高精度低成本雷达式测流系统在凤台县永幸河灌区中的应用

贺 磊

凤台县永幸河灌区管理处，安徽 淮南 232100

凤台县永幸河灌区位于淮河中游，灌区总面积约600km2，耕地总面积约366.7km2。主干渠永幸河全长43km，设计流量120m3/s，与其沟通的15条大沟全长155km，组成了灌区的主要排灌水网，实现了南水北调、北水南济、排灌自如。

灌区地域宽广、支渠数量多、个别支渠比较偏僻、交通不便，测流站散布野外无人看管。使用人工测流或半自动测流方案，建站成本高、运维成本高，测流站点配件易耗损，且流量数据无法实时在线监测。因此，文章提出一种结合物联网、雷达波测流技术的全自动化测流系统，该系统建设成本较低，相对误差较小，可满足灌区测流的精度要求，且实时性好、可靠性高、通信费用低。

1 传统灌区流量测量方法

传统的灌溉渠道流量测量方法包括流速仪法、标准断面法、渠系建筑物法、量水堰法、量水槽法等[1]。其中，国家标准水文站典型的缆道（轨道）流速仪法是一种人工测流方法，其测流理论和操作规程非常成熟可靠，但在这种测流方法下改用全自动控制缆道测流站以后可靠性很差，测流时间很长，且机电一体化的设备故障率高，以及河道水体的漂浮物对旋桨流速仪的缠绕，导致不能长期全自动测流。

2 自动化灌区流量测量方法

2.1 自动轨道测流法

自动轨道测流法主要是利用自动控制电机驱动铅鱼流速仪的总成型测流装置。由于其机电一体化装置具有高复杂性，故障率较高，且旋桨流速仪会受漂浮物缠绕等干扰因素影响，日常运行需要较多的现场调试和维护工作。

2.2 超声波H-ADCP法

超声波H-ADCP法是一种基于渠道剖面横向水体的超声波多普勒原理代表流速法，适合水位变幅不大的特定自然河道测流。灌区调水时的渠道水位变幅很大，因此H-ADCP无法满足规范中探头在水下自动跟踪60%水头位置的要求，不宜采用[2]。

2.3 超声波时差法

超声波时差法是一种基于渠道剖面横向水体的超声波阵列代表流速法。该方法主要存在泥沙淤积改变剖面形态的测量误差、代表流速与横向平均流速的建模理论相关性问题，以及条件河渠左右岸条件不符合探头安装要求、人工清淤对渠道内密集超声波探头阵列和布线产生破坏等问题，后期运行维护工作量和成本较大，不宜大批量设计采用。

2.4 雷达波测流法

雷达波测流法是一种渠道非接触式测流法。在河渠水面上方架设悬臂式支架安装雷达探头、平板阵列式雷达天线用来测水位，另一个多普勒天线用来测水体表面流速，然后通过水文模型计算出流速点下面的垂线平均流速，然后采用与垂线法ADCP相同的技术路线，可以采用走航式ADCP数据进行建模、率定和比测数据，垂线流速与断面测流模型具有水文测验理论相关性，因此是一种科学的实时自动测流方法，该方法可以满足5min的监测周期要求[3]。

2.5 自动测流方案比选

河渠断面自动测流是一个非常复杂的技术，由于河道宽度、河床形态、水文变化特征、地形和地质条件均不同，投资成本存在差异，测流精度不同，导致没有一种全自动测流方法可以适应大部分自然河渠测流断面。各种不同测流方案技术比较分析表如表1所示。

表1 各种不同测流方案技术比较分析表

根据凤台县当地灌渠水系情况，以及前述各自动化测流法的特点，最终凤台县永幸河灌区选用雷达波测流法开展自动测流工作。

3 凤台县永幸河灌区自动化测流系统

3.1 自动测流系统的拓扑结构

凤台县永幸河灌区自动化测流系统的组成主要包括以下三个部分：应用层，即中心站监管平台，主要由服务器、数据库软件、遥测站自动监测系统软件平台等组成；传输层，即数据通信网络，主要采用无线物联网进行传输；物理层，即前端硬件设备，包括遥测终端、流速及水位传感器设备等。系统组成拓扑如图1所示。

图1 凤台县永幸河灌区自动化测流系统拓扑结构图

3.2 自动测流站的主要功能及现场安装

（1）自动测流站的主要功能。①自动采集水位、表面流速传感器的数据，处理和存储数据，接收和响应中心站发送的招测命令；②现场终端嵌入流量模型和计算功能，发送水位、流速和流量计算数据；③支持遥测终端一发多收，向不同地址的中心站目标发送数据；④固态存储，自动存储1年以上的水位、流速、流量数据；⑤响应云平台的远程参数配置和接口测试指令。

（2）现场安装。①选址测流断面，现场预制混凝土基座；②太阳能板安装在立杆上，安装和固定立杆；③放下悬臂，安装雷达二合一传感器探头；④在立杆上安装设备箱、蓄电池，连接电缆；⑤遥测终端上电，配置参数，测试雷达传感器的读数；⑥升起悬臂并固定，测试流量和发送遥测流量数据。永幸河灌区自动测流站安装示意图及现场图如图2所示。

图2 凤台县永幸河灌区自动测流站安装示意图及现场图

4 结束语

随着通信技术、物联网技术在水利工程中的深入应用，灌区流量在线自动监测系统越来越受到重视，它可以实现多个设备的分布式监控及集中管理，通过将流量遥测站的各种运行状态参数数字化、信息化、网络化，以实现数据共享；中心站监管平台同时对各遥测的水位、流量等实现实时自动在线采集，监控遥测各个设备的运行状态，在出现异常时迅速处理并报警，全面实现灌区流量监管的全自动化。文章所述自动测流系统建设成本较低，相对误差较小，可满足灌区测流的精度要求，且实时性好、可靠性高、通信费用低，可长期稳定运行，值得推广。