北方地區(qū)多泥沙水源明渠水量自動化監(jiān)測系統(tǒng)設施研究與應用

史中興，張師瑋，張彥蕊，許卓寧，于樹利（通訊作者）

（1甘肅省景泰川電力提灌管理局 甘肅 景泰 730400）

（2唐山現(xiàn)代工控技術(shù)有限公司 河北 唐山 063020）

1 引言

水資源是人類生存發(fā)展的自然資源，我國水資源呈現(xiàn)出東多西少南多北少的分布特點，特別是我國北方部分地區(qū)常年干旱少雨，水資源嚴重缺乏，嚴重阻礙了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

在國外，由于一些發(fā)達國家研制出適合其國情的量水設備，但引進中國后，并不能適應國內(nèi)的灌區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀，致使灌區(qū)量水改造費用高，需要專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過培訓才能操作，且運營維護成本高，難以在灌區(qū)實現(xiàn)大規(guī)模推廣。

在國內(nèi)，經(jīng)過初期灌區(qū)信息化建設后，大型灌區(qū)在通訊網(wǎng)絡及視頻監(jiān)控方面取得了長足的發(fā)展，但在灌區(qū)渠道特別是多泥沙水源的明渠渠道量水方面研究較少，由于渠道存在線長、點多、面廣，供電困難等原因，還沿用人工監(jiān)測，致使其渠道水位流量采集信息精確度低、實時性差，難以保障灌區(qū)的農(nóng)業(yè)的正常灌溉及汛期的防洪度汛。

本文從我國北方地區(qū)多泥沙水源明渠的實際情況出發(fā)，設計開發(fā)研制多泥沙水源明渠渠道量測水設備及其水量自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件，成功地解決北方地區(qū)多泥沙水源明渠渠道水位流量測量不準確，數(shù)據(jù)獲取不及時，供水調(diào)度困難，輸水安全預警能力差等問題。

2 總體設計

針對北方地區(qū)多泥沙水源明渠輸水含沙量高的實際問題，從精確水的計量、安全監(jiān)控和提升信息化水平總體思路出發(fā)，綜合采用無線傳感、計算機、微電子、節(jié)電、物聯(lián)網(wǎng)通訊、防盜防破壞等技術(shù)集成創(chuàng)新，構(gòu)建出的灌區(qū)多泥沙水源明渠水位流量監(jiān)測系統(tǒng)模型。研制出“一體化智能型超聲波遙測水位計”，開發(fā)出“灌區(qū)多泥沙水源明渠水量自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件”，解決野外/戶外環(huán)境下多泥沙明渠水位流量的精準測量、數(shù)據(jù)傳輸及實時監(jiān)測問題，建立北方地區(qū)多泥沙水源明渠水量的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，保障供水安全。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由現(xiàn)地設備、通訊系統(tǒng)及監(jiān)控中心組成?，F(xiàn)地設備由一體化智能型超聲波遙測水位計、水位計配套手操器、測井及防盜測井帽組成；通訊系統(tǒng)一般選用網(wǎng)絡公司提供的無線網(wǎng)絡及現(xiàn)地射頻網(wǎng)絡；監(jiān)控中心有安裝有明渠水量監(jiān)測系統(tǒng)軟件的服務器監(jiān)測計算機及交換機、路由器等設備組成。現(xiàn)地設備將采集到的明渠水位信息傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負責接收數(shù)據(jù)并進行處理，同時對現(xiàn)地設備進行管理。

4 量水設備

一體化智能超聲波遙測水位計采用傳感、節(jié)電、物聯(lián)通訊、防盜防破壞技術(shù)結(jié)合唐山現(xiàn)代工控技術(shù)有限公司專利技術(shù)將傳統(tǒng)意義上水位計的采集系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、通訊傳輸系統(tǒng)集成在一個φ200的圓筒中，形成了一體化產(chǎn)品，一體化智能型超聲波遙測水位計配套唐山現(xiàn)代工控技術(shù)有限公司研制開發(fā)的一體化測井及防盜帽，測井嵌入到灌區(qū)渠道測橋中，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的一體化安裝和防護，設備體積小巧，在放水季安裝到水位計測井中，通過測井帽上的防盜鎖將設備鎖定在測井中，等放水季結(jié)束，管理人員還可以將一體化智能超聲波水位計從測井中抽出，拿回管理部門進行存儲和保養(yǎng)。

4.1 主要功能及技術(shù)參數(shù)

（1）自動測量水位，具有水位測量、水位校準、水位記錄、數(shù)據(jù)存儲和遠程通訊功能，采用微功耗和休眠技術(shù)，靠自備電池供電，在無人干預的情況下能夠自動運行3年以上，測量精度：0.3%，水位量程：0～5米；

（2）水位計安裝在DN200測井即可自動工作，內(nèi)置鋰電池可保證工作3～5年；

（3）睡眠水位可設，水位低于此值進入睡眠以節(jié)省電量；

（4）水位上限可設，水位超過此值，可以任意設定GPRS上報時間間隔；

（5）用無線手操器在10米范圍內(nèi)，可進行水位校準；

（6）通過非接觸式方法測量水位，從而計算流量，特別適合多泥沙水源淤積渠道；

（7）在非使用期，可將水位計取出，帶回管理部門，以防丟失，取出后自動睡眠；

（8）通過GPRS無線網(wǎng)絡與遠程上位計算機進行數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 一體化智能型超聲波遙測水位計安裝測井

專門針對一體化智能型超聲波遙測水位計水位計研發(fā)了一種測井，測井和超聲波測橋架設緊密結(jié)合在一起，即在制作測橋時，將一體化智能型超聲波遙測水位計測井筒直接澆筑在測橋中，從而在安裝測井時，省去了現(xiàn)場安裝的費用和時間，既省時又省力，同時測井部分分為測井筒和測井帽，測井筒和測井帽密切結(jié)合，設有防盜鎖，再通過特殊加工配套的鑰匙才能打開，具有防盜防破壞的能力。

5 通訊系統(tǒng)

一體化智能型超聲波遙測水位計具有現(xiàn)地和遠程兩種通訊系統(tǒng)，即現(xiàn)地及遠程通訊系統(tǒng)。

（1）現(xiàn)地通訊系統(tǒng)

在現(xiàn)場與手操器進行通訊，手操器可以通過現(xiàn)地無線通訊系統(tǒng)采集及設定現(xiàn)場設備參數(shù)，并能夠現(xiàn)地校準水位值，實現(xiàn)水位計的精確計量。

（2）遠程通訊系統(tǒng)

一體化智能超聲波遙測水位計與監(jiān)控中心的監(jiān)控計算機通訊并接受其指令。鑒于各水位監(jiān)測點分布覆蓋范圍大、分布零散等特點，以及新構(gòu)建有線通訊網(wǎng)絡時間漫長、結(jié)構(gòu)復雜和存在維修困難等問題，我們設計選擇了GPRS通訊網(wǎng)絡。此種通訊方式速率快、可靠性高、抗干擾性強、網(wǎng)絡的安全防范好、組網(wǎng)簡單、不受傳輸距離限制、運行費用低等特點。[3]

6 監(jiān)控軟件

監(jiān)控中心灌區(qū)多泥沙水源明渠水量自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件基于.net Frame Work，c#程序設計語言和SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)，以B/S模型為主，部分通過C/S模型程序輔助的開發(fā)方案，開發(fā)了“灌區(qū)多泥沙水源明渠水量監(jiān)測系統(tǒng)”軟件平臺。軟件開發(fā)過程中綜合運用了分布式數(shù)據(jù)庫、分布式計算、地理信息系統(tǒng)、多媒體、基于Ajax的B/S模式實時信息處理、COMET等技術(shù)。[1]

7 結(jié)語

北方地區(qū)多泥沙水源明渠水量自動化監(jiān)測系統(tǒng)設施研究與應用實現(xiàn)了北方地區(qū)多泥沙水源明渠水位水量實時精確量測，經(jīng)景電灌區(qū)試點應用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，水位流量監(jiān)測精度高，實時性好，減少了設備的運行維護成本，降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境，解決了灌區(qū)長期沒有解決的問題，為我國灌區(qū)多泥沙水源的渠道量測水技術(shù)提供了先進監(jiān)測設備和強大的技術(shù)保障，對北方地區(qū)及黃河流域的多泥沙水源明渠的水量自動監(jiān)測起到了示范作用，有力地推動了灌區(qū)信息化的發(fā)展。

[1]于樹利，馬月坤，許卓寧.灌區(qū)渠道一體化量水裝置及監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).華北水利水電學院學報2012,33（5）.

[2]孫媛媛，朱峰.灌區(qū)水文自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究 北京農(nóng)業(yè)2013，（9）.

[3]郎志欽，于建營.GPRS在灌區(qū)取水計量遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應用.中國水利，2010，（16）.