周德東　邊玉國

(蘭州工業(yè)學院電氣工程學院， 甘肅 蘭州　730050)

?

水利灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計

周德東邊玉國

(蘭州工業(yè)學院電氣工程學院， 甘肅 蘭州730050)

水利行業(yè)智能化發(fā)展已成為必然趨勢。水利灌區(qū)作為用水大戶，其節(jié)水灌溉、合理用水必須著眼于信息化的發(fā)展。本文介紹了甘肅鼎新灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計情況。該系統(tǒng)運行效果良好，可為水利灌區(qū)智能化發(fā)展做參考。

灌區(qū)； 水情； 自動監(jiān)控

1　引　言

隨著信息技術、計算機技術、自動控制技術的不斷發(fā)展，水利行業(yè)的智能化已成為當前發(fā)展的必然趨勢，并正在逐步實施。由于世界性水資源的短缺，作為用水大戶的農田灌溉，其合理用水、節(jié)約用水已刻不容緩，加強水情信息監(jiān)測可達到控制水量、定額管理的目的，因此水利灌區(qū)信息化建設必須提上既定日程。

2　水利灌區(qū)概述

甘肅省鼎新灌區(qū)位于黑河下游，地處甘肅省與內蒙古自治區(qū)的交界地帶，深居巴丹吉林沙漠腹地，灌溉面積14萬畝，南北長70余km，東西寬平均約4km，地勢西南高，東北低，自然縱坡在1‰左右，海拔在1130～1200m之間。

該灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設是為有效落實農業(yè)用水總量控制與定額管理提供技術保障，其重點是加強水資源的統(tǒng)一調配，在總量控制的基礎上，合理制定區(qū)域間水量分配方案。系統(tǒng)建設的好壞，直接關系到節(jié)水型社會試點的建設，是灌區(qū)治理開發(fā)和現(xiàn)代化管理的需要。

3　設計要求

甘肅省某灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)項目，主要內容為建設渠道水庫水情監(jiān)測系統(tǒng)、重點閘門監(jiān)控系統(tǒng)、重點區(qū)域視頻監(jiān)視系統(tǒng)、通信網絡及信息傳輸平臺，灌區(qū)應用軟件開發(fā)。

該項目將綜合運用信息化技術、自動化技術，構建灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)，以此充分發(fā)揮灌區(qū)的節(jié)水調水功能，增強水管所的應變能力和水資源配置水平，提高灌區(qū)的現(xiàn)代化管理水平，最終對提升灌區(qū)的整體管理水平和綜合效益，實現(xiàn)科學管理、高效控制、節(jié)能增效起到直接的作用。

此次信息化項目將充分運用信息系統(tǒng)集成理念，綜合應用通信技術、自動化技術、計算機技術、網絡技術、智能技術和有關水利渠系工程技術，在計算機系統(tǒng)和數(shù)據庫系統(tǒng)的支撐下，將灌區(qū)的水量調度活動、供水計量業(yè)務，包括水情采集、部分閘門監(jiān)控、重點區(qū)域視頻監(jiān)視、水量調度、供水分析以及各級水管部門的業(yè)務活動集成起來，構筑一個數(shù)字化、網絡化、智能化的信息系統(tǒng)。

4　水情監(jiān)測站設計

水位和流量信息采集是灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵組成部分。準確計量主要引水口的水位，邏輯計算流量、水量，能夠為整個灌區(qū)水量調度管理和水量計量以及直接計費提供所必需的數(shù)據。

水流量計量是為灌區(qū)管理自動化、整體信息化系統(tǒng)服務的，是適用于水資源和水利調度的專用智能監(jiān)測系統(tǒng)。根據灌區(qū)工程的實際情況，結合國內外同類工程模式，要求該系統(tǒng)具有可靠性、準確性、實用性、先進性、開放性、安全性和易維護性等特點。

4.1水情監(jiān)測點布置

根據項目要求，此次水情自動監(jiān)測系統(tǒng)項目中水位信息采集分為三種情形：

a.與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集6處19點。

b.獨立渠道水位采集29處29點。

c.水庫庫水位采集8處8點。

4.1.1與閘門配套的閘門上下游渠道水位采集

由于此類水位點分布在閘門的上游和下游約100m處，這些閘門在該期工程中需要控制，因此這6處19點水位采集點在閘門監(jiān)控系統(tǒng)中進行設計，水位由閘門監(jiān)控核心單元采集，采集的水位數(shù)據發(fā)送到相應的信息分中心或信息中心站進行存儲。

4.1.2獨立渠道水位采集

獨立渠道水位采集共29處29點，根據采集的渠道水位數(shù)據，通過水位—流量關系換算出流量，再計算出水量。采集的水位數(shù)據通過通信模塊發(fā)送到水管所信息中心數(shù)據庫服務器中存儲。

4.1.3水庫庫水位采集

水庫庫水位采集共8處8點，根據采集的庫水位數(shù)據，通過水位—庫容關系換算出庫容。采集的水位數(shù)據通過通信模塊發(fā)送到水管所信息中心數(shù)據庫服務器上存儲。

4.2系統(tǒng)方案設計

渠道水位采集點和水庫庫水位采集點由現(xiàn)場設備和接收端設備組成?，F(xiàn)場設備包括：遙測RTU終端設備、水位傳感器、通信單元和供電單元；接收端設備包括：數(shù)據庫服務器和安裝了水位流量接收處理軟件和水位庫容接收處理軟件的工作站。水位采集系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　水位采集系統(tǒng)結構

根據圖1所示，采集點主要由遙測終端(RTU)、GPRS 通信模塊、水位傳感器及供電單元組成。水位傳感器選擇壓力式水位傳感器；供電單元選擇太陽能供電系統(tǒng)，由遙測終端機控制太陽能電池板給蓄電池充電，防止太陽能板對蓄電池無限制充電，導致蓄電池充爆損壞，再由蓄電池給遙測終端供電。水位傳感器感應水位信號，由遙測終端采集并臨時存儲，再通過GPRS通信模塊傳送到中心站數(shù)據庫服務器存儲。

灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2　水情自動監(jiān)測系統(tǒng)結構

其中，部分引水樞紐水位點通過浮子式水位計采集庫區(qū)水位，采用超聲波液位計采集總干渠首水位，將數(shù)據采用GPRS發(fā)送到水管所信息中心監(jiān)控計算機上。

采用GPRS通信的29點水位采集點系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3　水位采集點通信系統(tǒng)結構

采用GPRS 通信方式的水情采集由現(xiàn)場RTU 定時采集水位數(shù)據，通過傳輸單元分別傳送到水管所數(shù)據庫服務器中存儲；在水管所信息中心分析處理應用軟件實現(xiàn)數(shù)據分析、統(tǒng)計、查詢。

水情監(jiān)測系統(tǒng)在遙測RTU終端設備控制下，自動完成各引水口水位參數(shù)的采集和預處理并存入固態(tài)存儲器，并經GPRS通信鏈路向信息中心站傳送所采集的數(shù)據，利用GPRS網絡通信方式傳輸?shù)剿芩兴徊杉c采用太陽能極板供電。

水情監(jiān)測站向信息中心報送數(shù)據的方式可采用定時上報、中心召測應答、事件報送的混合體制。事件報送時，每當流量參數(shù)發(fā)生一個計量單位的變化時，采集終端機就自動采集，并進行數(shù)據擾動濾波，加注時標，按指定的格式存儲。采集終端機中至少可保存一個月以上的數(shù)據。如采集站與中心站發(fā)生長時間通信線路中斷時，數(shù)據能通過IC卡轉存，并通過水管段上報到水管所信息中心。

現(xiàn)地水情監(jiān)測站是由太陽能電源供電系統(tǒng)、水情監(jiān)測終端機(RTU)、水位傳感器、GPRS/GSM通信模塊、防盜探測器、信號避雷器等組成，可選配IC卡數(shù)據提取接口。其中水情監(jiān)測RTU、防盜探測器、信號避雷器、液晶顯示模塊、膠體蓄電池等設備集成在終端機箱內。系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4　水情監(jiān)測現(xiàn)地站系統(tǒng)結構

水位傳感器輸出4～20mA信號，水情監(jiān)測RTU的模擬量輸入接口(AI)進行水位測量。

防盜探測器的開關信號輸入水情監(jiān)測RTU的開關量輸入/輸出模塊(DI/DO)，用于探測測量井是否被打開，起防盜報警作用。

IC卡讀寫接口(可選)經與水情監(jiān)測RTU進行IC卡數(shù)據交換，在沒有通信信號的情況下，通過IC卡，在水管所的IC卡識別終端上將數(shù)據上傳。

GPRS MODEM通過RS232/RS485接口與水情監(jiān)測RTU進行通訊。在有通信信號的情況下，所有數(shù)據經水情監(jiān)測RTU采集，并通過GPRS上傳到水管所調度監(jiān)控中心。

太陽能電源提供RTU設備電源輸入，為整個監(jiān)測系統(tǒng)供電。

5　防雷接地設計

灌區(qū)水情監(jiān)測站防雷設計主要有三方面，各水位觀測站的防雷采用太陽能支架頂部安裝避雷針、通信線路同軸避雷器和水情監(jiān)測終端機I/O端口防高壓三位一體的防雷技術；此外，建設水情監(jiān)測站接地網，接地電阻不大于4Ω，可更好地避免雷擊。

該項目提供兩個方面的防雷設計考慮。

a. GSM通信天線引雷：水泥電線桿頂部安裝避雷針，在有雷電引起超高壓時，直接對地放電，保護設備。

b.通信線路引雷：對于通信電纜較長且裸露在外的GPRS模塊串口，通信線路采用信號線避雷器，最大限度地把雷擊信號引入水情監(jiān)測站接地網。

6　防盜安保設計

該項目所設計的水位監(jiān)測站均考慮無人值守方式，采用物理防盜機械鎖安裝在測井蓋上進行一級物理防盜；此外在設備箱內采用紅外線報警探頭或門磁開關探測的二級電子防盜，信息中心站通過遙測終端機進行信號采集，然后經GPRS通信送到各遙測中心站，以進行報警。

另外，采用40kgφ12的鋼筋制作金屬保護欄保護現(xiàn)地水情監(jiān)測站系統(tǒng)。

7　結　語

隨著科技的發(fā)展，任何行業(yè)必將實現(xiàn)智能化、信息化，水利灌區(qū)也不例外。水利灌區(qū)水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的實施，將進一步促進水利行業(yè)智能化、信息化建設，達到全面合理用水、節(jié)約用水的目的。

[1]趙洪洋.新型農田灌溉控制系統(tǒng)淺析[J].水利建設與管理,2015(2).

[2]李劍鋒,張斌.石堡川灌區(qū)信息化建設初探[J].陜西水利,2011(1).

[3]趙飛,解瑞.淺談灌區(qū)信息化建設與發(fā)展趨勢[J].中國西部科技,2011(1).

[4]丁慧.發(fā)展農業(yè)節(jié)水灌溉實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用[J].水利建設與管理,2010(3).

[5]郭榮祥,馬磊,馬和平.基于GPRS的河套灌區(qū)流量測量遙控系統(tǒng)研究[J].人民黃河,2011(9).

[6]陳久松,朱政,尹衛(wèi)平,李鳴.基于RS485總線的分布式PLC監(jiān)控系統(tǒng)通信設計[J].自動化與儀器儀表,2012(1).

[7]張廣馳.基于GPRS的水資源遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].淮南：安徽理工大學,2014.

[8]王利偉.東方紅灌區(qū)節(jié)水配套改造項目水資源供需平衡分析[J].水資源開發(fā)與管理,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