明渠流量計(jì)矩形堰閘在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中的工程應(yīng)用

葉 紅，樊 毅，丁伯苗2，康小平

(1.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；2.成都華衡儀器有限公司，成都，610036)

基金項(xiàng)目：四川省省級(jí)科研院所科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目《四川農(nóng)田溝渠生態(tài)凈化工程關(guān)鍵技術(shù)的示范應(yīng)用》(2017YSZH0027)，成都市科技局科技惠民應(yīng)用示范項(xiàng)目《基于EPSB工程菌的農(nóng)田溝渠生態(tài)凈化工程關(guān)鍵技術(shù)》(2015-HM02-00104-SF)。

農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物是生態(tài)溝渠攔截系統(tǒng)的重要組成部分，它在蓄積排水、調(diào)節(jié)適宜水位、延長(zhǎng)農(nóng)田排水在溝渠中的停留時(shí)間，促進(jìn)溝渠內(nèi)水生植物良好生長(zhǎng)，吸附、吸收、降解農(nóng)田排水中所攜帶的COD、氨氮、總磷等污染物方面具有顯著功效。然而，在農(nóng)田水利工程常規(guī)排水系統(tǒng)中，存在農(nóng)田排水溝渠排水量自動(dòng)監(jiān)控水平低、無(wú)法滿足上游來(lái)水流速的水閘控制和下游農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物水體停留時(shí)間設(shè)計(jì)的要求。本項(xiàng)目運(yùn)用流體力學(xué)、工程學(xué)及信息控制技術(shù)，在農(nóng)田排水溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物前，設(shè)計(jì)了一種基于阿里云服務(wù)模式下無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的明渠流量計(jì)矩形堰閘，實(shí)現(xiàn)了液位、瞬時(shí)流量、累積流量等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了明渠流量計(jì)矩形堰閘與云端的數(shù)據(jù)交換，并確定了明渠流量計(jì)矩形堰閘的技術(shù)參數(shù)，有效解決了農(nóng)田水利工程常規(guī)排水系統(tǒng)中排水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)水平低下、操作不便等問(wèn)題。

1 明渠流量計(jì)矩形堰閘監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，將太陽(yáng)能板、明渠流量計(jì)、控制箱、矩形堰閘集成在一個(gè)監(jiān)測(cè)站內(nèi)，采用太陽(yáng)能板綠色電源，為動(dòng)力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳送等模塊提供電能。使用低功耗GPRS無(wú)線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)或指令的遠(yuǎn)程傳送，在云服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)明渠流量計(jì)基本數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，設(shè)置電腦和手機(jī)用戶訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)堰閘的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)行等功能。無(wú)線通訊模塊、嵌入式控制板等封裝在控制盒內(nèi)。矩形堰閘由支墩、安裝支架、法蘭、擋板、流量計(jì)等組成。矩形堰閘安裝在渠道上，矩形堰閘擋板豎直，安裝在渠道中軸線上，儀表探頭安裝在距離矩形堰閘板0.5m的位置。如圖1所示。

2 試驗(yàn)示范與應(yīng)用

為驗(yàn)證明渠流量計(jì)矩形堰閘量水精度，在四川省雙流區(qū)黃水鎮(zhèn)紅橋小區(qū)示范基地農(nóng)田生態(tài)型排水溝開(kāi)展試驗(yàn)。示范點(diǎn)農(nóng)田生態(tài)型排水溝渠長(zhǎng)度約150m，溝頂寬1.7m，溝深1.0m，淤積深度0.3m。考慮到溝渠內(nèi)最大流量大于40L/s、渠道內(nèi)水的流態(tài)、能否形成自由流、堰口寬度超過(guò)了1.00m等因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)改造的標(biāo)準(zhǔn)矩形堰b、B、p值，上游溝渠寬度B=1.50m，堰口寬度b=1.00m，液位的高度h=0.50m，堰壁的高度p=0.20m，選用FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量計(jì)。

圖1 明渠流量計(jì)矩形堰閘監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)布置

圖2 矩形堰構(gòu)造

2.1 明渠流量計(jì)精度分析

本項(xiàng)目明渠流量計(jì)儀表是以超聲波技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字微處理技術(shù)相結(jié)合，專(zhuān)為野外應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守、安裝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、精度高、內(nèi)置GPRS通訊模塊可直接與信息中心通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，直接測(cè)量溝渠內(nèi)水位高度。

圖3 矩形堰閘安裝示意

圖4 明渠流量計(jì)矩形堰閘現(xiàn)場(chǎng)效果

超聲波傳感器根據(jù)安裝在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠上的矩形堰閘，測(cè)量堰閘內(nèi)的水位，按照相應(yīng)的水位—流量關(guān)系，自動(dòng)測(cè)算出水位對(duì)應(yīng)的流量。流通順暢的溝渠流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。流量與水位之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，受溝渠內(nèi)坡比降和表面的糙度影響。因此，在溝渠內(nèi)安裝矩形堰閘，可產(chǎn)生節(jié)流作用，固定溝渠內(nèi)流量與水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在明渠流量計(jì)的正下方位置，通過(guò)人工用水尺觀測(cè)溝渠內(nèi)水位的高低，作為人工觀測(cè)數(shù)據(jù)。在同一時(shí)刻獲取FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量計(jì)水位自記數(shù)據(jù)。從下述自記數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以看出，明渠流量計(jì)的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在0～7.5%范圍內(nèi)，均在<10%的控制范圍內(nèi)，表明FX-OC-1.5AAN-DCSPR0TSS1PL10-DBC明渠流量計(jì)自動(dòng)測(cè)量的精度滿足要求。

表1人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與明渠流量計(jì)自記數(shù)據(jù)對(duì)比

人工觀測(cè)(cm)明渠流量計(jì)(cm)相對(duì)誤差(%)0.400.425.000.420.444.760.480.472.180.370.355.710.400.4000.390.375.410.260.273.850.260.2600.370.382.700.430.407.50

2.2 低功耗GPRS無(wú)線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)(堰閘遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng))

2.2.1 主要功能

為實(shí)現(xiàn)堰閘流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)送數(shù)據(jù)至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，借助開(kāi)發(fā)的GPRS低功耗后臺(tái)服務(wù)器(GPRS無(wú)線板卡，安裝于阿里云服務(wù)器)，與明渠流量計(jì)儀表組合，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)訪問(wèn)采集儀表的數(shù)據(jù)并上傳至后臺(tái)服務(wù)器，可視化呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)。采用太陽(yáng)能板綠色供電方式。

2.2.2 服務(wù)器平臺(tái)信息查詢

后臺(tái)服務(wù)器集成多款儀表為一體，同時(shí)可做微信、網(wǎng)頁(yè)的交互界面。上半部分為儀表所采集到的數(shù)據(jù)，下半部分為無(wú)線板卡配置的基本信息，右邊為服務(wù)器的設(shè)置界面(包括啟動(dòng)軟件、關(guān)閉軟件、參數(shù)設(shè)置、退出軟件等)。服務(wù)器軟件可以接收到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的水位信息，在屏幕上顯示并保存起來(lái)。如圖5所示。

圖5 云服務(wù)器平臺(tái)信息查詢系統(tǒng)

(1)明渠流量計(jì)采集信息：本試驗(yàn)儀表觀測(cè)上傳的液位值、瞬時(shí)流量、累積流量、板卡電壓及儀表安裝位置等信息。流量是由儀表計(jì)算而來(lái)，再上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

(2)GPRS板卡參數(shù)設(shè)置：當(dāng)數(shù)據(jù)能上傳至后臺(tái)服務(wù)器的同時(shí)，GPRS板卡的設(shè)置參數(shù)也會(huì)同步到后臺(tái)服務(wù)器。因此，可以在后臺(tái)服務(wù)器操作，修改板卡參數(shù)并勾選“允許下傳修改板卡參數(shù)”，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改板卡時(shí)間等參數(shù)。不可修改端口號(hào)、域名/IP、儀表類(lèi)型和儀表地址。

圖6 參數(shù)設(shè)置窗口

(3)標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)：由用戶自己確定每多少分鐘測(cè)量一次水位，測(cè)量完畢將水位值保存在主機(jī)中，同時(shí)上傳一次，如果遇到服務(wù)器無(wú)應(yīng)答或者網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不理想，則等到下一次傳輸?shù)臅r(shí)候再上傳。主機(jī)中可以存儲(chǔ)5萬(wàn)條測(cè)量數(shù)據(jù)。

(4)參數(shù)設(shè)置：主機(jī)位采集間隔300s，預(yù)警位采集間隔10s，報(bào)警位采集間隔10s，正常上傳間隔300s，預(yù)警位上傳間隔10s，報(bào)警位上傳間隔10s，預(yù)警位6m，報(bào)警位9m。數(shù)據(jù)采集上傳間隔時(shí)間、報(bào)警時(shí)間均可設(shè)置修改。

(5)記錄查詢：可對(duì)每款儀表的不同DTU編號(hào)進(jìn)行詳細(xì)查詢、數(shù)據(jù)表單備份；也可對(duì)單獨(dú)一款儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份(可人工備份，系統(tǒng)也可自動(dòng)備份)、備份表單查詢(備份過(guò)的文件可直接通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行查詢)。

圖7 1#儀表2018年12月29日數(shù)據(jù)記錄查詢

圖8 1#儀表2019年1月10日數(shù)據(jù)記錄查詢

表2 1#儀表2018年12月9日數(shù)據(jù)導(dǎo)出(部分)

(6)服務(wù)器/App權(quán)限：此界面有三項(xiàng)功能：①修改板卡的端口號(hào)及設(shè)置表單自動(dòng)轉(zhuǎn)存(注：為了防止后臺(tái)服務(wù)器由于接收的數(shù)據(jù)過(guò)多而運(yùn)行緩慢，設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)存數(shù)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量便會(huì)自動(dòng)備份到電腦存儲(chǔ)盤(pán)并刪除服務(wù)器數(shù)據(jù)以提供更快的運(yùn)行空間)；②使用后臺(tái)服務(wù)器的同時(shí)也可使用手機(jī)App接收數(shù)據(jù)，可在此界面對(duì)手機(jī)App的登錄用戶名及密碼進(jìn)行設(shè)置管理(注：使用手機(jī)App的前提是后臺(tái)服務(wù)器必須開(kāi)啟，因?yàn)槭謾C(jī)App只有訪問(wèn)的權(quán)限)；③微信交互服務(wù)端口號(hào)：當(dāng)需要網(wǎng)址訪問(wèn)或者微信訪問(wèn)后臺(tái)服務(wù)器時(shí)，需將端口號(hào)設(shè)置成80。

(7)通訊判斷：數(shù)據(jù)正常采集及上傳、數(shù)據(jù)異常(GPRS數(shù)據(jù)上傳任務(wù)失敗)。

2.3 應(yīng)用效果分析

為了探究農(nóng)田生態(tài)排水溝渠預(yù)處理系統(tǒng)在有堰閘運(yùn)行管理模式下對(duì)農(nóng)田面源污染物氮磷的去除效果，綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，雨污收集池底泥中氨氮含量為9.52mg/kg，總磷5679.52mg/kg。該示范區(qū)通過(guò)工程建設(shè)預(yù)計(jì)年削減底泥污染物排放量指標(biāo)為：COD 7.0t/a；氨氮1.6t/a；總磷1.2t/a。農(nóng)田溝渠污水回用率按45%計(jì)算，新增凈水能力7.173萬(wàn)m3。

從服務(wù)器監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集數(shù)據(jù)分析，不同排水強(qiáng)度下生態(tài)排水溝渠受矩形堰閘的攔截影響，致使生態(tài)溝渠內(nèi)水體流速降低，水位雍高，延長(zhǎng)了水流的實(shí)際平均停留時(shí)間，增加了水流與預(yù)處理裝置、生物菌劑、植物充分接觸的時(shí)間，有效容積比得到提高。間接表明了污染物在生態(tài)溝渠系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移輸送、停留時(shí)間及被降解的能力。2018年11月9日至12月26日的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明：COD、氨氮、總磷進(jìn)口濃度變化率分別為68.42%、81.81%、80.85%；出口濃度變化率分別為68.57%、82.63%、64.52%。

表3生態(tài)型排水溝渠預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)農(nóng)田面源污染物截留凈化效果

3 結(jié)語(yǔ)

基于云服務(wù)模式下的無(wú)線遠(yuǎn)程訪問(wèn)明渠流量計(jì)矩形堰閘太陽(yáng)能板綠色電源監(jiān)測(cè)站，成功地在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中得到運(yùn)用，有效地解決了農(nóng)田排水溝渠排水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)水平低下、監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量精度不高、性能不穩(wěn)定、操作不便、功耗大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了堰閘與云端的數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在0～7.5%范圍內(nèi)，能較好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能運(yùn)行，運(yùn)維成本低，適合小型農(nóng)田灌溉溝渠輸排水系統(tǒng)的精準(zhǔn)化計(jì)量。

安裝矩形堰閘的生態(tài)溝渠，水體流速降低，水流停留時(shí)間延長(zhǎng)，水流在農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物和溝渠內(nèi)與植物充分接觸，有效容積比得到提高，對(duì)污染物質(zhì)起到了較好的截留凈化效果，對(duì)農(nóng)田溝渠再生水質(zhì)資源化利用工程的建設(shè)提供了一種新途徑。