栗克國 孟祥杰 李志飛 張璇

摘要：針對引黃灌區(qū)缺少適用面廣、使用方便的量水系統(tǒng)的問題，提出了一種軌道式灌區(qū)明渠量水方法。結(jié)合PLC自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過系統(tǒng)集成的方法，研制了包括渠道斷面自動測流車和遠(yuǎn)程控制管理軟件的軌道式渠道斷面自動測流系統(tǒng)。該系統(tǒng)可測量水位、水深、分層流速等多個(gè)參數(shù)，通過內(nèi)置模型自動計(jì)算斷面流量，使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)上傳到控制軟件，同時(shí)具備自主充電、自動啟閉測流房卷簾門等功能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守和全自動測量。經(jīng)在部分引黃灌區(qū)渠道比測試驗(yàn)，該系統(tǒng)流量測量結(jié)果與流速儀精測法的測量結(jié)果相比，誤差在2%以下，滿足灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范的要求。與傳統(tǒng)的明渠量水系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有效率高、適用性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：灌區(qū)量水；明渠；自動測流車；水深測量

中圖分類號：P332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.033

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)灌溉成為糧食豐收的重要保證。但在農(nóng)業(yè)灌溉方面，普遍存在效率低下的狀況，我國農(nóng)業(yè)灌溉水的利用系數(shù)平均為0.45，而發(fā)達(dá)國家為0.7～0.8。我國的灌區(qū)大部分是在20世紀(jì)六七十年代建成的，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件和管理體制，很多灌區(qū)沒有量水設(shè)施，或者有量水設(shè)施但因量測精度太低而無法使用。隨著水資源的日益緊缺和水市場的建立，“計(jì)劃用水，按方收費(fèi)”是灌區(qū)水費(fèi)改革的重要內(nèi)容，節(jié)水灌溉也成為一項(xiàng)重要的工作。

在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉各項(xiàng)技術(shù)措施中，灌區(qū)量水是一項(xiàng)基礎(chǔ)的、關(guān)鍵的、難度較大的技術(shù)。該技術(shù)是灌區(qū)管理部門進(jìn)行引水、輸水、配水工作必須采取的技術(shù)環(huán)節(jié)。目前，灌區(qū)量水依然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，盡快研究并推廣使用方便、適用性強(qiáng)、量測精度高的量水設(shè)施成為當(dāng)前的重要工作。

本文介紹一種軌道式渠道斷面自動測流系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了PLC自動化、計(jì)算機(jī)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，通過系統(tǒng)集成的方法，實(shí)現(xiàn)了水位、水深、分層流速等多個(gè)參數(shù)的自動測量和斷面流量的自動計(jì)算。同時(shí)系統(tǒng)具備自主充電、自動啟閉測流房卷簾門等功能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守和全自動測量。經(jīng)在山東省多個(gè)引黃灌區(qū)應(yīng)用，其測量過程規(guī)范可靠，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，流量計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。

1灌區(qū)量水方法及存在問題

1.1灌區(qū)常用量水方法介紹

灌區(qū)常用的量水方法包括水工建筑物法、特設(shè)設(shè)備法、儀表流量計(jì)法、流速面積法。

水工建筑物量水的原理是通過對過流建筑物上、下游水位和閘門開度的監(jiān)測，根據(jù)穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對流量的測定。該方法不但可以減少因設(shè)置量水設(shè)施而產(chǎn)生的水頭損失，而且可以節(jié)省大量附加量水設(shè)施的費(fèi)用，并且方便增加水位、閘位自動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動化量水。

當(dāng)渠系上沒有水工建筑物或?yàn)榱巳〉锰囟ㄇ?、地段上的水量資料，可以利用特設(shè)量水設(shè)備進(jìn)行量水。常見的特設(shè)量水設(shè)備有三角堰、平坦V形堰、巴歇爾槽、無喉槽、長喉槽等。特設(shè)量水設(shè)備不可避免會帶來一定的水頭損失，而且不同形式的量水設(shè)備的測流精度、測量范圍、抗干擾能力差異很大，使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

大部分儀表類流量計(jì)是基于水力學(xué)原理測流的二次儀表，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、量測直觀、計(jì)量簡捷。但其對過水?dāng)嗝嬗袃蓚€(gè)要求：一是必須規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)、面積易算、平整光滑；二是必須滿管出流，過水?dāng)嗝孑S線與渠道水流軸線吻合，出水口被下游最低水位淹沒。隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，又產(chǎn)生了一批新型的流量計(jì)，如電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。電磁流量計(jì)具有壓力損失小、測流范圍廣、不需要參數(shù)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量量測設(shè)備，不需要在流體中安裝測量元件，不改變流場，無壓力損失，但價(jià)格較為昂貴。

使用流速儀量水，結(jié)果較為精確，但測流和計(jì)算流量比較費(fèi)時(shí)、繁瑣。此種方法對測流斷面的選擇要求較高，要求渠段平直、水流均勻、無旋渦和回流，水流方向應(yīng)與斷面垂直。

1.2灌區(qū)量水存在的問題

（1）灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施不配套。我國灌區(qū)大多是20世紀(jì)六七十年代興建的，規(guī)劃設(shè)計(jì)不周密，渠系標(biāo)準(zhǔn)不高，建筑物配套不全。各個(gè)灌區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件參差不齊，現(xiàn)有的量水設(shè)施狀況各不相同，老化失修現(xiàn)象嚴(yán)重，量水設(shè)施寥寥無幾且大都無法正常使用。

（2）量水設(shè)施精度不高。在灌區(qū)量水中，一般要求量水誤差不超過5%。目前使用的大部分量水設(shè)備在特定的流態(tài)和工況下才能達(dá)到較高的精度，一旦流態(tài)改變或工作條件變化，量測精度就會降低；有些量水設(shè)施對施工要求較高，當(dāng)施工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或運(yùn)行期局部淤積都會使量水精度顯著下降。

（3）量水設(shè)施費(fèi)用較高。各科研單位和大專院校研制的各種新型量測設(shè)備不是價(jià)格過高就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不方便，無法在灌區(qū)普及應(yīng)用。

（4）量水設(shè)施適用性不強(qiáng)。各種量水設(shè)施都有較嚴(yán)格的使用條件，對工作環(huán)境和操作人員業(yè)務(wù)水平要求較高，特別是近年來出現(xiàn)的新型量測設(shè)施，對氣象條件（刮風(fēng)、下雨）、渠底淤積等更為敏感，運(yùn)維過程中要求人員素質(zhì)更高，嚴(yán)重制約了在灌區(qū)的推廣應(yīng)用。

2軌道式渠道斷面測流原理

2.1測量原理綜述

大部分灌區(qū)渠道測流斷面上需設(shè)用于人工測流的測橋，為了節(jié)省費(fèi)用，在測橋上游側(cè)鋪設(shè)兩條三角形平行軌道，軌道一端鋪設(shè)到測流房內(nèi)。在軌道上根據(jù)渠道斷面寬度確定測量垂線位置及條數(shù)，在每條測量垂線處安裝標(biāo)識器。測流車放置于測流房內(nèi)的軌道上，啟動測量時(shí)，測流車攜帶流速儀沿軌道運(yùn)動，遇到測量垂線標(biāo)識器時(shí)，測流車停止運(yùn)動，進(jìn)行水位、水深（淤積厚度）測量，根據(jù)測量的水位和水深數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前垂線流速測量方式。測流車下放流速儀到固定深度進(jìn)行單點(diǎn)流速測量或分層流速測量，測量完成后收起流速儀，啟動測流車到下一個(gè)測點(diǎn)。所有測點(diǎn)測量完成后，測流車計(jì)算每條垂線的部分平均流速和部分面積，計(jì)算部分流量，將部分流量累加即為斷面流量，見圖1。

如圖1所示，該方法與流速儀精測法的測量流程相似，可根據(jù)需要加密測量垂線，具備水深（淤積厚度）測量功能，可補(bǔ)償淤積造成的斷面面積計(jì)算誤差和垂線分層測點(diǎn)定位誤差，從測量原理上保證其具有較高的測量精度。

2.2水位測量

使用固定在測流車腹部的超聲波水位計(jì)進(jìn)行水位測量，通過測量超聲水位計(jì)下端面到水面的距離H計(jì)算水位：S水=S超-H，其中S超為超聲波水位計(jì)下端面的高程，該值可通過測量軌道上端面高程和測流車腳輪到水位計(jì)下端面垂直距離得到。

受淤積等因素的影響，各垂線測點(diǎn)的水位并不一致，為了保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在每條垂線測點(diǎn)上均進(jìn)行水位測量，每部分面積的計(jì)算均使用對應(yīng)測點(diǎn)的水位測量數(shù)據(jù)。

2.3流速測量

測量垂線平均流速的方法，通常有積深法和積點(diǎn)法。積深法屬于垂直方向的積分法，從理論上講，在不考慮其他影響因素時(shí)，此法具有較高的精度。然而，最常用的是積點(diǎn)法。積點(diǎn)法是在垂線上按一定規(guī)律布置有限的測點(diǎn)施測點(diǎn)流速，根據(jù)測得的各點(diǎn)流速，推算垂線平均流速。

系統(tǒng)內(nèi)置一點(diǎn)法、兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法和五點(diǎn)法4種測流方法，根據(jù)測量的水位和水深數(shù)據(jù)自動選擇采用何種方法。一般來說，不同的水深采用不同的方法，參考標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.4水深測量

水深測量又稱為泥位測量，使用接近傳感器（泥位計(jì)）作為前端傳感器，泥位計(jì)安裝在鉛魚下方，當(dāng)鉛魚在鋼絲繩帶動下向下移動時(shí)，泥位計(jì)隨之移動，接近水底時(shí)，泥位計(jì)輸出信號，根據(jù)鉛魚下降高度即可推算出渠底淤積變化情況。如圖2所示，水深測量結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、卷揚(yáng)輪、定滑輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、防擺架、傾角測量器、鉛魚、泥位計(jì)、鋼絲繩等組成。鋼絲繩纏繞在卷揚(yáng)輪上，通過定滑輪、限位桿并穿過傾角測量器，掛載流速儀、鉛魚及泥位計(jì)。

進(jìn)行水深測量時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動卷揚(yáng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，鋼絲繩在鉛魚的帶動下下放，與定滑輪連接的旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動計(jì)數(shù)，當(dāng)泥位計(jì)接觸泥面或渠底時(shí)，泥位計(jì)內(nèi)部的干簧管動作，發(fā)信號給測流車，此時(shí)測流車停止電機(jī)轉(zhuǎn)動，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動角度ω和定滑輪直徑D定可計(jì)算鋼絲繩下放長度L放，此長度加上上限位到泥位計(jì)的高度h即為上限位到水底的鋼絲繩長度L測：

L測=L放+h=ωD定+h

（1）

當(dāng)鉛魚和流速儀入水后，受到水流沖擊發(fā)生側(cè)移，帶動鋼絲繩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，可以忽略鋼絲繩傾斜對測量結(jié)果的影響，認(rèn)為L測就是測流車上限位到渠底的距離，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度較大時(shí)，需要進(jìn)行補(bǔ)償處理，如圖3所示。式中：L測、θ、S水3個(gè)參數(shù)均可通過測流車測量得到；L1為測流車上限位點(diǎn)到防擺架最底端下位孔的距離，為定值。據(jù)此可計(jì)算實(shí)際水深。

2.5流量計(jì)算

斷面流量計(jì)算采用平均分割法，計(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算測點(diǎn)流速。根據(jù)施測記錄的轉(zhuǎn)數(shù)和歷時(shí)，按流速公式計(jì)算測點(diǎn)流速。

（2）計(jì)算垂線平均流速。根據(jù)實(shí)測情況，按垂線平均流速的計(jì)算方法，求出各測線的垂線平均流速Vm1、Vm2、…、Vm（n-1）。

（3）計(jì)算部分平均流速。部分平均流速就是相鄰兩條測線的垂線平均流速的平均值，即

岸邊流速系數(shù)α與渠道的斷面形狀、渠岸的糙率、水流條件等有關(guān)。合理選取α值，對提高流量施測精度有顯著影響，α值可以通過實(shí)測確定。

（4）計(jì)算部分面積。部分面積由相鄰兩條測線處的水深的平均值乘以測線間距（見圖4）而得：

（5）計(jì)算部分流量。由每塊部分面積乘以該面積對應(yīng)的部分平均流速即得部分流量。

（6）計(jì)算斷面流量。各個(gè)部分流量qi之和即為斷面流量Q：

3渠道斷面自動測流車研制

3.1總體設(shè)計(jì)方案

渠道斷面自動測流車是一種綜合性的測量控制系統(tǒng)，其采集垂線水位、分層流速、水深等數(shù)據(jù)，通過分部流速面積法計(jì)算斷面流量，整個(gè)測量過程無需人的參與，測量完成后自動將測量數(shù)據(jù)和計(jì)算的流量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)控制軟件。

渠道斷面自動測流車使用直流減速電機(jī)驅(qū)動前進(jìn)或后退，使用步進(jìn)電機(jī)控制流速儀及鉛魚的收放，可自主在軌道上移動，自主完成儀器收放操作。

渠道斷面自動測流車使用PLC控制器為控制核心，管理所有采集儀器、監(jiān)測設(shè)備、輔助支持設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)量測過程的有效控制。

渠道斷面自動測流車內(nèi)置可充電電池，單次充電可進(jìn)行4次斷面流量測量。設(shè)計(jì)有電源控制功能，可分別控制各個(gè)功能模塊供電以有效降低系統(tǒng)能耗；設(shè)計(jì)有自動充電裝置，可自主返回測流房進(jìn)行充電，并具有過沖保護(hù)和低電量報(bào)警功能。

渠道斷面自動測流車設(shè)計(jì)有文本顯示控制器，可顯示測流車運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可通過鍵盤設(shè)置測流車工作模式和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

渠道斷面自動測流車具備多個(gè)數(shù)據(jù)接口，支持GPRS、2.4G無線、433M無線等多種通信方式，可將采集數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)，支持上位機(jī)遠(yuǎn)程對測流車進(jìn)行控制操作，支持手持終端機(jī)和手機(jī)APP客戶端遠(yuǎn)程對測流車進(jìn)行操作。

3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

渠道斷面自動測流車機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括外殼、底盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、儀器收放機(jī)構(gòu)、運(yùn)動限位機(jī)構(gòu)、線纜收放機(jī)構(gòu)等，見圖5。

3.3硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件主要包括PLC控制模塊、串口通信模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、繼電器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、文本顯示模塊、電源模塊、自動充電模塊、監(jiān)視報(bào)警模塊等，見圖6。

測流車選用西門子S7-200SMART系列PLC控制器，為西門子新一代小型控制器，具有豐富的I/O節(jié)點(diǎn)，可擴(kuò)展模擬量、數(shù)字量通信接口等，集成以太網(wǎng)模塊，支持三軸100 kHz的脈沖輸出，內(nèi)置芯片處理功能強(qiáng)大，基本指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.15μs。

電源模塊采用12V60AH蓄電池給驅(qū)動電機(jī)供電，使用12V轉(zhuǎn)24V模塊給PLC控制器、超聲水位計(jì)、無線通信模塊供電，12V轉(zhuǎn)48V模塊給步進(jìn)電機(jī)供電，12V轉(zhuǎn)5V模塊給旋槳流速儀、限位器等供電。各用電設(shè)備可通過PLC連接繼電器控制通斷。

串口通信模塊采用服用方式，可同時(shí)支持GPRS、433M無線、2.4G無線3種通信方式中的任意2種，使用433M無線通信時(shí)，支持手持終端PDA的遠(yuǎn)端控制。在GPRS模式下，支持上位機(jī)遠(yuǎn)程控制和手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制。

流速數(shù)據(jù)采集支持旋槳流速儀、電磁流速儀，支持脈沖量、數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入，可設(shè)置流速儀工作參數(shù)。

文本顯示模塊選用西門子TD400C文本顯示控制器，其支持15個(gè)可配置按鍵，顯示屏可顯示4行字符，擁有顯示背光，適用于從簡單到比較復(fù)雜的操作任務(wù)。設(shè)計(jì)支持使用文本顯示控制器操作測流車，可查看測流車工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，可設(shè)置測流車相關(guān)工作參數(shù)。

自動充電模塊使用接觸式充電方式，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值后，測流車運(yùn)動到測流房充電位置進(jìn)行自動充電，充電完成后，測流車可自動斷開充電電源防止電池過充。

測流車具有多個(gè)監(jiān)視報(bào)警功能，可監(jiān)視電池電量、測流車運(yùn)動速度，可監(jiān)測軌道運(yùn)動障礙并報(bào)警提醒，支持軟件閃爍報(bào)警和本地聲光報(bào)警。

3.4 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件使用S7-200SMART專用編程軟件STEP7- Micro/WINSMART開發(fā)和LDA梯形圖開發(fā)，其主要流程見圖7。

測流車在不測流時(shí)為待機(jī)狀態(tài)，等待執(zhí)行用戶指令，執(zhí)行完用戶指令后再次進(jìn)人待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)過程中，定時(shí)監(jiān)測電池電量，如果需要充電，自動移動到充電位置進(jìn)行充電。電池充滿后，自動移動小車到待機(jī)位置，防止長時(shí)間充電對蓄電池造成損傷。

用戶指令包括參數(shù)設(shè)置、啟動測量過程、中斷測量過程等，其中自動測量過程是最重要、最核心的T作流程，其流程見圖8。

上位機(jī)控制軟件使用C#語言開發(fā)，基于.net框架，主要功能是實(shí)現(xiàn)與測流車的通信、管理以及測量數(shù)據(jù)的整定、處理，其主界面見圖9。軟件設(shè)計(jì)支持通過無線網(wǎng)絡(luò)、RS485串口等與測流車通信，支持附加的現(xiàn)場視頻監(jiān)控，可以在測流過程中遠(yuǎn)程觀察測流車現(xiàn)場運(yùn)行情況。軟件支持定制化的報(bào)表輸出功能，可以根據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況生成指定格式的測量報(bào)表。

4測試數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場應(yīng)用

渠道斷面自動測流車研制完成后，分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對試驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)比對試驗(yàn)以各項(xiàng)測量參數(shù)的比對為主，主要包括水位、水深、流速等參數(shù)的比對?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)比對則以與流速儀精測法測量的斷面流速和計(jì)算的斷面流量比對為主。

4.1測試數(shù)據(jù)分析

測流車測量水位使用的是超聲水位計(jì)，利用國家水運(yùn)工程檢測設(shè)備計(jì)量站的水位計(jì)檢定水塔進(jìn)行超聲水位計(jì)的數(shù)據(jù)比對，結(jié)果見表2。

測流車測量流速使用的是旋槳流速儀，利用國家水運(yùn)工程檢測設(shè)備計(jì)量站的流速儀檢定水槽進(jìn)行流速儀的數(shù)據(jù)比對，結(jié)果見表3。

從實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)分析，測流車單項(xiàng)水文參數(shù)測量精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測量規(guī)范要求。

測流車在山東濱州部分灌區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)比測，直接比對人工測量流量和測流車測量流量，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

從比對結(jié)果看，測流車測量的最大相對誤差在4.02%以下，測流車連續(xù)兩次測量結(jié)果的平均相對誤差在1.69%以下。

4.2實(shí)際安裝應(yīng)用

渠道斷面自動測流系統(tǒng)自研制以來，經(jīng)過了數(shù)次適用性改進(jìn)和完善，先后在山東省濱州市韓墩灌區(qū)、小開河灌區(qū)和德州李家岸灌區(qū)等進(jìn)行了大量的安裝測試，其中小開河灌區(qū)自動測流系統(tǒng)經(jīng)過近幾年的運(yùn)行，已經(jīng)完全可以替代人工測量，取得了較好的應(yīng)用效果。