠道的截面面积计算得出的，并根据变换具有实时测量功能。在引水渠的断面下，渠道参数已知，水位测得、各点淤砂厚度测得、平均流速测得。

则： 平均沙厚=Σ测点沙厚/测点个数

有效水深=已测水位-平均沙厚-固化渠底高程

实际输水截面=有效水深×河床宽度

瞬时流量=实际输水截面×平均流速

累计水量=Σ瞬时流量(累计时间段内)

将测得的瞬时流量和累计流量上传到引黄所的同时，通过中国移动GPRS无线网络上传到闫潭引黄灌溉数据管理中心，通过软件自动处理后显示在电脑终端上，由灌区管理人员根据数据调整灌区的引水及分水情况。

4 引黄自动化实时测量的监控

4.1 自动化计量系统的实时监控功能

闫潭灌区单县段采用的自动化测量系统具有数据实时监控功能，主要是参数设定、流量计算、数据监测、在线仪器状态监测、数据回放及处理等功能，流量计算可选用数值法和指标流速法，在电脑终端软件自动化处理后，显示的数据是相同的。通过该自动化软件系统可以很好地监控自动化测量仪器的状态和测量的数据，并通过动化处理显示在电脑终端上。该自动化监控系统的主要功能如下：

a.引黄渠流量实时监测：在线实时监测总干H-ADCP明渠流量计的流速和流量。

b.水位实时监测：在线监测水位信息，并将所采集水位实时上传，同时，将所采集的水位在现地计算出流量。

c.淤砂实时监测：在线监测各点淤砂信息，并将所采集淤砂实时上传，同时，将所采集的各点淤砂厚度在现地计算出平均值。

d.动画监控显示：根据需要动态实时显示水位、流速、沙厚、流量、通讯状态、报警信息等数据。

e.H-ADCP升降扫描控制：根据需要调节H-ADCP的高度，以测出不同流层的流速。

f.清淤泵定时启停控制：对H-ADCP升降通道定时清淤，保证通道畅通。

g.数据处理与存储：完成各种数据处理、筛选、汇总、分析、完成水位、流量数据、报警信息的存储功能。

h.报表自动生成：完成实时数据的召唤打印，历史数据的汇总、打印等功能。

i.通讯处理：完成数据通讯管理、发送接收数据的校验，做到数据、命令的准确传输。判断通讯线路的使用情况，自动识别一定的通讯故障，给出提示。

j.权限管理：完成软件使用权限的管理功能，使只有相应权限的用户才能完成相应的功能，并自动对一些操作的操作者做记录。

k.决策支持：将各种数据分析、汇总，为合理利用水资源提供决策依据。

4.2 自动化计量系统的移动监控终端

闫潭灌区单县段引进的该套自动化计量系统有移动监测终端软件，即将软件安装到智能移动终端上。移动终端是定制的智能手机，管理人员可以实时接收传送的监控数据，作出必要的判断，在特殊情况或灾难情况下，可以迅速作出反应，该功能能为灌区的管理层决策提供数据支持。该监控功能具有以下特点：

a.监控中心上位监控软件为灌区统一的采集、监控管理软件。

b.图形显示现地设备，可接受现地设备的报警信息。

c.对现地设备的报警故障情况可拍成图像传回监控中心或相关管理人员所持的灌区移动监控终端上，便于在第一时间将故障解决。

d.可监测授权范围内所有监测点的监测信息，包括水位、流速、流量、水量、淤砂和闸门参数，包括数据、图形及表格。

e.可设置各种现地设备的算法，可输入已有水位流量关系数据表。

f.具有渠道量测水计算功能，必要时还可对监测数据实施更新。

g.采用带触摸屏智能手机，保留手机的全部功能。

5 结 语

在闫潭灌区单县段主干渠分水口也可采用此套自动化计量系统，采用小型测速单元，可为计算分水量提供可靠的数据，为闫潭灌区分水量自动化计量的运行管理打好坚实的基础，为闫潭灌区信息自动化运行管理提供可靠保证。闫潭灌区引水和分水计量自动化，是为闫潭灌区的信息自动化管理提供保障，是信息化管理的一种体现。闫潭灌区以节水增效为中心，以可持续发展为目的，依靠信息自动化的管理，提高灌溉水的利用率，在满足区域农业规划、水利发展总体规划的前提下，合理调度、优化配置，使有限的水资源得到持续、有效、充分利用，确保灌区社会、经济、环境等综合效益的充分发挥。

Study on Automatic Measurement and Monitoring Application in the Yantan Irrigation Area

Ma Zhao-yang

(ShanCountyWaterSuppliersBureau,ShanCounty,Shandong274300)

The automatic measurement is carried out for the sluices of the Yantan Irrigation Area. However, the measurement is hard to carry out because of a great deal of sediment deposition of the water from the Yellow River. Based on the automatic monitoring instruments and software, the data are analyzed and computed for water quantity of transfer by software. This system improves information automated management efficiency with its data monitoring. It can provide detailed information for the decision-.making level for management of irrigation area, so that the function and value of engineering projects are achieved by improving the economic benefit of the irrigation area.

Automatic measurement; velocity-.area method; operations management; economic benefit

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03