由测流方式的转变浅谈引黄灌区信息化发展

鲍建平，王 瑞，张海霞，王 力

（滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600）

1 小开河引黄灌区简介

山东省滨州市小开河引黄灌区位于黄河下游左岸，为国家大（2）型引黄灌区，纵贯滨州市中部，是滨州市重要水源。小开河干渠设计流量60 m3/s，加大流量85 m3/s，设计灌溉面积7.3万hm2。灌区自1993年开工建设，1998年建成运行；干渠全长94.2 km，包括输沙渠51.3 km、沉沙池4.16 km、输水渠38.7 km；干渠配套建筑物178 座。小开河上游输沙干渠采用大比降远距离输沙技术，干渠比降为1/5500～1/6800，渠道底宽16～24 m，边坡系数为1∶1.75，上游设计水位2.35 m，设计流速1.0～1.39 m/s，整体为窄深式梯形断面结构。

2 小开河灌区渠道测流发展历程

小开河灌区运行24 a年来，已累计引用黄河水超过50 亿m3。目前，用水区域和单位主要有滨城区、惠民县、阳信县、沾化区、无棣县、北海新区、西海水务公司、北海水务公司等。灌区渠道长，跨越县区多，流量计量到支渠为止，水费收取到县区。为实现自动测流、精准计量，灌区在渠道测流方面进行了诸多探索，最终实现了从人工测流到自动化测流的转变。截至2021年底，灌区共有干渠自动化测流点14处，水库自动化测点4 处，支渠自动化测点83 处；各测点均建设了标准断面，根据不同情况，分别架设了智能测流车，安装了流量计或闸前闸后水位计等相关测流设施。

2.1 人工测流阶段

1999—2004年，主要采用人工测流方式即流速仪+铅鱼+测绳的测流方式，流速仪型号采用重庆产LS25-A 型，显示器为ZLS-3直读流速显示器。人工测流缺点较多，主要有：①该型号流速仪旋浆螺丝套与身架密闭不严，容易被泥沙堵塞，影响转速，导致测流不准确；②显示器体积较大，不易携带，且用接线柱连接线路，程序繁琐，不易操作；③测流铅鱼较重，因灌区为大比降远距离输沙渠道，流速较大，上游测点铅鱼配重达15 kg 以上，人员劳动强度大，耗费时间长，且受天气和测点交通状况影响较大。人工测流的优点是能随时摸清测流点淤积状况，测流数据较准确。

2.2 多普勒量测阶段

自2004年起，小开河灌区尝试引入自动化测流仪器，首先应用的是超声波多普勒测流设备。多普勒测流利用颗粒反射原理，根据频率差求得流速，进而求得流量。灌区投资超230 万元建成宽带声学多普勒自动化测流系统，设备采用美国RDI 公司生产的第三代宽带多普勒H-ADCP。该设备有300、600、1200 kHz 3种频率，配有超声波水位计、压力水位计、测量倾斜角度倾斜计，有效量程分别为190、90、30 m。考虑渠首站的泥沙含量比较高，选用了600 kHz的仪器；其余2个站位于灌区的中游和下游，泥沙含量相对较低，选用了1200 kHz的仪器。系统采用宽带技术，在水平方向可达128个测量单元[1]。

该系统通过数传电台接收到自动化测流数据后，能够显示每个测点的流速、水位、流量等信息，在办公室就能对渠道引水情况进行掌控。同时，该系统将所有接收的数据写入数据库，既积累了资料，又方便以后查询。

多普勒测流仪的优点是设备集水位、流速测量于一体，解决了水位计、流速仪分设问题，但缺点也较突出。例如，多普勒测流仪对泥沙含量比较敏感，泥沙含量较高时测流仪穿透距离仅有渠道断面的1/3 至1/2，严重影响测流准确度，误差较大，甚至有时出现错误，显示数据匪夷所思；多普勒测流仪无法对渠道淤积进行监测，反映不出淤积变化对渠道测流断面的影响，经常需要人工测量淤积情况；多普勒测流仪安装高度约80 cm，当淤积深度达到80 cm 以上时，测流仪探头位于淤积面以下，便无法应用；多普勒测流仪核心技术均在美国，遇到故障后仅靠灌区工作人员往往难以排除，设备的后期维护、维修费用高，维修时间长。基于多普勒测流仪应用效果较差，设备在2007年发生故障后，未再继续维修运行。

2.3 轨道式智能测流车测流阶段

经过不断探索，自2011年开始小开河灌区与交通运输部天津水运工程科学研究所联合研制轨道式智能化测流车，经多年完善和改进后逐渐成熟，至2018年干渠沿线共安装了6 台轨道式智能测流车，基本能够代替人工，自动完成流量测算工作，并实现测流数据自动上传。

智能测流车是综合性的测量控制系统，自动采集垂线水位、分层流速、水深等数据，通过分部流速面积法计算断面流量，整个测量过程无需人的参与，测量完成后自动将测量数据和计算的流量数据上传到上位机控制软件[2]。在测流桥上增设2 条平行轨道，轨道上根据渠道断面宽度确定测量垂线位置及个数。启动测量时，测流车自动运行，根据水深自动判断该垂线测点数量及测点位置。流速仪到达预定深度后进行流速测量，测量完成后自动行至下一个垂线进行测量。最后，测流车自动计算断面总流量，通过4G 模块将数据传输至灌区信息化平台，如图1所示。

图1 轨道式智能测流系统示意

测流车的流速仪前期采用超声波流速仪，但因黄河水含沙量影响太大，后换用旋浆式流速仪，准确可靠。测流车的运用，大大提高了灌区的科技含量，也节省了大量人工，提高了工作效率。轨道式智能化测流车优点如下：①测流车小巧灵活，基建投资小。自重不足100 kg，可借用已有测流桥加装测流轨道，投资省。②自动化程度高，可真正实现无人值守。测流车可通过现场遥控器或者计算机远程控制，实时准确自动测量水位、水深，根据水深自动判断流速测量方法，自动测算断面流量，绘制断面流速分布图，数据通过网络自动传输到各测点所属管理所，实现自动测报和信息共享。在中心站点或远程客户端可以查看实时数据和历史数据。测流车可自动打开和关闭测流房房门，自动充电待机。③模块化设计，维护方便。测流车内设备模块化设计，出现故障，可单模块拆卸更换，维护方便快捷。④软件友好，可修正测绳倾斜误差，流程规范。同时，轨道式智能化测流车也有如下缺点：①测流采用传统旋浆式测流仪，测流时间长；②软件操作系统还需进行升级完善；③小车运行速度及测流速度还有进一步开发的空间。

3 灌区信息化建设情况

小开河灌区测流技术的不断进步，促进了灌区信息化的高速发展，截至2021年灌区在信息化建设方面已累计投资超3000万元，逐渐建成了灌区信息化综合管理平台和工程视频监控、轨道式智能测流、渠道水位实时监测、道路卡口电警、墒情气象监测等系统。综合历年灌区信息化建设内容，主要包括以下7个方面。

3.1 专用电力及光缆

因灌区距离较长，建设初期仅在沿干渠几处重要节点位置设立了摄像头，供电系统为借用附近村庄民用电，利用手机卡传输信号，电力及信号传输可靠性较差；后期结合大型灌区续建配套与节水改造工程，自2014年开始逐步沿干渠架设专用光缆80 km、高压电力15 km，安装专用变压器15台，为信息化建设打下了良好基础。

3.2 轨道式智能测流车系统

目前，灌区已安装轨道式自动测流车系统6 套，测流断面设备配置主要有轨道式智能测流车、雷达水位计、红外数字智能球机，能够完全实现无人值守、自动测流、自动充电和数据自动上传。

3.3 视频监控系统

依托灌区自身的电力及网络系统，灌区目前已安装视频监控80余处，基本实现了灌区工情、水情全覆盖。视频监控主要设置在引黄闸、渡槽等大型建筑物，支渠进水闸、各县区界测流桥及管理所内，采用光缆铺设+专网VPN汇总的建设方式。主干渠按不同管理所管理范围分段，建设了视频专网（光缆全覆盖），汇集点位于各管理所机房内，通过NVR 进行管理与视频存储。各管理所和灌区中心机房，通过电信VPN数据专线搭建了小开河视频专网，实现了所有视频数据的汇集与共享。部分重要站点还安装了语音对讲设备及自动识别喊话驱离设备，实现了语音广播及自动喊话驱离、水法宣传和远程语音警告等功能。

3.4 水情监测系统

灌区共计建设了97 处水位监测点，分别监测干渠、重要支渠闸前闸后水位、测流桥水位以及各水库水位。水位计型式为雷达水位计，受温度、湿度、气压、雨雪和风沙等环境因素的影响较小，设备运行稳定；在工作范围内具有较高的精度（±3 mm），测量数据通过4G 传感器上传至灌区信息化平台；用电量小，可用蓄电池和太阳能供电。每个测点可按照设定的时间将水位自动传输至灌区信息化平台。当水位超过设定的上限数值时，系统自动发出报警提示，并发送至管理人员的手机终端，做到早发现、早处置。

3.5 闸门监控系统

灌区建设闸门监控43 处，全部为闸位计。闸位计为恒力收绳闸门开度传感器，从内部拉出一根钢丝绳与被测闸门直接连接，闸门提升或下降时钢丝绳带动与编码器同轴的测轮旋转，使编码器与被测闸门同步转动，将被测闸门的启降转化为编码器轴的旋转，输出相应的位置信息，从而达到了监测灌区支渠闸门板的启闭高度的目的。闸位计的测量数据通过4G通信模块，直接发送至灌区信息化平台。

3.6 墒情、气象监测系统

2018年，沿干渠左右岸分散建设土壤墒情实时监测点14 处。通过土壤墒情传感器实时监测-10、-20、-30和-40 cm 处灌区不同区域土壤的温度和湿度变化，并在灌区分散建设了自动气象站监测系统6 处，可实时监测区域内温度、湿度、降雨量、风力等气象信息，为灌区的运行管理、科学调度、科学制定灌溉用水计划提供了数据支撑。相关设备采集数据均可自动采集，自动上传。

3.7 软件应用平台

信息化管理平台（小开河智慧灌区e 平台）是小开河灌区信息化建设的中枢神经系统，为灌区所有信息化设备提供了数据集成场所，涵盖了灌区管理涉及的信息采集、用水管理、水费征收、防汛抗旱、工程巡检等多方面应用，为灌区的智慧高效管理提供了强力保障。

小开河智慧灌区e 平台共计投资超120 万元。该平台是以灌区的实际工作情况和需求为基础，结合当前最为先进的云服务技术、物联网技术、大数据技术、地理信息技术、人工智能技术和移动应用技术，对灌区业务需求进行了深层次的挖掘和细致的梳理分析。该平台主要分为信息采集、量水测水、水费管理、工程管理、灌区GIS一张图、灌区可视化、行业管理等12 个模块，57 个分项。其中，信息采集模块的主要作用是接收、展示以及查询灌区信息化设备监测数据，灌区工作人员可以通过PC 端或手机App 端实时查询各监测点水情；量水测水模块为基层管理人员根据每日测水流量数据填报；灌区GIS一张图系统是以二、三维电子地图为展示媒介，将灌区涉及的工程台账信息、灌区水情信息等各类监测信息数据赋予空间维度，进行更加形象直观的展示，方便各级工作人员及时掌握灌区运行管理情况；灌区可视化展示系统是将灌区各类数据以图形或图表的形式进行统一的汇总，运用大数据分析，直观形象地反映灌区各存在因素的发展趋势，研判黄河水量情况，为灌区管理者科学决策提供支撑。在软件开发后期，还加入了通过手机App巡检的功能。

4 存在问题及建议

（1）灌区缺乏信息化后期运维经费。信息化建设资金主要来源于灌区续建配套和节水改造工程，未能单独立项。信息化建设投资在续建配套和节水改造总投资的占比仅为3.5%，建设资金得不到保证[3]，上级部门应进一步加大投资力度，投资比重向信息化部分适当倾斜。

（2）缺乏统一技术标准。2021年新建设的83处支渠量测水系统，包括超声波明渠流量计、电磁式明渠流量计及闸前闸后水位计3种类型，因设备较多，相关软件平台与灌区e平台急需进一步融合完善。

（3）对于测量精度较低的闸口，需探索新的测量方式。部分支渠因缺少测流建筑物建设条件，采用闸前闸后水位方式，利用引水闸流量计算公式进行估算，测算精度低，后期可尝试改用测控一体化闸门，提高测流精度。

（4）供电保证率较低。稳定的电源供给没有覆盖所有的信息化设备，有相当部分采用太阳能供电，受天气影响大，需进一步加大供电设备覆盖率，提高供电保证率。

（5）沿渠线杆易损坏。光缆沿渠道架设，曾出现人为撞毁线杆、大风等极端天气刮断光缆现象，导致信号传输发生中断，可将架空电缆改为地埋，降低不利因素影响。

（6）部分设备老旧。由于信息化工程分年度逐年完成，时间跨度大，电子设备更新换代较快，部分摄像头存在老化、像素低、变焦速度慢、夜视红外功能弱等不足，需要及时更换新一代产品。

（7）缺乏专业维护人员。灌区没有专业维护人员，有关设备发生故障时只能找原安装厂商技术人员，但出保修期后运维费用较高，需要加大人员培训力度，尽快构建灌区信息化管理的专业力量。

5 结语

据了解，山东省大型引黄灌区通过多年的续建配套与节水改造工程实施，灌区基础设施已趋于完善，但多数灌区信息化建设能力尚存不足，成为灌区现代化改造的短板，这与水利部提出的“十三五”期间全面完成大型灌区信息化建设任务和以水利信息化带动水利现代化的总体要求存在差距[4]。“十四五”期间引黄灌区的高质量发展，信息化建设必将是重中之重。依托现代化物联网技术、3S（遥感、地理信息系统和全球定位系统）技术、云技术、大数据技术和软件应用技术，建立起完善的灌区信息化基础设施、功能完备的灌区业务应用系统和安全可靠的保障体系，成为未来灌区发展的目标[5]。

本文希望通过系统总结典型灌区信息化建设过程及成果，梳理存在问题，为以后引黄灌区的信息化建设提供借鉴，助力灌区逐步实现从传统灌区到现代灌区的跨越式发展，逐步由“信息化”到“数字化”再到“现代化”，最终实现“智慧化”，推动引黄灌区的高质量发展。