由測流方式的轉(zhuǎn)變淺談引黃灌區(qū)信息化發(fā)展

鮑建平，王 瑞，張海霞，王 力

（濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600）

1 小開河引黃灌區(qū)簡介

山東省濱州市小開河引黃灌區(qū)位于黃河下游左岸，為國家大（2）型引黃灌區(qū)，縱貫濱州市中部，是濱州市重要水源。小開河干渠設(shè)計(jì)流量60 m3/s，加大流量85 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積7.3萬hm2。灌區(qū)自1993年開工建設(shè)，1998年建成運(yùn)行；干渠全長94.2 km，包括輸沙渠51.3 km、沉沙池4.16 km、輸水渠38.7 km；干渠配套建筑物178 座。小開河上游輸沙干渠采用大比降遠(yuǎn)距離輸沙技術(shù)，干渠比降為1/5500～1/6800，渠道底寬16～24 m，邊坡系數(shù)為1∶1.75，上游設(shè)計(jì)水位2.35 m，設(shè)計(jì)流速1.0～1.39 m/s，整體為窄深式梯形斷面結(jié)構(gòu)。

2 小開河灌區(qū)渠道測流發(fā)展歷程

小開河灌區(qū)運(yùn)行24 a年來，已累計(jì)引用黃河水超過50 億m3。目前，用水區(qū)域和單位主要有濱城區(qū)、惠民縣、陽信縣、沾化區(qū)、無棣縣、北海新區(qū)、西海水務(wù)公司、北海水務(wù)公司等。灌區(qū)渠道長，跨越縣區(qū)多，流量計(jì)量到支渠為止，水費(fèi)收取到縣區(qū)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測流、精準(zhǔn)計(jì)量，灌區(qū)在渠道測流方面進(jìn)行了諸多探索，最終實(shí)現(xiàn)了從人工測流到自動(dòng)化測流的轉(zhuǎn)變。截至2021年底，灌區(qū)共有干渠自動(dòng)化測流點(diǎn)14處，水庫自動(dòng)化測點(diǎn)4 處，支渠自動(dòng)化測點(diǎn)83 處；各測點(diǎn)均建設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)斷面，根據(jù)不同情況，分別架設(shè)了智能測流車，安裝了流量計(jì)或閘前閘后水位計(jì)等相關(guān)測流設(shè)施。

2.1 人工測流階段

1999—2004年，主要采用人工測流方式即流速儀+鉛魚+測繩的測流方式，流速儀型號采用重慶產(chǎn)LS25-A 型，顯示器為ZLS-3直讀流速顯示器。人工測流缺點(diǎn)較多，主要有：①該型號流速儀旋漿螺絲套與身架密閉不嚴(yán)，容易被泥沙堵塞，影響轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致測流不準(zhǔn)確；②顯示器體積較大，不易攜帶，且用接線柱連接線路，程序繁瑣，不易操作；③測流鉛魚較重，因灌區(qū)為大比降遠(yuǎn)距離輸沙渠道，流速較大，上游測點(diǎn)鉛魚配重達(dá)15 kg 以上，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，耗費(fèi)時(shí)間長，且受天氣和測點(diǎn)交通狀況影響較大。人工測流的優(yōu)點(diǎn)是能隨時(shí)摸清測流點(diǎn)淤積狀況，測流數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。

2.2 多普勒量測階段

自2004年起，小開河灌區(qū)嘗試引入自動(dòng)化測流儀器，首先應(yīng)用的是超聲波多普勒測流設(shè)備。多普勒測流利用顆粒反射原理，根據(jù)頻率差求得流速，進(jìn)而求得流量。灌區(qū)投資超230 萬元建成寬帶聲學(xué)多普勒自動(dòng)化測流系統(tǒng)，設(shè)備采用美國RDI 公司生產(chǎn)的第三代寬帶多普勒H-ADCP。該設(shè)備有300、600、1200 kHz 3種頻率，配有超聲波水位計(jì)、壓力水位計(jì)、測量傾斜角度傾斜計(jì)，有效量程分別為190、90、30 m?？紤]渠首站的泥沙含量比較高，選用了600 kHz的儀器；其余2個(gè)站位于灌區(qū)的中游和下游，泥沙含量相對較低，選用了1200 kHz的儀器。系統(tǒng)采用寬帶技術(shù)，在水平方向可達(dá)128個(gè)測量單元[1]。

該系統(tǒng)通過數(shù)傳電臺接收到自動(dòng)化測流數(shù)據(jù)后，能夠顯示每個(gè)測點(diǎn)的流速、水位、流量等信息，在辦公室就能對渠道引水情況進(jìn)行掌控。同時(shí)，該系統(tǒng)將所有接收的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，既積累了資料，又方便以后查詢。

多普勒測流儀的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備集水位、流速測量于一體，解決了水位計(jì)、流速儀分設(shè)問題，但缺點(diǎn)也較突出。例如，多普勒測流儀對泥沙含量比較敏感，泥沙含量較高時(shí)測流儀穿透距離僅有渠道斷面的1/3 至1/2，嚴(yán)重影響測流準(zhǔn)確度，誤差較大，甚至有時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，顯示數(shù)據(jù)匪夷所思；多普勒測流儀無法對渠道淤積進(jìn)行監(jiān)測，反映不出淤積變化對渠道測流斷面的影響，經(jīng)常需要人工測量淤積情況；多普勒測流儀安裝高度約80 cm，當(dāng)淤積深度達(dá)到80 cm 以上時(shí)，測流儀探頭位于淤積面以下，便無法應(yīng)用；多普勒測流儀核心技術(shù)均在美國，遇到故障后僅靠灌區(qū)工作人員往往難以排除，設(shè)備的后期維護(hù)、維修費(fèi)用高，維修時(shí)間長?；诙嗥绽諟y流儀應(yīng)用效果較差，設(shè)備在2007年發(fā)生故障后，未再繼續(xù)維修運(yùn)行。

2.3 軌道式智能測流車測流階段

經(jīng)過不斷探索，自2011年開始小開河灌區(qū)與交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所聯(lián)合研制軌道式智能化測流車，經(jīng)多年完善和改進(jìn)后逐漸成熟，至2018年干渠沿線共安裝了6 臺軌道式智能測流車，基本能夠代替人工，自動(dòng)完成流量測算工作，并實(shí)現(xiàn)測流數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳。

智能測流車是綜合性的測量控制系統(tǒng)，自動(dòng)采集垂線水位、分層流速、水深等數(shù)據(jù)，通過分部流速面積法計(jì)算斷面流量，整個(gè)測量過程無需人的參與，測量完成后自動(dòng)將測量數(shù)據(jù)和計(jì)算的流量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)控制軟件[2]。在測流橋上增設(shè)2 條平行軌道，軌道上根據(jù)渠道斷面寬度確定測量垂線位置及個(gè)數(shù)。啟動(dòng)測量時(shí)，測流車自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)水深自動(dòng)判斷該垂線測點(diǎn)數(shù)量及測點(diǎn)位置。流速儀到達(dá)預(yù)定深度后進(jìn)行流速測量，測量完成后自動(dòng)行至下一個(gè)垂線進(jìn)行測量。最后，測流車自動(dòng)計(jì)算斷面總流量，通過4G 模塊將數(shù)據(jù)傳輸至灌區(qū)信息化平臺，如圖1所示。

圖1 軌道式智能測流系統(tǒng)示意

測流車的流速儀前期采用超聲波流速儀，但因黃河水含沙量影響太大，后換用旋漿式流速儀，準(zhǔn)確可靠。測流車的運(yùn)用，大大提高了灌區(qū)的科技含量，也節(jié)省了大量人工，提高了工作效率。軌道式智能化測流車優(yōu)點(diǎn)如下：①測流車小巧靈活，基建投資小。自重不足100 kg，可借用已有測流橋加裝測流軌道，投資省。②自動(dòng)化程度高，可真正實(shí)現(xiàn)無人值守。測流車可通過現(xiàn)場遙控器或者計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確自動(dòng)測量水位、水深，根據(jù)水深自動(dòng)判斷流速測量方法，自動(dòng)測算斷面流量，繪制斷面流速分布圖，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)礁鳒y點(diǎn)所屬管理所，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測報(bào)和信息共享。在中心站點(diǎn)或遠(yuǎn)程客戶端可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。測流車可自動(dòng)打開和關(guān)閉測流房房門，自動(dòng)充電待機(jī)。③模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便。測流車內(nèi)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)，出現(xiàn)故障，可單模塊拆卸更換，維護(hù)方便快捷。④軟件友好，可修正測繩傾斜誤差，流程規(guī)范。同時(shí)，軌道式智能化測流車也有如下缺點(diǎn)：①測流采用傳統(tǒng)旋漿式測流儀，測流時(shí)間長；②軟件操作系統(tǒng)還需進(jìn)行升級完善；③小車運(yùn)行速度及測流速度還有進(jìn)一步開發(fā)的空間。

3 灌區(qū)信息化建設(shè)情況

小開河灌區(qū)測流技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了灌區(qū)信息化的高速發(fā)展，截至2021年灌區(qū)在信息化建設(shè)方面已累計(jì)投資超3000萬元，逐漸建成了灌區(qū)信息化綜合管理平臺和工程視頻監(jiān)控、軌道式智能測流、渠道水位實(shí)時(shí)監(jiān)測、道路卡口電警、墑情氣象監(jiān)測等系統(tǒng)。綜合歷年灌區(qū)信息化建設(shè)內(nèi)容，主要包括以下7個(gè)方面。

3.1 專用電力及光纜

因灌區(qū)距離較長，建設(shè)初期僅在沿干渠幾處重要節(jié)點(diǎn)位置設(shè)立了攝像頭，供電系統(tǒng)為借用附近村莊民用電，利用手機(jī)卡傳輸信號，電力及信號傳輸可靠性較差；后期結(jié)合大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，自2014年開始逐步沿干渠架設(shè)專用光纜80 km、高壓電力15 km，安裝專用變壓器15臺，為信息化建設(shè)打下了良好基礎(chǔ)。

3.2 軌道式智能測流車系統(tǒng)

目前，灌區(qū)已安裝軌道式自動(dòng)測流車系統(tǒng)6 套，測流斷面設(shè)備配置主要有軌道式智能測流車、雷達(dá)水位計(jì)、紅外數(shù)字智能球機(jī)，能夠完全實(shí)現(xiàn)無人值守、自動(dòng)測流、自動(dòng)充電和數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

依托灌區(qū)自身的電力及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，灌區(qū)目前已安裝視頻監(jiān)控80余處，基本實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)工情、水情全覆蓋。視頻監(jiān)控主要設(shè)置在引黃閘、渡槽等大型建筑物，支渠進(jìn)水閘、各縣區(qū)界測流橋及管理所內(nèi)，采用光纜鋪設(shè)+專網(wǎng)VPN匯總的建設(shè)方式。主干渠按不同管理所管理范圍分段，建設(shè)了視頻專網(wǎng)（光纜全覆蓋），匯集點(diǎn)位于各管理所機(jī)房內(nèi)，通過NVR 進(jìn)行管理與視頻存儲。各管理所和灌區(qū)中心機(jī)房，通過電信VPN數(shù)據(jù)專線搭建了小開河視頻專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了所有視頻數(shù)據(jù)的匯集與共享。部分重要站點(diǎn)還安裝了語音對講設(shè)備及自動(dòng)識別喊話驅(qū)離設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了語音廣播及自動(dòng)喊話驅(qū)離、水法宣傳和遠(yuǎn)程語音警告等功能。

3.4 水情監(jiān)測系統(tǒng)

灌區(qū)共計(jì)建設(shè)了97 處水位監(jiān)測點(diǎn)，分別監(jiān)測干渠、重要支渠閘前閘后水位、測流橋水位以及各水庫水位。水位計(jì)型式為雷達(dá)水位計(jì)，受溫度、濕度、氣壓、雨雪和風(fēng)沙等環(huán)境因素的影響較小，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定；在工作范圍內(nèi)具有較高的精度（±3 mm），測量數(shù)據(jù)通過4G 傳感器上傳至灌區(qū)信息化平臺；用電量小，可用蓄電池和太陽能供電。每個(gè)測點(diǎn)可按照設(shè)定的時(shí)間將水位自動(dòng)傳輸至灌區(qū)信息化平臺。當(dāng)水位超過設(shè)定的上限數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，并發(fā)送至管理人員的手機(jī)終端，做到早發(fā)現(xiàn)、早處置。

3.5 閘門監(jiān)控系統(tǒng)

灌區(qū)建設(shè)閘門監(jiān)控43 處，全部為閘位計(jì)。閘位計(jì)為恒力收繩閘門開度傳感器，從內(nèi)部拉出一根鋼絲繩與被測閘門直接連接，閘門提升或下降時(shí)鋼絲繩帶動(dòng)與編碼器同軸的測輪旋轉(zhuǎn)，使編碼器與被測閘門同步轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測閘門的啟降轉(zhuǎn)化為編碼器軸的旋轉(zhuǎn)，輸出相應(yīng)的位置信息，從而達(dá)到了監(jiān)測灌區(qū)支渠閘門板的啟閉高度的目的。閘位計(jì)的測量數(shù)據(jù)通過4G通信模塊，直接發(fā)送至灌區(qū)信息化平臺。

3.6 墑情、氣象監(jiān)測系統(tǒng)

2018年，沿干渠左右岸分散建設(shè)土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)測點(diǎn)14 處。通過土壤墑情傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測-10、-20、-30和-40 cm 處灌區(qū)不同區(qū)域土壤的溫度和濕度變化，并在灌區(qū)分散建設(shè)了自動(dòng)氣象站監(jiān)測系統(tǒng)6 處，可實(shí)時(shí)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、降雨量、風(fēng)力等氣象信息，為灌區(qū)的運(yùn)行管理、科學(xué)調(diào)度、科學(xué)制定灌溉用水計(jì)劃提供了數(shù)據(jù)支撐。相關(guān)設(shè)備采集數(shù)據(jù)均可自動(dòng)采集，自動(dòng)上傳。

3.7 軟件應(yīng)用平臺

信息化管理平臺（小開河智慧灌區(qū)e 平臺）是小開河灌區(qū)信息化建設(shè)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，為灌區(qū)所有信息化設(shè)備提供了數(shù)據(jù)集成場所，涵蓋了灌區(qū)管理涉及的信息采集、用水管理、水費(fèi)征收、防汛抗旱、工程巡檢等多方面應(yīng)用，為灌區(qū)的智慧高效管理提供了強(qiáng)力保障。

小開河智慧灌區(qū)e 平臺共計(jì)投資超120 萬元。該平臺是以灌區(qū)的實(shí)際工作情況和需求為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前最為先進(jìn)的云服務(wù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、地理信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)，對灌區(qū)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行了深層次的挖掘和細(xì)致的梳理分析。該平臺主要分為信息采集、量水測水、水費(fèi)管理、工程管理、灌區(qū)GIS一張圖、灌區(qū)可視化、行業(yè)管理等12 個(gè)模塊，57 個(gè)分項(xiàng)。其中，信息采集模塊的主要作用是接收、展示以及查詢灌區(qū)信息化設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，灌區(qū)工作人員可以通過PC 端或手機(jī)App 端實(shí)時(shí)查詢各監(jiān)測點(diǎn)水情；量水測水模塊為基層管理人員根據(jù)每日測水流量數(shù)據(jù)填報(bào)；灌區(qū)GIS一張圖系統(tǒng)是以二、三維電子地圖為展示媒介，將灌區(qū)涉及的工程臺賬信息、灌區(qū)水情信息等各類監(jiān)測信息數(shù)據(jù)賦予空間維度，進(jìn)行更加形象直觀的展示，方便各級工作人員及時(shí)掌握灌區(qū)運(yùn)行管理情況；灌區(qū)可視化展示系統(tǒng)是將灌區(qū)各類數(shù)據(jù)以圖形或圖表的形式進(jìn)行統(tǒng)一的匯總，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析，直觀形象地反映灌區(qū)各存在因素的發(fā)展趨勢，研判黃河水量情況，為灌區(qū)管理者科學(xué)決策提供支撐。在軟件開發(fā)后期，還加入了通過手機(jī)App巡檢的功能。

4 存在問題及建議

（1）灌區(qū)缺乏信息化后期運(yùn)維經(jīng)費(fèi)。信息化建設(shè)資金主要來源于灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，未能單獨(dú)立項(xiàng)。信息化建設(shè)投資在續(xù)建配套和節(jié)水改造總投資的占比僅為3.5%，建設(shè)資金得不到保證[3]，上級部門應(yīng)進(jìn)一步加大投資力度，投資比重向信息化部分適當(dāng)傾斜。

（2）缺乏統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2021年新建設(shè)的83處支渠量測水系統(tǒng)，包括超聲波明渠流量計(jì)、電磁式明渠流量計(jì)及閘前閘后水位計(jì)3種類型，因設(shè)備較多，相關(guān)軟件平臺與灌區(qū)e平臺急需進(jìn)一步融合完善。

（3）對于測量精度較低的閘口，需探索新的測量方式。部分支渠因缺少測流建筑物建設(shè)條件，采用閘前閘后水位方式，利用引水閘流量計(jì)算公式進(jìn)行估算，測算精度低，后期可嘗試改用測控一體化閘門，提高測流精度。

（4）供電保證率較低。穩(wěn)定的電源供給沒有覆蓋所有的信息化設(shè)備，有相當(dāng)部分采用太陽能供電，受天氣影響大，需進(jìn)一步加大供電設(shè)備覆蓋率，提高供電保證率。

（5）沿渠線桿易損壞。光纜沿渠道架設(shè)，曾出現(xiàn)人為撞毀線桿、大風(fēng)等極端天氣刮斷光纜現(xiàn)象，導(dǎo)致信號傳輸發(fā)生中斷，可將架空電纜改為地埋，降低不利因素影響。

（6）部分設(shè)備老舊。由于信息化工程分年度逐年完成，時(shí)間跨度大，電子設(shè)備更新?lián)Q代較快，部分?jǐn)z像頭存在老化、像素低、變焦速度慢、夜視紅外功能弱等不足，需要及時(shí)更換新一代產(chǎn)品。

（7）缺乏專業(yè)維護(hù)人員。灌區(qū)沒有專業(yè)維護(hù)人員，有關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)只能找原安裝廠商技術(shù)人員，但出保修期后運(yùn)維費(fèi)用較高，需要加大人員培訓(xùn)力度，盡快構(gòu)建灌區(qū)信息化管理的專業(yè)力量。

5 結(jié)語

據(jù)了解，山東省大型引黃灌區(qū)通過多年的續(xù)建配套與節(jié)水改造工程實(shí)施，灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施已趨于完善，但多數(shù)灌區(qū)信息化建設(shè)能力尚存不足，成為灌區(qū)現(xiàn)代化改造的短板，這與水利部提出的“十三五”期間全面完成大型灌區(qū)信息化建設(shè)任務(wù)和以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化的總體要求存在差距[4]?！笆奈濉逼陂g引黃灌區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展，信息化建設(shè)必將是重中之重。依托現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S（遙感、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)）技術(shù)、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和軟件應(yīng)用技術(shù)，建立起完善的灌區(qū)信息化基礎(chǔ)設(shè)施、功能完備的灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和安全可靠的保障體系，成為未來灌區(qū)發(fā)展的目標(biāo)[5]。

本文希望通過系統(tǒng)總結(jié)典型灌區(qū)信息化建設(shè)過程及成果，梳理存在問題，為以后引黃灌區(qū)的信息化建設(shè)提供借鑒，助力灌區(qū)逐步實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)灌區(qū)到現(xiàn)代灌區(qū)的跨越式發(fā)展，逐步由“信息化”到“數(shù)字化”再到“現(xiàn)代化”，最終實(shí)現(xiàn)“智慧化”，推動(dòng)引黃灌區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展。