明渠流量计矩形堰闸在农田生态排水沟渠中的工程应用

叶 红，樊 毅，丁伯苗2，康小平

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；2.成都华衡仪器有限公司，成都，610036)

基金项目：四川省省级科研院所科技成果转化项目《四川农田沟渠生态净化工程关键技术的示范应用》(2017YSZH0027)，成都市科技局科技惠民应用示范项目《基于EPSB工程菌的农田沟渠生态净化工程关键技术》(2015-HM02-00104-SF)。

农田沟渠预处理构筑物是生态沟渠拦截系统的重要组成部分，它在蓄积排水、调节适宜水位、延长农田排水在沟渠中的停留时间，促进沟渠内水生植物良好生长，吸附、吸收、降解农田排水中所携带的COD、氨氮、总磷等污染物方面具有显著功效。然而，在农田水利工程常规排水系统中，存在农田排水沟渠排水量自动监控水平低、无法满足上游来水流速的水闸控制和下游农田沟渠预处理构筑物水体停留时间设计的要求。本项目运用流体力学、工程学及信息控制技术，在农田排水沟渠预处理构筑物前，设计了一种基于阿里云服务模式下无线远程监测的明渠流量计矩形堰闸，实现了液位、瞬时流量、累积流量等运行状态数据采集，实现了明渠流量计矩形堰闸与云端的数据交换，并确定了明渠流量计矩形堰闸的技术参数，有效解决了农田水利工程常规排水系统中排水量自动监测水平低下、操作不便等问题。

1 明渠流量计矩形堰闸监测站设计

为实现一体化设计，将太阳能板、明渠流量计、控制箱、矩形堰闸集成在一个监测站内，采用太阳能板绿色电源，为动力系统和数据采集传送等模块提供电能。使用低功耗GPRS无线远传系统，完成数据或指令的远程传送，在云服务器上建立数据中心，存储明渠流量计基本数据、实时数据和控制数据，设置电脑和手机用户访问接口，实现堰闸的实时监测、智能运行等功能。无线通讯模块、嵌入式控制板等封装在控制盒内。矩形堰闸由支墩、安装支架、法兰、挡板、流量计等组成。矩形堰闸安装在渠道上，矩形堰闸挡板竖直，安装在渠道中轴线上，仪表探头安装在距离矩形堰闸板0.5m的位置。如图1所示。

2 试验示范与应用

为验证明渠流量计矩形堰闸量水精度，在四川省双流区黄水镇红桥小区示范基地农田生态型排水沟开展试验。示范点农田生态型排水沟渠长度约150m，沟顶宽1.7m，沟深1.0m，淤积深度0.3m。考虑到沟渠内最大流量大于40L/s、渠道内水的流态、能否形成自由流、堰口宽度超过了1.00m等因素，根据现场改造的标准矩形堰b、B、p值，上游沟渠宽度B=1.50m，堰口宽度b=1.00m，液位的高度h=0.50m，堰壁的高度p=0.20m，选用FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量计。

图1 明渠流量计矩形堰闸监测站设计布置

图2 矩形堰构造

2.1 明渠流量计精度分析

本项目明渠流量计仪表是以超声波技术与现代数字微处理技术相结合，专为野外应用而设计，可全面实现无人值守、安装简单、性能稳定、精度高、内置GPRS通讯模块可直接与信息中心通讯，实现数据的无线远距离传输，直接测量沟渠内水位高度。

图3 矩形堰闸安装示意

图4 明渠流量计矩形堰闸现场效果

超声波传感器根据安装在农田生态排水沟渠上的矩形堰闸，测量堰闸内的水位，按照相应的水位—流量关系，自动测算出水位对应的流量。流通顺畅的沟渠流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。流量与水位之间的对应关系，受沟渠内坡比降和表面的糙度影响。因此，在沟渠内安装矩形堰闸，可产生节流作用，固定沟渠内流量与水位的对应关系。

在明渠流量计的正下方位置，通过人工用水尺观测沟渠内水位的高低，作为人工观测数据。在同一时刻获取FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量计水位自记数据。从下述自记数据分析结果中可以看出，明渠流量计的数据与人工观测的数据相对误差在0～7.5%范围内，均在<10%的控制范围内，表明FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量计自动测量的精度满足要求。

表1人工观测数据与明渠流量计自记数据对比

人工观测(cm)明渠流量计(cm)相对误差(%)0.400.425.000.420.444.760.480.472.180.370.355.710.400.4000.390.375.410.260.273.850.260.2600.370.382.700.430.407.50

2.2 低功耗GPRS无线远传系统(堰闸远程测控系统)

2.2.1 主要功能

为实现堰闸流量实时监测，发送数据至云端数据库，借助开发的GPRS低功耗后台服务器(GPRS无线板卡，安装于阿里云服务器)，与明渠流量计仪表组合，实现随时访问采集仪表的数据并上传至后台服务器，可视化呈现监测点实时及历史数据。采用太阳能板绿色供电方式。

2.2.2 服务器平台信息查询

后台服务器集成多款仪表为一体，同时可做微信、网页的交互界面。上半部分为仪表所采集到的数据，下半部分为无线板卡配置的基本信息，右边为服务器的设置界面(包括启动软件、关闭软件、参数设置、退出软件等)。服务器软件可以接收到现场发送过来的水位信息，在屏幕上显示并保存起来。如图5所示。

图5 云服务器平台信息查询系统

(1)明渠流量计采集信息：本试验仪表观测上传的液位值、瞬时流量、累积流量、板卡电压及仪表安装位置等信息。流量是由仪表计算而来，再上传至后台服务器。

(2)GPRS板卡参数设置：当数据能上传至后台服务器的同时，GPRS板卡的设置参数也会同步到后台服务器。因此，可以在后台服务器操作，修改板卡参数并勾选“允许下传修改板卡参数”，即可实现远程修改板卡时间等参数。不可修改端口号、域名/IP、仪表类型和仪表地址。

图6 参数设置窗口

(3)标准工作状态：由用户自己确定每多少分钟测量一次水位，测量完毕将水位值保存在主机中，同时上传一次，如果遇到服务器无应答或者网络状态不理想，则等到下一次传输的时候再上传。主机中可以存储5万条测量数据。

(4)参数设置：主机位采集间隔300s，预警位采集间隔10s，报警位采集间隔10s，正常上传间隔300s，预警位上传间隔10s，报警位上传间隔10s，预警位6m，报警位9m。数据采集上传间隔时间、报警时间均可设置修改。

(5)记录查询：可对每款仪表的不同DTU编号进行详细查询、数据表单备份；也可对单独一款仪表的数据进行备份(可人工备份，系统也可自动备份)、备份表单查询(备份过的文件可直接通过服务器进行查询)。

图7 1#仪表2018年12月29日数据记录查询

图8 1#仪表2019年1月10日数据记录查询

表2 1#仪表2018年12月9日数据导出(部分)

(6)服务器/App权限：此界面有三项功能：①修改板卡的端口号及设置表单自动转存(注：为了防止后台服务器由于接收的数据过多而运行缓慢，设置自动转存数，当接收数据达到一定数量便会自动备份到电脑存储盘并删除服务器数据以提供更快的运行空间)；②使用后台服务器的同时也可使用手机App接收数据，可在此界面对手机App的登录用户名及密码进行设置管理(注：使用手机App的前提是后台服务器必须开启，因为手机App只有访问的权限)；③微信交互服务端口号：当需要网址访问或者微信访问后台服务器时，需将端口号设置成80。

(7)通讯判断：数据正常采集及上传、数据异常(GPRS数据上传任务失败)。

2.3 应用效果分析

为了探究农田生态排水沟渠预处理系统在有堰闸运行管理模式下对农田面源污染物氮磷的去除效果，综合监测数据分析，雨污收集池底泥中氨氮含量为9.52mg/kg，总磷5679.52mg/kg。该示范区通过工程建设预计年削减底泥污染物排放量指标为：COD 7.0t/a；氨氮1.6t/a；总磷1.2t/a。农田沟渠污水回用率按45%计算，新增净水能力7.173万m3。

从服务器监测平台采集数据分析，不同排水强度下生态排水沟渠受矩形堰闸的拦截影响，致使生态沟渠内水体流速降低，水位雍高，延长了水流的实际平均停留时间，增加了水流与预处理装置、生物菌剂、植物充分接触的时间，有效容积比得到提高。间接表明了污染物在生态沟渠系统内部的转移输送、停留时间及被降解的能力。2018年11月9日至12月26日的观测数据表明：COD、氨氮、总磷进口浓度变化率分别为68.42%、81.81%、80.85%；出口浓度变化率分别为68.57%、82.63%、64.52%。

表3生态型排水沟渠预处理系统对农田面源污染物截留净化效果

3 结语

基于云服务模式下的无线远程访问明渠流量计矩形堰闸太阳能板绿色电源监测站，成功地在农田生态排水沟渠中得到运用，有效地解决了农田排水沟渠排水量自动监测水平低下、监测设备测量精度不高、性能不稳定、操作不便、功耗大等问题，实现了堰闸与云端的数据交换，监测的数据相对误差在0～7.5%范围内，能较好地实现实时监测、智能运行，运维成本低，适合小型农田灌溉沟渠输排水系统的精准化计量。

安装矩形堰闸的生态沟渠，水体流速降低，水流停留时间延长，水流在农田沟渠预处理构筑物和沟渠内与植物充分接触，有效容积比得到提高，对污染物质起到了较好的截留净化效果，对农田沟渠再生水质资源化利用工程的建设提供了一种新途径。