高精度低成本雷達(dá)式測流系統(tǒng)在鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)中的應(yīng)用

賀 磊

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)管理處，安徽 淮南 232100

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)位于淮河中游，灌區(qū)總面積約600km2，耕地總面積約366.7km2。主干渠永幸河全長43km，設(shè)計(jì)流量120m3/s，與其溝通的15條大溝全長155km，組成了灌區(qū)的主要排灌水網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了南水北調(diào)、北水南濟(jì)、排灌自如。

灌區(qū)地域?qū)拸V、支渠數(shù)量多、個(gè)別支渠比較偏僻、交通不便，測流站散布野外無人看管。使用人工測流或半自動(dòng)測流方案，建站成本高、運(yùn)維成本高，測流站點(diǎn)配件易耗損，且流量數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。因此，文章提出一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、雷達(dá)波測流技術(shù)的全自動(dòng)化測流系統(tǒng)，該系統(tǒng)建設(shè)成本較低，相對誤差較小，可滿足灌區(qū)測流的精度要求，且實(shí)時(shí)性好、可靠性高、通信費(fèi)用低。

1 傳統(tǒng)灌區(qū)流量測量方法

傳統(tǒng)的灌溉渠道流量測量方法包括流速儀法、標(biāo)準(zhǔn)斷面法、渠系建筑物法、量水堰法、量水槽法等[1]。其中，國家標(biāo)準(zhǔn)水文站典型的纜道（軌道）流速儀法是一種人工測流方法，其測流理論和操作規(guī)程非常成熟可靠，但在這種測流方法下改用全自動(dòng)控制纜道測流站以后可靠性很差，測流時(shí)間很長，且機(jī)電一體化的設(shè)備故障率高，以及河道水體的漂浮物對旋槳流速儀的纏繞，導(dǎo)致不能長期全自動(dòng)測流。

2 自動(dòng)化灌區(qū)流量測量方法

2.1 自動(dòng)軌道測流法

自動(dòng)軌道測流法主要是利用自動(dòng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉛魚流速儀的總成型測流裝置。由于其機(jī)電一體化裝置具有高復(fù)雜性，故障率較高，且旋槳流速儀會(huì)受漂浮物纏繞等干擾因素影響，日常運(yùn)行需要較多的現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)工作。

2.2 超聲波H-ADCP法

超聲波H-ADCP法是一種基于渠道剖面橫向水體的超聲波多普勒原理代表流速法，適合水位變幅不大的特定自然河道測流。灌區(qū)調(diào)水時(shí)的渠道水位變幅很大，因此H-ADCP無法滿足規(guī)范中探頭在水下自動(dòng)跟蹤60%水頭位置的要求，不宜采用[2]。

2.3 超聲波時(shí)差法

超聲波時(shí)差法是一種基于渠道剖面橫向水體的超聲波陣列代表流速法。該方法主要存在泥沙淤積改變剖面形態(tài)的測量誤差、代表流速與橫向平均流速的建模理論相關(guān)性問題，以及條件河渠左右岸條件不符合探頭安裝要求、人工清淤對渠道內(nèi)密集超聲波探頭陣列和布線產(chǎn)生破壞等問題，后期運(yùn)行維護(hù)工作量和成本較大，不宜大批量設(shè)計(jì)采用。

2.4 雷達(dá)波測流法

雷達(dá)波測流法是一種渠道非接觸式測流法。在河渠水面上方架設(shè)懸臂式支架安裝雷達(dá)探頭、平板陣列式雷達(dá)天線用來測水位，另一個(gè)多普勒天線用來測水體表面流速，然后通過水文模型計(jì)算出流速點(diǎn)下面的垂線平均流速，然后采用與垂線法ADCP相同的技術(shù)路線，可以采用走航式ADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、率定和比測數(shù)據(jù)，垂線流速與斷面測流模型具有水文測驗(yàn)理論相關(guān)性，因此是一種科學(xué)的實(shí)時(shí)自動(dòng)測流方法，該方法可以滿足5min的監(jiān)測周期要求[3]。

2.5 自動(dòng)測流方案比選

河渠斷面自動(dòng)測流是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)，由于河道寬度、河床形態(tài)、水文變化特征、地形和地質(zhì)條件均不同，投資成本存在差異，測流精度不同，導(dǎo)致沒有一種全自動(dòng)測流方法可以適應(yīng)大部分自然河渠測流斷面。各種不同測流方案技術(shù)比較分析表如表1所示。

表1 各種不同測流方案技術(shù)比較分析表

根據(jù)鳳臺(tái)縣當(dāng)?shù)毓嗲登闆r，以及前述各自動(dòng)化測流法的特點(diǎn)，最終鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)選用雷達(dá)波測流法開展自動(dòng)測流工作。

3 鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)自動(dòng)化測流系統(tǒng)

3.1 自動(dòng)測流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)自動(dòng)化測流系統(tǒng)的組成主要包括以下三個(gè)部分：應(yīng)用層，即中心站監(jiān)管平臺(tái)，主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫軟件、遙測站自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺(tái)等組成；傳輸層，即數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，主要采用無線物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸；物理層，即前端硬件設(shè)備，包括遙測終端、流速及水位傳感器設(shè)備等。系統(tǒng)組成拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)自動(dòng)化測流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2 自動(dòng)測流站的主要功能及現(xiàn)場安裝

（1）自動(dòng)測流站的主要功能。①自動(dòng)采集水位、表面流速傳感器的數(shù)據(jù)，處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，接收和響應(yīng)中心站發(fā)送的招測命令；②現(xiàn)場終端嵌入流量模型和計(jì)算功能，發(fā)送水位、流速和流量計(jì)算數(shù)據(jù)；③支持遙測終端一發(fā)多收，向不同地址的中心站目標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)；④固態(tài)存儲(chǔ)，自動(dòng)存儲(chǔ)1年以上的水位、流速、流量數(shù)據(jù)；⑤響應(yīng)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程參數(shù)配置和接口測試指令。

（2）現(xiàn)場安裝。①選址測流斷面，現(xiàn)場預(yù)制混凝土基座；②太陽能板安裝在立桿上，安裝和固定立桿；③放下懸臂，安裝雷達(dá)二合一傳感器探頭；④在立桿上安裝設(shè)備箱、蓄電池，連接電纜；⑤遙測終端上電，配置參數(shù)，測試?yán)走_(dá)傳感器的讀數(shù)；⑥升起懸臂并固定，測試流量和發(fā)送遙測流量數(shù)據(jù)。永幸河灌區(qū)自動(dòng)測流站安裝示意圖及現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)自動(dòng)測流站安裝示意圖及現(xiàn)場圖

4 結(jié)束語

隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利工程中的深入應(yīng)用，灌區(qū)流量在線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)越來越受到重視，它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的分布式監(jiān)控及集中管理，通過將流量遙測站的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；中心站監(jiān)管平臺(tái)同時(shí)對各遙測的水位、流量等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)在線采集，監(jiān)控遙測各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)異常時(shí)迅速處理并報(bào)警，全面實(shí)現(xiàn)灌區(qū)流量監(jiān)管的全自動(dòng)化。文章所述自動(dòng)測流系統(tǒng)建設(shè)成本較低，相對誤差較小，可滿足灌區(qū)測流的精度要求，且實(shí)時(shí)性好、可靠性高、通信費(fèi)用低，可長期穩(wěn)定運(yùn)行，值得推廣。