劉懷利

（安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學(xué)研究院 合肥 230088）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)的灌區(qū)取水人工測量升級為智能化高精度量測水已經(jīng)成為可能。灌區(qū)輸水具有明渠、涵洞、涵閘、管道等多種方式，傳統(tǒng)灌區(qū)明渠取水計量多采用人工纜道測流方式，具有測站造價成本高、需要人工現(xiàn)場觀測以及不能實時計量等問題。本文針對灌區(qū)在明渠方式下通過分水閘放水，開展了量測水技術(shù)研究及自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。該系統(tǒng)具有經(jīng)濟簡便、可靠穩(wěn)定和實時在線監(jiān)測等特點，已成功應(yīng)用對于安慶市花涼亭灌區(qū)、明光市分水嶺水庫、定遠雙河水庫灌區(qū)等安徽省內(nèi)多個大中型灌區(qū)測量水，對于及時、準(zhǔn)確地掌握灌區(qū)的水情，實時擬定最佳的配水方案，提高灌區(qū)用水的管理水平具有重要的意義。

1 測流方法原理

灌區(qū)過閘水流一般情況下呈現(xiàn)“有閘潛流、有閘自由流、無閘潛流和無閘自由流”四種不同水流狀態(tài)。灌區(qū)分水閘門測流是通過測量水工建筑物上下游水位，根據(jù)水流的流態(tài)（有閘潛流、有閘自由流、無閘潛流和無閘自由流），選用不同的流量計算公式。流量系數(shù)可根據(jù)流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計算得出。當(dāng)水流均勻恒定時，過流流量可由水位和閘門開度確定。通過人工觀察，根據(jù)閘門是否阻水確定是否有閘控制自由流和潛流，是根據(jù)在有閘控制時閘后返回的水躍是否淹沒閘門底邊阻礙閘門出流來判定的；在無閘控制時，根據(jù)閘后返回的水躍是否淹沒到閘槽位置阻礙過閘水流來判定。

對于分水閘有閘控制自由流流態(tài)下的流量，可由公式（1）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H為閘門開度（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8。

對于分水閘全開自由流流態(tài)下的流量，可由公式（2）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（L/s）；H0為上游水深（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8m/s2。

對于分水閘有閘控制潛流流態(tài)下的流量，可由公式（3）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H1為下游水深或閘后水深（m）；H為閘門開度（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）； g 為重力加速度9.8m/s2。

對于分水閘全開潛流流態(tài)下的流量，可由公式（4）計算得出：

式中：Q 為過閘流量（L/s）；H0為上游水深或閘前水深（m）；H1為下游水深或閘后水深（m）；μ 為流量系數(shù)；B 為閘門寬度（m）；g 為重力加速度9.8m/s2。

2 設(shè)計思路

灌區(qū)分水閘量測水自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由信息采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)積算儲存、信息平臺4 部分組成。其中信息采集主要通過在分水閘的上下游布設(shè)水位自動監(jiān)測站以及在閘門布設(shè)開度自動監(jiān)測儀來實時采集水閘的上下游水位和閘門開度信息。要求閘前、閘后水位計安裝于距離閘門約等于1/4 單孔閘寬的位置，（閘后水位計距離閘門不得超過40cm）。水位傳感器是進行閘前、閘后水位測量的儀表，用于渠道水位測量的傳感器形式有浮子式水位計、壓力式水位計、氣泡式水位計或超聲波水位，考慮可靠性與穩(wěn)定性，一般使用浮子式水位計。閘位傳感器是進行啟閘高度測量的儀器，啟閘高度測量的原理是將閘門的上下移動位置轉(zhuǎn)化成與之對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度，然后送入光電編碼器轉(zhuǎn)變成數(shù)字編碼，接入閘門量水開度儀表。

水位計儀表和閘門開度儀表應(yīng)有液晶顯示屏，可現(xiàn)場顯示采集到的水位、閘門開度的實時數(shù)據(jù)，并具有RS485 數(shù)字通信接口（modbus 通信協(xié)議）。通過有線電纜方式，將水位計儀表和閘門開度儀表鏈接至水量積算遙測終端，將采集到的水閘上下游水位值、閘門開度值傳輸至水量積算遙測終端。再根據(jù)過閘水流狀態(tài)，選擇相應(yīng)的流量計算公式，設(shè)定流量系數(shù)值、閘門寬度值，最后通過算法編程由水量積算遙測終端自動積算出過閘流量值。

水量積算遙測終端對積算出的實時流量數(shù)據(jù)（瞬時流量值、累計流量值）進行儲存和現(xiàn)場液晶大屏顯示，并內(nèi)嵌4G 無線傳輸模塊，將流量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、閘門開度數(shù)據(jù)遠程傳輸至監(jiān)測信息平臺。監(jiān)測信息平臺應(yīng)用管理軟件對接收到流量數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、閘門開度數(shù)據(jù)進行查詢、展示和生成報表等，并可通過手機APP 實現(xiàn)移動查詢和應(yīng)用。

3 水量積算遙測終端設(shè)計

水量積算遙測終端是系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備，直接影響灌區(qū)量測水的精準(zhǔn)性和可靠性?？紤]到設(shè)備成本和可靠性，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計研制水量積算遙測終端，由ARM 控制器、數(shù)字信號I/O 接口模塊、存儲器、智能軟件算法模型、嵌入式Linux 軟件、觸摸液晶大屏、電源模塊等軟硬件組成，結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 水量積算遙測終端組成結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信號I/O 接口，主要為RS485 通信接口，采用modbus 協(xié)議，采集水位計儀表和閘門開度儀表的水位實時數(shù)據(jù)和閘門開度實時數(shù)據(jù)；電源模塊用于電壓轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)供電，將220V 交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電，為水量積算遙測終端各電子元器件供電；ARM 控制器用于數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換和流量積算等；存儲器用于對采集的水位、閘門開度、流量等數(shù)據(jù)進行存儲；液晶觸摸顯示屏用于對水位、閘門開度、流量等進行直觀展示，以及設(shè)置流量系數(shù)、閘門寬度等。

流量積算模塊為采用特定算法，通過軟件編程利用ARM 處理實現(xiàn)過閘流量的智能計算。算法原理為根據(jù)“有閘自由流、全開自由流、有閘潛流和全開潛流”四種不同水流狀態(tài)，選擇對應(yīng)的流量計算公式。根據(jù)設(shè)置的流量系數(shù)、閘門寬度，以及采集的上下游水位值、閘門開度值，即可自動計算出實時過閘流量。

4 監(jiān)測信息平臺設(shè)計

配置服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻等相關(guān)平臺硬件設(shè)備實現(xiàn)對灌區(qū)分水閘流量相關(guān)信息的接收、存儲和處理。開發(fā)基于B/S 構(gòu)架的平臺應(yīng)用軟件，實現(xiàn)多種信息的發(fā)布、查詢、統(tǒng)計和分析功能，采用WEBGIS 為基礎(chǔ)，在發(fā)布的電子地圖上標(biāo)注灌區(qū)分水閘的空間分布。

（1）實時監(jiān)測模塊。在GIS 地圖上，展示灌區(qū)水閘及分水口具體分布位置；點擊位置圖標(biāo)，可展示該水閘的基礎(chǔ)信息。查詢基礎(chǔ)信息包括水閘類型、工程級別、現(xiàn)場照片等。

（2）查詢統(tǒng)計模塊。可實時采集分水閘監(jiān)測點實時信息，并以多媒體和直觀的專業(yè)圖表等方式在WEB 網(wǎng)頁上自動顯示?？蔀g覽動態(tài)網(wǎng)頁，觀察分水閘的上下游水位值、閘門開度值、瞬時流量、累積流量、采集時間、現(xiàn)場視頻圖像等信息?？蛇x擇查詢?nèi)我粫r段內(nèi)，灌區(qū)分水閘的所有開閘時間、關(guān)閘時間記錄和臺賬，以及閘門開度值和取水量數(shù)據(jù)。

（3）統(tǒng)計報表模塊?？梢酝ㄟ^設(shè)定時間段，查詢灌區(qū)分水閘的總放水量等信息；可以查詢指定時間段內(nèi)各水閘的開關(guān)閘信息和上下游水位信息，并可以按標(biāo)準(zhǔn)模版形成統(tǒng)計報表，同時支持報表Excel文件導(dǎo)出打印。

（4）移動查詢系統(tǒng)APP。開發(fā)基于Android 系統(tǒng)的灌區(qū)分水閘量測水監(jiān)測移動系統(tǒng)APP，具有地圖瀏覽查詢、地圖導(dǎo)航、水閘基礎(chǔ)信息查詢、閘門開度查詢、上下游水位查詢、放水量統(tǒng)計等功能，可配置與手機、Pad 等移動終端上應(yīng)用，實現(xiàn)隨時隨地查詢和掌握水閘的狀態(tài)及放水量等信息。

5 結(jié)語

灌區(qū)分水閘量測水自動監(jiān)測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于安徽省內(nèi)多個大中型灌區(qū)，在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。該系統(tǒng)的應(yīng)用改變了以往人工現(xiàn)場記錄開閘時間和人工統(tǒng)計推測水量的情況，降低了人員工作強度、提升了工作效率。在系統(tǒng)實際應(yīng)用中，為保障量測水精度，需做好流量系數(shù)的檢測及率定工作。流量系數(shù)現(xiàn)場率定，可用流速儀法實測建筑物出流量和實測水頭等水力因素，用水力學(xué)公式計算，通過多次測驗，分析流量系數(shù)規(guī)律，建立流量系數(shù)與有關(guān)水力因素的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)有多種形式的泄水建筑物混合出流時，應(yīng)逐個率定流量系數(shù)。

現(xiàn)場率定的流量系數(shù)相關(guān)因素關(guān)系線，在使用過程中，關(guān)系線穩(wěn)定的，應(yīng)每隔5～10年進行一次檢測；關(guān)系線不夠穩(wěn)定的，應(yīng)每隔2～5年進行一次檢測；當(dāng)發(fā)現(xiàn)水工建筑物尺寸、形狀、糙率變化時，應(yīng)及時檢測。每條流量系數(shù)關(guān)系線每次檢測，用于檢驗的測點數(shù)應(yīng)不少于10 個。可用《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）中規(guī)定的t 檢驗法進行檢驗