楊明霞 ，壽穎杰 ，汪小東 ，林建棟

（1. 衢州學院電氣與信息工程學院，浙江 衢州 324000；2. 浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000）

1 研究內容

1.1 研究背景

越來越多的內陸河道應用水閘控制，構成內湖并與其他河流進行水體交換，控制內河水位水質在一個適當?shù)姆秶鷥?，保證區(qū)域社會經(jīng)濟健康發(fā)展[1]。水閘作為擋潮、防洪沖沙的重要口門樞紐如何經(jīng)過綜合應用管理，及時有效地將內湖的水質與水位控制在正常范圍內，防止一些突發(fā)自然災害造成的危害，保障內湖地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，是一個值得研討的問題。隨著城市社會發(fā)展，實現(xiàn)河道水閘的智能調度處理內湖的水位水質問題是水利智能化建設的趨向。

本設計以衢州市信安湖為研究對象。衢江流域（28°28'～29°34'N，118°23'～119°32'E）位于浙江省西部衢州市柯城區(qū)的信安湖（28°56'N，118°58'E），穿過衢州西區(qū)和主城區(qū)而過，是衢江流域面積和影響力最大的分段，沿岸人口數(shù)量眾多，污水和化學需氧量占衢江干流的 30% 以上，所以信安湖因此被稱為衢江水位水質的壓力計[2]。本設計實際研究區(qū)域：包括衢江衢江大橋、石梁溪白云大橋、廟源溪杭金衢高速公路大橋、烏溪江浙贛鐵路新大橋、衢江沈家大橋的水域。對信安湖核心區(qū)域進行實地考察，信安湖核心區(qū)域為一個狹長的 M 形，可以簡化得到模型圖，如圖 1 所示。在此模型圖中，本設計以衢州學院為中心，對信安湖上下游及水利樞紐進行分析研究。

圖1 信安湖核心區(qū)域模型圖

1.2 研究的因素

本設計中是根據(jù)對信安湖地區(qū)的相關數(shù)據(jù)進行研究，主要對水環(huán)境相關的兩大因素——水質和水位，以及閘門的兩大因素——孔道流量和開度進行研究。

1.2.1 水位

手動檢測出過去 1 a 信安湖水位變化，如表 1所示。

表1 信安湖 2017 年水位 m

據(jù)表 1 所知，信安湖最低水位在 7 月，正好屬于枯水期，為 3.55 m（高程 3.55 m）；最高水位在6 月，屬于汛期，為 11.48 m（高程 63.39 m）；1 a 平均水位為 6.74 m（高程 59.5 m）。

1.2.2 水質

由于信安湖水域屬于景觀湖，且下游沿岸為衢州市衢江區(qū)主要灌溉區(qū)，所以水質標準為 IV 類水[3]。本設計的目的是將水質盡可能控制在 IV 類，至少為 V 類水，即將氨氮含量控制在 ≤ 1.5 mg/L 的范圍內，所以設目標水質濃度為 1.5 mg/L。

1.2.3 水閘孔道流量

根據(jù)瞬時流量的不斷檢測和累加，可以計算得到閘門開啟后流過閘門的水體積，即如下公式：

式中：q 為從閘門開啟起到閘門閉合止的總水體積；qi為每個時間點檢測到的瞬時流量；i 為從開啟到關閉的各個檢測時間點；n 為從開啟到關閉的總共檢測時間點。當對閘門進行調度時，檢測到的瞬時流量不斷在變化，如圖 2 所示。

圖2 閘門孔道瞬時流量圖

1.2.4 閘門開度

閘門的起降高低是由閘門的開度表示的。從2017 年最高水位 11.48 m 和實地情況得知，本設計閘門設置高度為 12 m，故閘門最大開度為 12 m。為了方便起見，將閘門調度時的開度設置為 4，8 和12 m（全開）3 檔，暫不考慮其他開度。

2 水質檢測

隨著傳感器技術發(fā)展，最先進的傳感器已具有自識別和自校正的功能，以及網(wǎng)絡功能[4]。本設計采用 W-TPC01 型氨氮傳感器，此氨氮智能傳感器為氨氣敏、銨離子、pH 和溫度 4 個探頭的組合，不必實驗室進行化學檢測，此傳感器應用于現(xiàn)場快速檢測水中的氨氮含量，還利用數(shù)據(jù)擬合處理提高測量精度[5]。

pH 值用來度量水的酸堿性，是溶液酸堿度的量化單位，是水質檢測的重要指標之一。pH 值在定義中視為 H+離子濃度的負對數(shù)即：

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)整體流程設計

系統(tǒng)整體流程以應用層為中心，也是系統(tǒng)的應用層架構運行的流程，其流程圖如圖 3 所示。當整個系統(tǒng)開始運行時，首先需要對系統(tǒng)整體進行參數(shù)初始化，隨后需要對整個系統(tǒng)的各個部件進行檢查，檢查是否有部件參數(shù)未初始化等。

圖3 系統(tǒng)整體流程圖

當系統(tǒng)可以正常工作時，分為 2 個子系統(tǒng)的流程運行。其中，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)后，導入數(shù)據(jù)中心，延時一段時間后，一輪水環(huán)境監(jiān)測便完成了，該子系統(tǒng)進行下一輪監(jiān)測。因為水環(huán)境監(jiān)測是定時輪循檢測，所以需要延時計數(shù)[4]。而在閘門調度系統(tǒng)中，系統(tǒng)先需要檢查數(shù)據(jù)中心是否有數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)，則需要通過水環(huán)境檢測系統(tǒng)進行獲取；有數(shù)據(jù)的話，利用算法模型進行計算，并判斷是否超過水域的納污能力，最后得到調度方案，實現(xiàn)閘門調度，該子系統(tǒng)進行下一輪獲取數(shù)據(jù)和計算判斷。

3.2 水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)設計

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是整體系統(tǒng)的其中一個子系統(tǒng)，當整體系統(tǒng)需要得到水環(huán)境的相關數(shù)據(jù)時，則開始運行水環(huán)境檢測系統(tǒng)的流程。其流程圖如圖 4所示。

水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)開始運行時，系統(tǒng)同樣需要初始化參數(shù)，初始化完成后，系統(tǒng)根據(jù)預先已排序的監(jiān)測點的順序進行檢測數(shù)據(jù)。如設選擇某監(jiān)測點進行檢測，系統(tǒng)對該監(jiān)測點索求數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)自身開始定時計數(shù)并等待接收數(shù)據(jù)。若在規(guī)定時間內接收到監(jiān)測點反饋的數(shù)據(jù)，則保存數(shù)據(jù)并繼續(xù)選擇其他監(jiān)測點索求數(shù)據(jù)。

圖4 水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

在水環(huán)境檢測系統(tǒng)中的各個監(jiān)測點，分別有水位和水質傳感器，上位機依次進行輪循索求。在水質或水位傳感器內部，傳感器自身進行不斷檢測、處理數(shù)據(jù)并保存至傳感器自帶的緩沖區(qū)中。當水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對各個監(jiān)測點的傳感器進行索求數(shù)據(jù)時，水質傳感器或水位傳感器會產(chǎn)生串口中斷并進行中斷處理，即將緩沖區(qū)中最新數(shù)據(jù)傳送出去。同理，在閘門調度系統(tǒng)中，閘門開度和流量傳感器的內部流程與水質或水位傳感器內部流程相同。

3.3 閘門調度系統(tǒng)設計

當整體系統(tǒng)對已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)進行算法模型計算后，得到信安湖水質已超過當前納污能力時，則需要對閘門進行調度以改善信安湖水環(huán)境。對于閘門調度系統(tǒng)，現(xiàn)已知水質已超過納污能力，需要先對調度系統(tǒng)進行初始化參數(shù)，同時檢測出閘門當前狀態(tài)的開度。得到開度數(shù)據(jù)后，進行模型算法計算，并判斷當前閘門需要開啟的孔數(shù)與開度[6]。

依據(jù)所需的孔數(shù)與開度，以命令方式控制 PLC的運行，實現(xiàn)閘門的升降；同時，需要對閘門已開的孔道進行檢測當前的水流量，保證在水中污染物擴散開且濃度下降情況下，信安湖的水位及其作為景觀湖的作用等不受影響。依據(jù) 1.2.3 水閘孔道流量的原理，進行檢測。當流量已達到之前計算所需的預計時，則需要檢測當前閘門開度，此時檢測的開度數(shù)據(jù)，是為了檢測閘門自身是否發(fā)生位移，保證閘門安全關閉。依據(jù)開度數(shù)據(jù)，再次以命令方式控制 PLC 的運行，實現(xiàn)閘門升降。一次閘門調度便結束，但上位機需要計時一段時間并不斷去數(shù)據(jù)中心取數(shù)據(jù)，檢測是否超過納污能力和防止閘門在短時間內頻繁升降。其流程圖如圖 5 所示。

4 結語

圖5 閘門調度系統(tǒng)流程圖

講述了設計研究的背景及其相關意義，設計了一個簡單的基于物聯(lián)網(wǎng)的水環(huán)境監(jiān)測與閘門調度的系統(tǒng)。由于設計并不是嚴格地按照實際場地進行的設計，所以不能完全描述水環(huán)境的實際狀況；針對閘門調度的模型也由于因素的研究較少沒有完全完善，今后將進一步研究，完善調度算法模型的構建。