通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計與研究

劉長志

(臺安縣水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114100)

1 概況

通江子灌區(qū)位于臺安縣東北部，處于遼河流域下游。其范圍包括西佛鎮(zhèn)的小紅旗、古家子、姜荒、雙廟子、紅廟子、東佛以及達牛鎮(zhèn)的金家窩堡、大于家、大姜家、大田家等村。灌區(qū)全域總面積為11.10萬畝，其中耕地面積占6.01萬畝，耕地中原規(guī)劃灌溉面積為5.50萬畝，現(xiàn)實際灌溉面積為5.10萬畝。灌區(qū)主體工程大多于20世紀80年代建設而成，受到當時施工條件、資金等因素的限制，工程建設水平較低，無法滿足現(xiàn)有的技術標準，致使渠系建筑物不能得到有效維護和及時更新，即無法保證正常灌溉，使得有效灌溉面積和實際灌溉面積不斷縮減。

2 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計與研究

本系統(tǒng)設計嚴格遵循技術領先、性能穩(wěn)定的原則，綜合考慮工程維護及施工中的各方面因素，為今后的改擴建留有擴充余地。因此，本系統(tǒng)采用時差法超聲波明渠計量，以保證設計系統(tǒng)的完整性和全面性[1]。

2.1 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計

結合灌區(qū)雨情、水情、農(nóng)作物生長等實際條件，從安全用水要求、灌區(qū)信息管理等方面入手，利用現(xiàn)代電子技術，建立灌區(qū)信息化保障體系，開發(fā)并合理利用灌區(qū)信息資源，使用精度較高、穩(wěn)定性較好的設備開展信息采集、傳輸及處理工作，盡可能地提高信息傳輸?shù)臏蚀_性和時效性，并能及時、有效地反饋信息，以發(fā)揮預測相關信息的功能，從而提高灌區(qū)管理效率，打造灌區(qū)科學、高效運營新模式[2]。通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)建設主要內容包括泵站監(jiān)測系統(tǒng)、閘門監(jiān)測系統(tǒng)、渠道流量監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)控中心建設4個部分。

(1)泵站監(jiān)測系統(tǒng)：主要監(jiān)測排灌站軸流泵的運行狀態(tài)，如功率、電壓等方面的監(jiān)測，監(jiān)測泵站的前池、后池水位。

(2)閘門監(jiān)測系統(tǒng)：主要監(jiān)測一支、二支進水閘的運行狀態(tài)，如閘門開度、閘前水位等方面的監(jiān)測。

(3)渠道流量監(jiān)測系統(tǒng)：分別監(jiān)測排灌站后、一支進水閘后、二支進水閘后渠道的水位、流量監(jiān)測。

(4)監(jiān)控中心建設。監(jiān)控中心利用建設完成的監(jiān)控云服務平臺，進行數(shù)據(jù)匯集和成果展示。

2.2 通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)的應用研究

2.2.1泵站監(jiān)測系統(tǒng)

泵站監(jiān)控系統(tǒng)采用RTU為核心采集的現(xiàn)地監(jiān)控單元，主要實現(xiàn)采集、監(jiān)測和存儲的功能。根據(jù)通江子排灌站實際需求，實時監(jiān)測5臺通江子排灌站軸流泵的實際運行狀態(tài)，如：功率、電壓等，監(jiān)測泵站的前池、后池水位，并把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。應保證所選設備滿足高質量的要求，以防出現(xiàn)因單個元件損壞而致使系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象發(fā)生[3]。

2.2.2閘門監(jiān)測系統(tǒng)

閘門監(jiān)測系統(tǒng)主要對一支進水閘、二支進水閘的運行狀況進行監(jiān)測。進水閘閘門尺寸均為0.8m×1m(寬×高)，單吊點配置。

本系統(tǒng)設置的主要目的是實時監(jiān)測閘門的運行狀態(tài)，如開度和閘前水位。在每個閘位安裝閘門開度傳感器設備，實時監(jiān)測閘門的開啟高度，利用磁致伸縮液位計采集閘前水位，并通過遙測終端采集單元、無線通訊控制單元將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而保證管理部門對閘門運行狀態(tài)實時監(jiān)控記錄，通過運行數(shù)據(jù)分析判斷閘門是否安全穩(wěn)定運行[4]。

2.2.3渠道流量監(jiān)測系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)工作原理

渠道流量監(jiān)測系統(tǒng)主要是對灌區(qū)支斗渠道進行水量計量及傳輸[2]。一般會采用流速與水位雙計量的方式，即用水位流量關系曲線方式或者流量面積法計量水量，再經(jīng)過相互核準后，確保所得數(shù)據(jù)的精準性[5]。流速測量的方法為超聲波“時差法”，在實際測量過程中，為保證測量精度，應多層布設。

(2)系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及組成

流量監(jiān)測系統(tǒng)由流速傳感器、水位傳感器、流量計主機、GPRS通訊模塊、監(jiān)控管理軟件及服務器組成，流量計內置鋰電池供電[6]。

(3)系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)流量監(jiān)測采用流速面積關系法，需要測量過水斷面的面積和斷面流速指標，進而計算流量。依照測量方法，該系統(tǒng)的精度較高，且不易受下游頂托水的影響。

流量監(jiān)測的主要設備構成有超聲波流量計、太陽能板、GPRS模塊[7]。通常系統(tǒng)默認工作模式為自報式，主要是利用GPRS通訊模塊采集并導出數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心。

(4)測流方案

超聲波流量計的應用采取速度面積測量法，用流體的平均流速乘以渠道的橫截面積即可得到流經(jīng)渠道的流量[8]。根據(jù)相關公式推算出流速，再通過超聲波液位計測量的液位與渠道幾何形狀計算出流體流經(jīng)的橫截面積，儀表采集流速和面積參數(shù)后，計算并顯示流量的各項參數(shù)，也可通過遠傳模組將流量參數(shù)上報到數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)遠程的監(jiān)測和記錄，可以廣泛應用于明渠、涵洞、閘室等水流計量，見表1。

表1 技術參數(shù)

(5)數(shù)據(jù)傳輸方案

超聲波明渠流量計具有GPRS遠傳模組，可將各種傳感數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程計算機，實現(xiàn)遠程的監(jiān)測和記錄[9]。供電主要方式為太陽能板浮充蓄電池，按平均每年用水時間6個月計算，用水期每小時上報一次數(shù)據(jù)計算，太陽能板的功率選擇40W，電池選擇12V65AH的膠體電池。

(6)安裝方案

渠道流量監(jiān)測分為通江子排灌站下游流量監(jiān)測和一支進水閘門和二支進水閘門下游流量監(jiān)測兩部分。一是泵后流量監(jiān)測。本系統(tǒng)監(jiān)測斷面為混凝土倒梯形斷面，由于監(jiān)測斷面較寬，設備不宜安裝在混凝土預制件上，需在斷面一側開挖基礎，架設電桿，流量計安裝在電桿支架上。二是閘后流量監(jiān)測。本監(jiān)測斷面為混凝土斷面，一支閘門下游渠道尺寸為1m×1m(寬×高)，二支閘門下游渠道尺寸為1.3m×1.2m(寬×高)。由于監(jiān)測斷面較窄，宜在監(jiān)測斷面上埋設混凝土預制件，并把流量計安裝在預制件上。

2.2.4監(jiān)控中心建設

利用現(xiàn)有灌區(qū)監(jiān)控中心的監(jiān)控云服務軟件平臺，設置專用接口程序，將系統(tǒng)中采集的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)通過接口軟件程序錄入到軟件平臺中，為灌區(qū)后臺管理提供基礎數(shù)據(jù)。在監(jiān)控中心軟件平臺中可實現(xiàn)以下功能：

(1)自動存儲數(shù)據(jù)至相應的數(shù)據(jù)庫中；

(2)統(tǒng)計出各用水戶的用水流量及用水量，并用報表形式匯總呈現(xiàn)；

(3)統(tǒng)計并對比分析各用水戶用水量；

(4)制作相關的統(tǒng)計分析報表；

(5)顯示泵、閘的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

3 效果分析

本系統(tǒng)是為通江子灌區(qū)設計研發(fā)的，系統(tǒng)實施后，推動實現(xiàn)了量水數(shù)據(jù)采集、傳輸以及分析自動化技術，落實了閘門配水自動監(jiān)測控制體系和信息網(wǎng)絡化管理模式，對節(jié)約灌區(qū)水量、提高灌溉效率、優(yōu)化灌溉用水配置具有重要意義[10]。此外，該系統(tǒng)的實施可以減輕灌區(qū)工作人員的壓力，優(yōu)化灌區(qū)管理模式及相關設施，加快實現(xiàn)灌區(qū)信息化、現(xiàn)代化管理。通過實踐證明，實施本系統(tǒng)后可達到以下效果：

(1)根據(jù)灌區(qū)制定的用水計劃與水量調配的改進措施，調節(jié)渠道用水量，保障輸水渠道和田間供水；

(2)自動監(jiān)測水量，并按設定模式計算出灌溉效率，進一步指導灌區(qū)用水工作；

(3)結合灌區(qū)相關墑情系統(tǒng)，完善水量供需數(shù)據(jù)，根據(jù)變化及時做出修正，指導完成供水和配水方案;

(4)采用數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析自動化技術，節(jié)約測量時間和成本；

(5)高效完成相關統(tǒng)計匯總工作，形成統(tǒng)計分析報表，以便為管理者提供科學決策依據(jù)；

(6)記錄完整的配水狀況，為用水戶提供高效、優(yōu)質的服務。

4 結語

綜上所述，通江子灌區(qū)量水監(jiān)測信息系統(tǒng)的設計，對灌區(qū)水量控制、優(yōu)化水資源配置及改進灌區(qū)傳統(tǒng)管理模式具有重要作用，且已取得明顯效果。今后，應注重灌區(qū)量水監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用，鼓勵相關科研人員加強對該系統(tǒng)的研究與推廣力度，解決農(nóng)業(yè)灌溉問題，推動現(xiàn)代水利信息化發(fā)展。