引黃水閘流量測驗系統(tǒng)技術改造

劉其鑫 ，見桂芹 ，張 濤

（1.山東黃河河務局供水局，山東 濟南 250011；2.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

目前，由山東黃河河務局供水局負責管理的渠首引黃水閘共63座，設計總引水能力2 423.3 m3/s。近三年山東局平均年引水量69.39億m3，其中省內(nèi)非農(nóng)業(yè)引水9.24億m3，省內(nèi)農(nóng)業(yè)引水50.07億m3，跨區(qū)引水10.08億m3。目前沿黃地區(qū)需水量呈逐年遞增的趨勢，水資源供需矛盾突出，隨著科學技術的進步和現(xiàn)代化進程加快，引黃測流的精度越來越受到人們重視，提高測流精度及測流方式的現(xiàn)代化、自動化、信息化是引黃供水工作亟待解決的重要課題。為此2010年供水局在陶城鋪閘、潘莊閘開展了自動計量設施試點工作，探索流量測驗系統(tǒng)現(xiàn)代化改進的新路徑。

1 現(xiàn)狀及存在問題

目前，山東局引黃涵閘的測流設施大部分修建于上世紀八九十年代，受當時經(jīng)濟環(huán)境、技術水平的限制均采用便橋式或纜道式人工操作測流。目前在用上世紀八十年代修建的便橋式13座、纜道式13座，上世紀九十年代修建的便橋式11座、纜道式3座。這種測流方式已使用60余年，明顯落后于現(xiàn)在科技發(fā)展水平，有必要采用現(xiàn)代化的測流系統(tǒng)來替代原始的人工測流。所表現(xiàn)出來的主要問題有：（1）大部分便橋銹蝕嚴重威脅測流人員生命安全，纜道垂度過大影響鉛魚運行及測量數(shù)據(jù)精確度；（2）測流時需要測流人員多，一般需要3人配合進行測流，1人操作1人按秒表計流速儀信號數(shù)1人記錄；（3）測流人員勞動強度大，必須人力搖動水文絞車控制20 kg重鉛魚或手持流速儀進行測流；（4）測流時間長，測驗一次從操作記錄到計算得出數(shù)據(jù)需要1-2 h時間；（5）測流精度低，在人工接收流速信號時易受到干擾，同時在操作中讀取水面寬度、水深、計時、計算時都會存在人為誤差。

2 測流儀器選取

1）旋漿流速儀。其工作原理是，當水流作用到儀器的感應原件旋漿時，旋漿即產(chǎn)生回轉運動，通過對其旋轉率進行換算得到水流流速。該流速儀特點是：測流量程廣，用一個旋漿即可滿足各種高、低流速測量；儀器轉軸動態(tài)密封性能優(yōu)良，可在高含沙量情況下進行測流；測流精度高，使用壽命長。

2）ADCP。ADCP即聲學多普勒流速剖面儀，具有能直接測出斷面的流速剖面、具有不擾動流場、測驗歷時短、測速范圍大等特點。但經(jīng)過水文局多次試驗，無論固定式ADCP，還是走航式ADCP，在水流含沙量超過2.9 kg/m3，其測量數(shù)據(jù)不準確。

3）電磁流速儀。該流速儀通過對水面回波進行分析測定水流流速。只能測量表面流速，并且容易受風浪影響，測量精度偏低，且對水流斷面要求條件高。

4）對流速儀安裝使用情況的考察。針對引黃渠道含沙量大、渠底斷面不斷變化等特點，對兄弟單位河南黃河河務局供水局進行了考察學習，并對黑崗口閘和紅旗閘進行了現(xiàn)場觀摩和座談。河南供水局在自動計量方面也做了一定探索，先后安裝了15臺計量設施。主要測流設備有三種：多普勒ADCP，如紅旗閘、張菜園閘；管道電磁流量計，如黑崗口閘；明渠電磁流量計，如桃花峪閘。

多普勒流量計安裝后運行比較好的為紅旗閘，主要因為紅旗閘含沙量小，每年調(diào)水調(diào)沙時期，大河流量（2 000～4 000）m3/s時，引水能力（20～50）m3/s，含沙量在（1～1.5）kg/m3。 含沙量超過 3 kg/m3時測量數(shù)據(jù)也不準確，張菜園閘就因受含沙量影響，設備安裝后一直未能正常運用。

管道電磁流量計，需要人工制造水流通道，并保證水流常年通過，管道不可淤積。黑崗口閘在一常年向水庫供水的支渠上安裝本系統(tǒng)，主渠道還需人工測流。

明渠電磁流量計，需要渠道斷面不發(fā)生沖淤變化。桃花峪引黃閘將該流量計安裝于閘室內(nèi)進行運行，山東局在劉春家閘和馬扎子閘做過試驗，都因測流數(shù)據(jù)不準確而放棄。

3 流量測驗系統(tǒng)現(xiàn)代化改造

針對引黃測流的特點，經(jīng)過多方考察，EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)較適合引黃渠道測流。

3.1 EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)

EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)，由南京水利水文自動化研究所研制，該系統(tǒng)采用開口懸索式纜道，測流儀采用旋漿式測流儀。主要由水文絞車、交流變頻器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡、PLC（程序邏輯控制器）、光柵增量編碼傳感器、無線測流信號系統(tǒng)（信號源和接收盒）、信號轉換板、開關電源、通訊模塊（RS485轉RS232）、繼電器和接觸器等部分組成。

該系統(tǒng)采用工控機和PLC可編程控制器作為完成自動化纜道測流的控制核心，配合交流變頻調(diào)速、光電編碼測距定位、流速自動測算、音頻信號傳輸?shù)瘸墒旒夹g和計算機測流控制軟件及流量成果自動生成軟件等構成。系統(tǒng)可通過計算機對纜道測流裝置進行全自動、半自動、手動測流控制，各種測量方式均可最終生成斷面流量報表和斷面流速分布曲線圖。

軟件功能主要由纜道測流、數(shù)據(jù)報表、測流數(shù)據(jù)圖形、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)文檔等幾大項組成。

軟件支持“實測斷面流量測驗”、“借用斷面流量測驗”和在同一斷面中“混合測流”方式。在采用實測斷面測驗時垂線的操作方法可選擇測流和測深兩種；在使用借用斷面測驗時，操作方法必須選擇為借用水深，要使用全自動測流則必須配置測流垂線與參數(shù)且每進行一次全自動測流都必須配置一次，各項參數(shù)配置完成可以進行全自動測流。

測流開始后鉛魚下到垂線一定距離時，將減速，到達垂線位置時自動停車，并等待幾秒后自動下降；接收到水面信號時，入水深度自動清零，同時水面信號燈被點亮；接收到渠底信號時自動停車，同時渠底信號燈被點亮，等待幾秒后自動提升；鉛魚將從下向上對每個測點進行逐一的測流。到達各測點時，等待幾秒鐘后進行流速信號采集，同時流速信號燈被點亮，所有測點測完后，鉛魚將繼續(xù)提升直至限位點后停止，此時實測斷面圖中此條垂線由虛線變?yōu)閷嵕€，并完成測流；然后繼續(xù)自動前進，進行下一垂線測流，直到所有垂線全部完成。系統(tǒng)自動計算后生成符合GB50197—1993河流流量監(jiān)測規(guī)范的報表。

3.2 安裝使用情況

目前該測流系統(tǒng)已在聊城位山灌區(qū)周店測站、興隆村測站、丁莫測站等19個測站安裝使用，運行良好。在位山灌區(qū)周店測站對EKL-3A型全自動水文纜道測流和手動測流數(shù)據(jù)在水位相同和水流穩(wěn)定條件下進行了對比分析，通過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)誤差在正負3.4%以內(nèi)，滿足測流需求。

3.3 引進情況

借助位山灌區(qū)安裝運行經(jīng)驗，2011年4月在陶城鋪閘安裝一臺EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)。該設備投入正常使用后，對全自動測流數(shù)據(jù)與人工測流數(shù)據(jù)進行了比測，測流數(shù)據(jù)得到了灌區(qū)管理單位的認可。截止到2012年6月25日累計測流103 d，累計放水量達到1.81億m3。

3.4 運行狀況

該系統(tǒng)的成功運用，實現(xiàn)了可靠靈活的水面布線、河底信號可靠采集傳輸、纜道測深和鉛魚的自動升降及進退，大大減輕了枯燥繁瑣的重復勞動，提高了效率。同時人工測量水面鉛魚定位采用目測，測深憑手感，數(shù)據(jù)誤差比較大，該系統(tǒng)建立可靠靈活的水面、河底信號實現(xiàn)了自動測深，極大地提高了測流的精確度，消除了人為因素帶來的誤差。

4 結語

引黃閘測流的最大難點是含沙量高，目前只有旋轉式流速儀適合高含沙水流的測流。因此引黃水閘計量信息化建設還需在旋轉式流速儀的基礎上改進。通過位山灌區(qū)和陶城鋪閘的安裝使用，EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了測流現(xiàn)代化的目的，但還存在以下幾個問題：1）未實現(xiàn)信息化傳輸和遠程操控；2）信號源傳輸存在不穩(wěn)定的情況；3）河寬觀測和測流不能同時進行。下一步要在EKL-3A型全自動水文纜道測流系統(tǒng)基礎上進行進一步改進，實現(xiàn)渠首計量遠程測流、信息化傳輸。