淺談渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張貴芳

渠道監(jiān)測用水量主要用來監(jiān)測大中型灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水，由于受到監(jiān)測斷面、水流特性等因素的影響，采用的測驗(yàn)方法和監(jiān)測設(shè)備不同，測流方法主要為水位流量關(guān)系法、流速面積法等；監(jiān)測要素主要包括水位、流速等；監(jiān)測設(shè)備主要包括浮子式水位計(jì)、電子水尺、水利綜合智能監(jiān)測設(shè)備（如雷達(dá)流量計(jì)、多普勒超聲波流量計(jì)）等。水量計(jì)算方式大致分為4 種，分別是水位流量關(guān)系法、公式法、比降面積法和流速面積法，各種方法所監(jiān)測的要素不同，計(jì)算方法不同，因此設(shè)計(jì)開發(fā)一套渠道型監(jiān)測站的專用管理系統(tǒng)是十分必要的?，F(xiàn)以灌區(qū)取水口水量在線監(jiān)測計(jì)量為例，結(jié)合明渠流量監(jiān)測站管理系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)用，淺談渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)總體建設(shè)框架可分為5 層，自下而上分別為數(shù)據(jù)支撐層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、智能支撐層、智慧應(yīng)用層，系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1。系統(tǒng)在統(tǒng)一框架下，層層支撐，可保證各應(yīng)用系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)資源共享與一體化管理。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 灌區(qū)基本信息管理

系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對灌區(qū)基本信息的管理，可在線錄入灌區(qū)基本臺賬信息。灌區(qū)基礎(chǔ)信息根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)包括：灌區(qū)管理單位、灌區(qū)管理單位地址、灌區(qū)管理單位聯(lián)系人及聯(lián)系方式、統(tǒng)一社會信用代碼、灌區(qū)名稱、所屬流域、灌區(qū)所在行政區(qū)劃、灌區(qū)規(guī)模（大型、重點(diǎn)中型、一般中型、小型）、取水方式、取水水源、取水許可編號、年許可取水量（萬m3）、取水口經(jīng)緯度、取水口總數(shù)、是否全監(jiān)測、灌區(qū)區(qū)域圖、所屬水資源分區(qū)、設(shè)計(jì)灌溉面積（萬畝）和有效灌溉面積（萬畝）、直管類型等，這些灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可為今后分流域、分水源、超許可等灌區(qū)用水統(tǒng)計(jì)分析提供最基本的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 監(jiān)測站斷面基本信息管理

主要通過收集、整理或現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測斷面基礎(chǔ)信息，實(shí)現(xiàn)水量監(jiān)測大斷面信息（高程、起點(diǎn)距）在線管理，并根據(jù)斷面情況錄入比降、糙率等基礎(chǔ)信息，為流量計(jì)算提供基本的計(jì)算依據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)也應(yīng)具有對歷史錄入信息查詢、不同期數(shù)據(jù)同圖對比分析功能，方便管理人員掌握查閱監(jiān)測斷面的歷史資料。

2.3 監(jiān)測設(shè)備的統(tǒng)一管理

隨著水資源監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，除浮子式水位計(jì)、電子水尺外，水利綜合智能監(jiān)測設(shè)備（如雷達(dá)、超聲波等水位、流速流量監(jiān)測設(shè)備）將廣泛應(yīng)用于渠道型監(jiān)測站的水量監(jiān)測中。系統(tǒng)應(yīng)充分考慮對渠道型監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理的需求，包括對監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)廠家、適用環(huán)境、安裝位置、安裝現(xiàn)場情況等基礎(chǔ)信息以及安裝信息的管理。

2.4 流量計(jì)算模型

系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)流量計(jì)算與分析工具的角色，建立多種流量計(jì)算模型，供不同監(jiān)測設(shè)備流量計(jì)算使用，應(yīng)包括水位流量關(guān)系法、流速面積法、比降面積法計(jì)算模型。

2.4.1 流速面積法計(jì)算模型

流速面積法根據(jù)監(jiān)測大斷面的水面流速，結(jié)合經(jīng)過現(xiàn)場比測率定得到的流量系數(shù)和根據(jù)大斷面及實(shí)時(shí)水位計(jì)算出來的斷面過水面積，實(shí)現(xiàn)斷面流量的計(jì)算。

式中：

V—流速，單位m/s；

A—過水面積，單位m2。根據(jù)已錄入的監(jiān)測大斷面數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前水位可計(jì)算得出過水面積。

K—指測算流量系數(shù)。

測算流量系數(shù)計(jì)算公式：

通過對高、中、低水位實(shí)測的多組數(shù)據(jù)，由測算流量系數(shù)計(jì)算公式，求得多個(gè)測算流量系數(shù)。根據(jù)渠深，約定高、中、低水位的取值范圍，通過算數(shù)平均法，計(jì)算得出高、中、低水位相對應(yīng)的測算流量系數(shù)。系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測水位，找到對應(yīng)的測算流量系數(shù)，并通過流速面積法計(jì)算得出相對精準(zhǔn)的流量值。該計(jì)算方法中實(shí)測數(shù)據(jù)越多，所計(jì)算出的測算流量系數(shù)越精準(zhǔn)，從而計(jì)算出的流量越接近真實(shí)值。

2.4.2 水位—流量關(guān)系法計(jì)算模型

水位—流量關(guān)系是指監(jiān)測大斷面處的水位與通過該斷面的流量之間的關(guān)系，可用曲線圖表示。

水位—流量曲線：橫坐標(biāo)為水位、縱坐標(biāo)為流量，將相應(yīng)的水位和流量點(diǎn)繪在坐標(biāo)系上，連接通過點(diǎn)群中心的曲線。水位—流量關(guān)系法的原理：將盡可能多次的實(shí)測水位和實(shí)測流量數(shù)據(jù)在圖上進(jìn)行標(biāo)注，擬合成一條過點(diǎn)的曲線并得到一個(gè)計(jì)算公式，引沁灌區(qū)斷面水位/流量實(shí)測值表見表1、焦作引沁灌區(qū)斷面水位—流量關(guān)系曲線圖見圖2。

序號序號89 1 0 11 12 13水位(m)1.2 1.25 1.56 1.8 1.9 2.1流量(m3/s）6.45 6.9 9.12 11.5 13.9 15.36 123456 7水位(m)0.12 0.17 0.32 0.48 0.67 0.9 1.12流量(m3/s）0.15 0.4 0.91 1.45 2.4 4.51 5.2

通過公式生成一組最小單位水位的對應(yīng)流量，形成水位—流量關(guān)系成果對照表，如焦作引沁灌區(qū)斷面水位—流量修定成果對照表見表2，可根據(jù)水位查表得到對應(yīng)的流量。

2.4.3 比降面積法計(jì)算模型

對于暫時(shí)無法獲取流量實(shí)測數(shù)據(jù)的渠道型監(jiān)測站，可先采用比降面積法計(jì)算流量。

收集基礎(chǔ)資料。上、中、下的比降斷面縱斷面；確定比降,詳見比降確定；確定糙率,詳見糙率選擇確定。

式中：

Vˉ—河段平均流速，單位m/s，可用水力學(xué)中的曼寧公式計(jì)算；

Aˉ—河段平均斷面面積，單位：m2。曼寧公式計(jì)算Vˉ：

式中：

n—為糙率,詳見糙率選擇確定；

k—為轉(zhuǎn)換常數(shù)，國際單位制中值為1；

Rh—水力半徑，單位m，指輸水?dāng)嗝娴倪^流面積與濕周長之比，濕周長指流體與明渠斷面接觸的周長；

S—比降，詳見比降確定。

比降確定。若渠道（河道）有水，以上、下游斷面水面線的坡度為準(zhǔn)；若渠道（河道）無水，若有設(shè)計(jì)資料，可以采用設(shè)計(jì)渠道設(shè)計(jì)比降，或以某一流量時(shí)上、下游斷面水面線坡度為縱比降。

糙率選擇確定。通過流速儀法測得斷面平均流速，將流速帶入曼寧公式后反推糙率系數(shù)；若監(jiān)測站所在斷面無水，則糙率參考上下游或鄰近河流上河槽情況相似水文站的資料確定；或根據(jù)河槽及灘地的河段特征、洪水坡度、河床質(zhì)平均粒徑、寬深比和含沙量等主要因素，依據(jù)相關(guān)規(guī)范可查。

3.計(jì)算公式與關(guān)系曲線修訂

系統(tǒng)應(yīng)對現(xiàn)有常用的流量、水量計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)多方法的流量、水量計(jì)算的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)斷面情況、水流特性的變化，對斷面基礎(chǔ)信息（面積、比降、糙率等）、計(jì)算公式系數(shù)等進(jìn)行修訂；依據(jù)實(shí)測的水位流量數(shù)據(jù)和調(diào)查的歷史數(shù)據(jù)，對水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行修訂。

3.1 流量計(jì)算公式修訂

流量計(jì)算公式需依據(jù)實(shí)測流量數(shù)據(jù)，對不同計(jì)算方法中的各類參數(shù)進(jìn)行修訂，以確保流量數(shù)據(jù)滿足精度要求。將渠道監(jiān)測站實(shí)測流量數(shù)據(jù)提交至本系統(tǒng)，由系統(tǒng)依據(jù)流量實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)流量自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，給出推薦的流量參數(shù)修訂值，通過人工審核后，確定最終的流量計(jì)算參數(shù)。另外，由于監(jiān)測斷面變化，斷面面積有關(guān)數(shù)據(jù)也需進(jìn)行實(shí)測，將實(shí)測的數(shù)據(jù)在線更新至系統(tǒng)。

3.2 水位流量關(guān)系曲線修訂

通過建立監(jiān)測斷面的水位和此水位下流量之間的關(guān)系，并用曲線的形式表現(xiàn)出來，即為水位流量關(guān)系曲線。水位流量關(guān)系曲線推流應(yīng)用過程中，可通過實(shí)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修訂，以不斷提高流量監(jiān)測精度。依據(jù)實(shí)測流量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水位流量關(guān)系曲線的自動(dòng)修訂，通過人工審核后，確定并發(fā)布修訂后的水位流量關(guān)系曲線。

3.3 多種流量計(jì)算結(jié)果對比分析

以表格和過程線的形式，顯示所選監(jiān)測站在指定時(shí)間范圍內(nèi)，多種流量計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果。管理人員可將各種流量計(jì)算方法得出的結(jié)果與歷史實(shí)測數(shù)據(jù)或相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)對比分析，擇優(yōu)選取該監(jiān)測斷面的流量計(jì)算模型。

水位（m）0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2流量（m3/s）0 0.027 0.055 0.083 0.112 0.141 0.171 0.201 0.232 0.263 0.295 0.327 0.359 0.392 0.426 0.460 0.494 0.529 0.565 0.600 0.637水位（m）0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41流量（m3/s）0.674 0.711 0.749 0.787 0.825 0.865 0.904 0.944 0.985 1.026 1.068 1.110 1.152 1.195 1.238 1.282 1.327 1.372 1.417 1.463 1.509水位（m）0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62流量（m3/s）1.556 1.603 1.650 1.699 1.747 1.796 1.846 1.896 1.947 1.997 2.049 2.101 2.153 2.206 2.260 2.313 2.368 2.422 2.478 2.533 2.590水位（m）0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.7 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82 0.83流量（m3/s）2.646 2.703 2.761 2.819 2.878 2.937 2.996 3.056 3.117 3.178 3.239 3.301 3.363 3.426 3.489 3.553 3.617 3.682 3.747 3.813 3.879水位（m）0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04流量（m3/s）3.946 4.013 4.080 4.148 4.217 4.286 4.355 4.425 4.495 4.566 4.638 4.709 4.782 4.854 4.928 5.001 5.075 5.150 5.225 5.301 5.377水位（m）1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.2 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25流量（m3/s）5.453 5.530 5.608 5.686 5.764 5.843 5.922 6.002 6.083 6.163 6.245 6.326 6.409 6.491 6.574 6.658 6.742 6.827 6.912 6.997 7.083水位（m）1.26 1.27 1.28 1.29 1.3 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46流量（m3/s）7.170 7.257 7.344 7.432 7.520 7.609 7.698 7.788 7.878 7.969 8.060 8.152 8.244 8.337 8.430 8.523 8.617 8.712 8.807 8.902 8.998

3.4 流量計(jì)算方法的評定

此文中所指的渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)共提供3 種流量計(jì)算方式檢驗(yàn)方法，分別為：符號檢驗(yàn)、適線性檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)。針對不同算法，經(jīng)由以上3 種檢驗(yàn)，顯示各算法的檢驗(yàn)結(jié)果，通過每種檢驗(yàn)方法所得出的結(jié)論值進(jìn)行比對，即可找到最優(yōu)算法，3 種檢驗(yàn)都通過的最優(yōu)。焦作引沁灌區(qū)監(jiān)測站流量計(jì)算方法檢驗(yàn)結(jié)果圖見圖3。

圖3 焦作引沁灌區(qū)監(jiān)測站流量計(jì)算方法檢驗(yàn)結(jié)果

如無理想最優(yōu)算法，則通過實(shí)測資料累計(jì)不斷修正各算法，最終實(shí)現(xiàn)。

3.5 取用水監(jiān)管

渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)，應(yīng)具備取用水戶戶證站點(diǎn)的關(guān)系查詢，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測實(shí)際水量與年許可水量比對分析，從而達(dá)到取水速率預(yù)警、超許可預(yù)警等功能。

3.6 GIS 地圖

渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)可視化一張圖?？烧故疽呀ㄇ佬退勘O(jiān)測站點(diǎn)在空間地圖上分布和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對已安裝視頻監(jiān)控的站點(diǎn)可調(diào)出其實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，供運(yùn)維及管理人員實(shí)時(shí)查看，對超許可水量的站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)超許可不同級別預(yù)警。通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，將各級灌區(qū)管理人員所關(guān)注的監(jiān)測信息于一張地圖中展示，便于管理人員快速掌握灌區(qū)取水口水量監(jiān)測實(shí)時(shí)情況。

4.結(jié)語

隨著智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)和數(shù)字孿生建設(shè)的推進(jìn)，渠道型監(jiān)測站管理系統(tǒng)除了具有以上渠道型監(jiān)測流量計(jì)算工具的功能，同時(shí)也應(yīng)具有對渠道監(jiān)測站點(diǎn)三維可視化功能，使其在數(shù)字孿生地理空間數(shù)據(jù)三維可視化場景的基礎(chǔ)上，集成渠道監(jiān)測斷面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、跨行業(yè)信息等內(nèi)容，形成一套明渠監(jiān)測系統(tǒng)底板數(shù)據(jù)庫。□