水資源管理智能流量水位控制系統(tǒng)在灌區(qū)中的應(yīng)用

楊 軍

在現(xiàn)階段生產(chǎn)或研究中，為節(jié)約水資源和能源，建立和完善現(xiàn)代水資源和能源控制與計量技術(shù)手段已經(jīng)引起專家學(xué)者特別重視。在實現(xiàn)上述技術(shù)手段的過程中，其中一個重要問題是要在測量開放灌溉網(wǎng)絡(luò)中的水位和流量方面建立一個符合技術(shù)流程要求的智能系統(tǒng)，以便高效、精準(zhǔn)的測量，同時減輕測量人員工作量。從這個角度出發(fā)，開發(fā)一個多功能的智能系統(tǒng)來監(jiān)測和測量開放灌溉網(wǎng)絡(luò)中小渠道的水位和流量是非常重要且十分必要的。

世界范圍的相關(guān)研究人員長時間以來進(jìn)行了大量研究工作，以降低土地復(fù)墾設(shè)施管理和控制方面的實施成本，改進(jìn)其技術(shù)特性，發(fā)展節(jié)約水資源和能源資源的有效計量系統(tǒng)。在這方面，我們也有必要研究創(chuàng)建先進(jìn)的智能控制和測量系統(tǒng)，使其能在開放式灌溉網(wǎng)絡(luò)中測量水位和流量時提供高靈敏度和準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)，有效節(jié)約水資源和能源資源。為達(dá)到有效利用現(xiàn)有水資源，提高生產(chǎn)力，減少灌溉網(wǎng)絡(luò)的電力消耗的目的，必須引進(jìn)數(shù)字信息和測量系統(tǒng)、大型自動控制監(jiān)控系統(tǒng)，建設(shè)水工建筑物，以確定實際水量，智能控制各級水回收設(shè)置的水位和流量等。當(dāng)前指標(biāo)（水位和流量、管道中的瞬時壓力）的操作確定是一個相對復(fù)雜的過程。指標(biāo)的數(shù)字顯示、接收數(shù)據(jù)的自動化程度和優(yōu)化問題尤為重要。

本文相關(guān)實驗研究基于玉山縣七一灌區(qū)某河道進(jìn)行，對相關(guān)理論進(jìn)行了實驗驗證，確保本文提出的控制與測量智能系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和實用性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1.研究方法

此次研究所用智能系統(tǒng)的主要元件是一個數(shù)字單片機(jī)，帶有內(nèi)置的獨(dú)立存儲器、液晶顯示器。該單片機(jī)安裝在位于中央控制面板(CCP)上的液壓測量柜的前面板上。測量水位的雙參數(shù)諧振電磁傳感器(IDP-27)和測量水流的超聲波傳感器(US-800)分別位于取水口的上游和下游。水位傳感器安裝在出水口的閘門上，根據(jù)閘門的開啟和關(guān)閉來工作。它將測量到的機(jī)械幅度脈沖直接傳送到電子模塊，信號在電子模塊中進(jìn)行處理并傳送到單片機(jī)。水流傳感器用于控制進(jìn)水口和出水口的水流。兩個雙參數(shù)諧振電磁傳感器通過射頻電纜同軸連接到電子模塊，電纜長度為200m。水位傳感器按位置分組，并配備控制傳感器。在控制傳感器中，使用金屬膜片記錄的水柱高度為1m如圖1所示。

圖1 排水點(diǎn)水位流量智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布簡圖

值得注意的是，所有水位傳感器都配備有可以穩(wěn)定外部水量變化的特殊阻尼裝置。

電子模塊與水流傳感器相連，并且傳感器控制通過出口的水流流量。這些傳感器用液壓裝置連接到泄水點(diǎn)的出水口，并各自配備有阻尼器裝置。US800型流量計工作原理主要是基于測量超聲波振動脈沖在運(yùn)動流體中傳播的時間。超聲波脈沖在流體運(yùn)動的正向和反向傳播時間之差與流速成正

比。

電子模塊的功能如圖2所示。單片機(jī)通過3條獨(dú)立的線路與電子模塊相連，其中每條線路有24條通信線路。通信線路可用于控制雙參數(shù)電磁共振傳感器中激勵脈沖的產(chǎn)生，并計算間隔時間下降（取決于測量水柱的高度）和儀表讀數(shù)。0.5V的信號沿著3條通信線路發(fā)送到單片機(jī)的模擬輸入端。3個1000Ω的電阻連接到水流傳感器的電流輸出端，以穩(wěn)定信號。

圖2 電子模塊功能方案

2.結(jié)果與討論

未驗證上述所提出的控制與測量智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，本章將實地運(yùn)用該系統(tǒng)，以玉山縣七一灌區(qū)某河道為研究對象，對灌區(qū)水位和流量測量分析，并與實際情況進(jìn)行對比。新的自動化智能系統(tǒng)控制河道中的水位和流經(jīng)液壓裝置的水量，旨在執(zhí)行以下功能：

一是確定河道上、下游的水位；二是確定流經(jīng)排放點(diǎn)的水量，如圖3和圖4所示；三是計算和傳輸控制信號，以打開其參考裝置，同時考慮排放點(diǎn)的個別特性，以獲得最大F.I.K；四是收集通過排放點(diǎn)的每日、每月和每年的水流指標(biāo)。同時，在測量耗水量時考慮中斷情況；五是根據(jù)操作人員的要求，將收集到的數(shù)據(jù)信息自動傳輸?shù)斤@示器上，將每日、每月、每年的水流指標(biāo)輸入系統(tǒng)內(nèi)存中，并實時傳輸?shù)饺∷?、排水口控制面板上的中央計算機(jī)。從單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出沿一條通信線路，電子模塊發(fā)出3個信號，這些信號及時形成，以打開每個液壓單元的參考裝置。這些信號最終落入液壓單元的狀態(tài)控制電路中。

圖3 薄閥輸水裝置

圖4 開放式灌溉系統(tǒng)水位流量自動控制方案

圖3所示各元件分別為1：電動機(jī)；2：閘門門板；3：連接塊；4：底板；5：鋼繩卷輪；6：鋼繩；7：閘門框架；8：傳動裝置固定。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)配備了備用單片機(jī)和電子模塊、水流傳感器和電磁傳感器。電子單元從流量傳感器和水位傳感器生成原始數(shù)據(jù)，而單片機(jī)將初始數(shù)據(jù)處理到底。

由于水流水位控制系統(tǒng)是出口工藝裝置的重要組成部分，其數(shù)據(jù)處理算法和數(shù)據(jù)傳輸均考慮了復(fù)雜系統(tǒng)中的不同情況，例如停機(jī)、不穩(wěn)定模式、信號的不同變化等。單片機(jī)每10s掃描一次所有傳感器。在這種情況下，每個傳感器的數(shù)據(jù)被多次檢索，快速變化的測量誤差被最小化，緩慢變化的誤差可被直接消除。該系統(tǒng)算法的設(shè)計方式是，如果一個水位傳感器失敗，數(shù)據(jù)將連接到第二個傳感器和系統(tǒng)性能確定的、使用特定系數(shù)在指定的程序上使用的控制傳感器。

圖4所示各元件分別為1：命令單元；2：比較單元；3：采樣器；4：傳感器；5：零均值化；6：調(diào)整器；7：磁力開關(guān)；8：可逆式電機(jī)；9：液壓閘門。

作為對現(xiàn)有的測量明渠用水量和水位方法科學(xué)研究的結(jié)果，我們寫出表達(dá)明渠上游和下游水流量變化的方程：

式中：

m=0.42，為輸水點(diǎn)水流系數(shù)(通過實驗確定)；

w—寬度；

g—重力加速度；

hnacm.max—河道底部的最高水位。

其中：

ΔH—下游水位與其最小值之間的差；

HBmin—上游水位的最小值。

式中：

hHmax—上游水位的最大值。

在運(yùn)用新的自動化智能系統(tǒng)對玉山縣七一灌區(qū)某河道實地實驗后發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)單元屏幕顯示的水位和流量信息如表1所示。

表1 單片機(jī)單元屏幕顯示水位和流量信息

表1所示為單片機(jī)單元屏幕信息，其中具體顯示的信息分別為，(25∶12)—日期；(G1=1.86m3，G2=1.5m3)—明 渠排水區(qū)的水流流量；(HH=2m，HL=1m)—上下游水位。

上述公式所用系數(shù)的大小是根據(jù)對水位傳感器所在區(qū)域的水溫和氣溫的觀察進(jìn)行多年實驗的結(jié)果而采用的。流量大小取決于水流和每個出水口的個性化特征。單片機(jī)單元的屏幕顯示有流量、流經(jīng)每個水點(diǎn)的最低和最高基準(zhǔn)水位以及日期的信息，此信息每分鐘更新一次。顯示的數(shù)據(jù)屏幕如表1所示。

綜合上述分析，根據(jù)方程(1)、(2)和(3)構(gòu)建了圖5中的圖表，這些方程表示了明渠下游和上游水位的水流變化。文中所述智能控制系統(tǒng)也可以直接連接到計算機(jī)。他使用C++來控制所需的參數(shù)。

圖5 流量和水位與液壓閘門旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖

目前，全球氣候的劇烈變化導(dǎo)致水資源短缺問題愈發(fā)嚴(yán)重，氣候變化對水資源產(chǎn)生的巨大影響與應(yīng)對這種影響的有效方法已經(jīng)在國際上取得普遍關(guān)注。同時，水資源短缺也是中國可持續(xù)發(fā)展面臨的重大戰(zhàn)略問題。據(jù)統(tǒng)計，我國作為人口大國，人均水資源量僅為世界平均水平的28%，水資源利用方式較為粗放，水資源短缺問題日益嚴(yán)重，是一個嚴(yán)重缺水國家。為解決我國日益復(fù)雜的水資源問題，必須實現(xiàn)水資源的高效利用和有效保護(hù)。

通過應(yīng)用本文提出的自動化智能系統(tǒng)，能夠有效地縮短實時水位和流量變化的反應(yīng)周期、減少工作人員工作量、減少人為設(shè)計失誤、使管理者高效搭建質(zhì)量評估體系、提高用水效率。此外，由于該系統(tǒng)具有實時反應(yīng)的能力，極大提高了管理者對水資源的管理與優(yōu)化能力，達(dá)到節(jié)約用水、高效用水的目的。

3.結(jié)論

本研究提出了一種明渠水位控制與測量智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。該結(jié)構(gòu)方案將為開發(fā)有效的算法和軟件工具奠定基礎(chǔ)。這些算法和軟件工具是由智能傳感器組成，用于明渠中水流和水位的控制和測量，具有較高的精度和靈敏度。

明渠水流與水閘轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系曲線由5次表達(dá)式組成，通過分析計算得到相關(guān)系數(shù)R2=0.9994。這證實了理論曲線圖和實驗圖的相互充分性。

在明渠水流和水位控制智能系統(tǒng)中，操作員與系統(tǒng)的通信是通過單片機(jī)進(jìn)行的，使用位于顯示器和單片機(jī)模塊面板表面上的兩個按鈕。根據(jù)操作員的SET(設(shè)置)按鈕給出的命令，顯示當(dāng)前水流量，再次按下該按鈕時，將顯示前一個月和幾年的水流量數(shù)據(jù)，這簡化了控制人員的工作。

改進(jìn)后的智能控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是增加了測量的準(zhǔn)確性，顯著減少過剩的水流流失，有效減少水資源和能源資源低效使用，并允許用戶在必要時能及時獲得必要的信息，以便對實時的水流情況做相應(yīng)處理。

在灌區(qū)試驗后，研究發(fā)現(xiàn)，本文提出的自動化智能系統(tǒng)，能夠有效降低工作人員工作量、減少人為設(shè)計失誤、提高用水效率，達(dá)到節(jié)約用水、高效用水的目的。