水利灌区水情自动监测系统的设计

周德东　边玉国

(兰州工业学院电气工程学院， 甘肃 兰州　730050)



水利灌区水情自动监测系统的设计

周德东边玉国

(兰州工业学院电气工程学院， 甘肃 兰州730050)

水利行业智能化发展已成为必然趋势。水利灌区作为用水大户，其节水灌溉、合理用水必须着眼于信息化的发展。本文介绍了甘肃鼎新灌区水情自动监测系统的设计情况。该系统运行效果良好，可为水利灌区智能化发展做参考。

灌区； 水情； 自动监控

1　引　言

随着信息技术、计算机技术、自动控制技术的不断发展，水利行业的智能化已成为当前发展的必然趋势，并正在逐步实施。由于世界性水资源的短缺，作为用水大户的农田灌溉，其合理用水、节约用水已刻不容缓，加强水情信息监测可达到控制水量、定额管理的目的，因此水利灌区信息化建设必须提上既定日程。

2　水利灌区概述

甘肃省鼎新灌区位于黑河下游，地处甘肃省与内蒙古自治区的交界地带，深居巴丹吉林沙漠腹地，灌溉面积14万亩，南北长70余km，东西宽平均约4km，地势西南高，东北低，自然纵坡在1‰左右，海拔在1130～1200m之间。

该灌区水情自动监测系统的建设是为有效落实农业用水总量控制与定额管理提供技术保障，其重点是加强水资源的统一调配，在总量控制的基础上，合理制定区域间水量分配方案。系统建设的好坏，直接关系到节水型社会试点的建设，是灌区治理开发和现代化管理的需要。

3　设计要求

甘肃省某灌区水情自动监测系统项目，主要内容为建设渠道水库水情监测系统、重点闸门监控系统、重点区域视频监视系统、通信网络及信息传输平台，灌区应用软件开发。

该项目将综合运用信息化技术、自动化技术，构建灌区水情自动监测系统，以此充分发挥灌区的节水调水功能，增强水管所的应变能力和水资源配置水平，提高灌区的现代化管理水平，最终对提升灌区的整体管理水平和综合效益，实现科学管理、高效控制、节能增效起到直接的作用。

此次信息化项目将充分运用信息系统集成理念，综合应用通信技术、自动化技术、计算机技术、网络技术、智能技术和有关水利渠系工程技术，在计算机系统和数据库系统的支撑下，将灌区的水量调度活动、供水计量业务，包括水情采集、部分闸门监控、重点区域视频监视、水量调度、供水分析以及各级水管部门的业务活动集成起来，构筑一个数字化、网络化、智能化的信息系统。

4　水情监测站设计

水位和流量信息采集是灌区水情自动监测系统中的关键组成部分。准确计量主要引水口的水位，逻辑计算流量、水量，能够为整个灌区水量调度管理和水量计量以及直接计费提供所必需的数据。

水流量计量是为灌区管理自动化、整体信息化系统服务的，是适用于水资源和水利调度的专用智能监测系统。根据灌区工程的实际情况，结合国内外同类工程模式，要求该系统具有可靠性、准确性、实用性、先进性、开放性、安全性和易维护性等特点。

4.1水情监测点布置

根据项目要求，此次水情自动监测系统项目中水位信息采集分为三种情形：

a.与闸门配套的闸门上下游渠道水位采集6处19点。

b.独立渠道水位采集29处29点。

c.水库库水位采集8处8点。

4.1.1与闸门配套的闸门上下游渠道水位采集

由于此类水位点分布在闸门的上游和下游约100m处，这些闸门在该期工程中需要控制，因此这6处19点水位采集点在闸门监控系统中进行设计，水位由闸门监控核心单元采集，采集的水位数据发送到相应的信息分中心或信息中心站进行存储。

4.1.2独立渠道水位采集

独立渠道水位采集共29处29点，根据采集的渠道水位数据，通过水位—流量关系换算出流量，再计算出水量。采集的水位数据通过通信模块发送到水管所信息中心数据库服务器中存储。

4.1.3水库库水位采集

水库库水位采集共8处8点，根据采集的库水位数据，通过水位—库容关系换算出库容。采集的水位数据通过通信模块发送到水管所信息中心数据库服务器上存储。

4.2系统方案设计

渠道水位采集点和水库库水位采集点由现场设备和接收端设备组成。现场设备包括：遥测RTU终端设备、水位传感器、通信单元和供电单元；接收端设备包括：数据库服务器和安装了水位流量接收处理软件和水位库容接收处理软件的工作站。水位采集系统结构如图1所示。

图1　水位采集系统结构

根据图1所示，采集点主要由遥测终端(RTU)、GPRS 通信模块、水位传感器及供电单元组成。水位传感器选择压力式水位传感器；供电单元选择太阳能供电系统，由遥测终端机控制太阳能电池板给蓄电池充电，防止太阳能板对蓄电池无限制充电，导致蓄电池充爆损坏，再由蓄电池给遥测终端供电。水位传感器感应水位信号，由遥测终端采集并临时存储，再通过GPRS通信模块传送到中心站数据库服务器存储。

灌区水情自动监测系统的结构如图2所示。

图2　水情自动监测系统结构

其中，部分引水枢纽水位点通过浮子式水位计采集库区水位，采用超声波液位计采集总干渠首水位，将数据采用GPRS发送到水管所信息中心监控计算机上。

采用GPRS通信的29点水位采集点系统结构图如图3所示。

图3　水位采集点通信系统结构

采用GPRS 通信方式的水情采集由现场RTU 定时采集水位数据，通过传输单元分别传送到水管所数据库服务器中存储；在水管所信息中心分析处理应用软件实现数据分析、统计、查询。

水情监测系统在遥测RTU终端设备控制下，自动完成各引水口水位参数的采集和预处理并存入固态存储器，并经GPRS通信链路向信息中心站传送所采集的数据，利用GPRS网络通信方式传输到水管所，所有水位采集点采用太阳能极板供电。

水情监测站向信息中心报送数据的方式可采用定时上报、中心召测应答、事件报送的混合体制。事件报送时，每当流量参数发生一个计量单位的变化时，采集终端机就自动采集，并进行数据扰动滤波，加注时标，按指定的格式存储。采集终端机中至少可保存一个月以上的数据。如采集站与中心站发生长时间通信线路中断时，数据能通过IC卡转存，并通过水管段上报到水管所信息中心。

现地水情监测站是由太阳能电源供电系统、水情监测终端机(RTU)、水位传感器、GPRS/GSM通信模块、防盗探测器、信号避雷器等组成，可选配IC卡数据提取接口。其中水情监测RTU、防盗探测器、信号避雷器、液晶显示模块、胶体蓄电池等设备集成在终端机箱内。系统结构如图4所示。

图4　水情监测现地站系统结构

水位传感器输出4～20mA信号，水情监测RTU的模拟量输入接口(AI)进行水位测量。

防盗探测器的开关信号输入水情监测RTU的开关量输入/输出模块(DI/DO)，用于探测测量井是否被打开，起防盗报警作用。

IC卡读写接口(可选)经与水情监测RTU进行IC卡数据交换，在没有通信信号的情况下，通过IC卡，在水管所的IC卡识别终端上将数据上传。

GPRS MODEM通过RS232/RS485接口与水情监测RTU进行通讯。在有通信信号的情况下，所有数据经水情监测RTU采集，并通过GPRS上传到水管所调度监控中心。

太阳能电源提供RTU设备电源输入，为整个监测系统供电。

5　防雷接地设计

灌区水情监测站防雷设计主要有三方面，各水位观测站的防雷采用太阳能支架顶部安装避雷针、通信线路同轴避雷器和水情监测终端机I/O端口防高压三位一体的防雷技术；此外，建设水情监测站接地网，接地电阻不大于4Ω，可更好地避免雷击。

该项目提供两个方面的防雷设计考虑。

a. GSM通信天线引雷：水泥电线杆顶部安装避雷针，在有雷电引起超高压时，直接对地放电，保护设备。

b.通信线路引雷：对于通信电缆较长且裸露在外的GPRS模块串口，通信线路采用信号线避雷器，最大限度地把雷击信号引入水情监测站接地网。

6　防盗安保设计

该项目所设计的水位监测站均考虑无人值守方式，采用物理防盗机械锁安装在测井盖上进行一级物理防盗；此外在设备箱内采用红外线报警探头或门磁开关探测的二级电子防盗，信息中心站通过遥测终端机进行信号采集，然后经GPRS通信送到各遥测中心站，以进行报警。

另外，采用40kgφ12的钢筋制作金属保护栏保护现地水情监测站系统。

7　结　语

随着科技的发展，任何行业必将实现智能化、信息化，水利灌区也不例外。水利灌区水情自动监测系统的实施，将进一步促进水利行业智能化、信息化建设，达到全面合理用水、节约用水的目的。

[1]赵洪洋.新型农田灌溉控制系统浅析[J].水利建设与管理,2015(2).

[2]李剑锋,张斌.石堡川灌区信息化建设初探[J].陕西水利,2011(1).

[3]赵飞,解瑞.浅谈灌区信息化建设与发展趋势[J].中国西部科技,2011(1).

[4]丁慧.发展农业节水灌溉实现水资源的可持续利用[J].水利建设与管理,2010(3).

[5]郭荣祥,马磊,马和平.基于GPRS的河套灌区流量测量遥控系统研究[J].人民黄河,2011(9).

[6]陈久松,朱政,尹卫平,李鸣.基于RS485总线的分布式PLC监控系统通信设计[J].自动化与仪器仪表,2012(1).

[7]张广驰.基于GPRS的水资源远程监测系统研究[D].淮南：安徽理工大学,2014.

[8]王利伟.东方红灌区节水配套改造项目水资源供需平衡分析[J].水资源开发与管理,2015(1).

Design on water condition automatic monitoring system in water conservancy irrigation area

ZHOU Dedong, BIAN Yuguo

(LanzhouInstituteofTechnologyCollegeofElectricalEngineering,Lanzhou730050,China)

Intelligent development of water conservancy industry has become an inevitable trend. Water conservancy irrigation area is regarded as large water consumption user. Its water saving irrigation and reasonable water consumption must focus on the development of informationization. In the paper, the design condition of water condition automatic monitoring system in Gansu Dingxin irrigation area is introduced. The system has good operation effect, which can be used as reference for intelligent development in water conservancy irrigation area.

irrigation area; water condition; automatic monitoring

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.009

TU93

B

1005-4774(2016)01-0027-04