永幸河灌區(qū)灌溉溝渠測(cè)流方案比選

中圖分類號(hào)：S274.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）18-0141-05

Abstract：ThispapercombinesthecharacteristicsofwaterdiversionflowinYongxing RiverIrigationArea，relieson moderInternetof Thingstransmisiontechnology，andusesradarwaveflowmeasurementprinciplestorealizethebesttechnical solutionforopenchannelcross-sectionflowmeasurement.Throughactualcomparison，thecomparativeadvantagesofthisflow measurementtechnical solutionarelowconstructionandoperationcosts，theaccuracyofchannelcross-sectionflowmeasurement canmetcurrentnationalregulatoryrequirements，andtheperformanceoftheworkandoperationprocess isstableandreliable. ThiswillfurtherimprovetheautomationlevelandeffciencyoffowmonitoringinYongxingRiverIrigationAreainFengtai County，andsolvethebotleneckproblemofutomaticflowmeasurementinmaincanalsandbranchcanalsintheirigationarea under unattended conditions.

Keywords：Yongxing River IrigationArea;flowmeasurementmethods；open channels；Internetof Things；plancomparison and selection

鳳臺(tái)縣位于安徽省中部偏北，淮河中游，淮北平原南緣。鳳臺(tái)縣南臨淮河，轄西淝河，北以茨淮新河為界，西臨潁上縣，東與淮南市潘集區(qū)接壤，縣域呈東南、西北斜形，南北長(zhǎng) 50km ，東西寬約 42km ，面積 1100km² 耕地面積 46100km² ，水面16萬(wàn)畝（1畝約等于 667m² ）。鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)覆蓋地域面積廣、灌區(qū)溝渠干支線縱橫交錯(cuò)、星羅棋布，建設(shè)在主干渠系上的自動(dòng)化工程建設(shè)功能齊全，設(shè)備配備先進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率工作利用。而分布在偏遠(yuǎn)的渠系測(cè)流點(diǎn)交通便利性差，建設(shè)的測(cè)流站基本屬于無(wú)人值守看管地域環(huán)境。假設(shè)采用人工測(cè)流或半自動(dòng)測(cè)流方案，其投資建站運(yùn)維成本高、人工運(yùn)維工效低，測(cè)流數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)。為此開(kāi)展灌區(qū)灌溉溝渠測(cè)流方案比選工作符合灌區(qū)管理工作實(shí)際情況，通過(guò)灌溉溝渠測(cè)流技術(shù)方案比選工作能夠有效提升灌區(qū)測(cè)流站點(diǎn)建設(shè)功效，實(shí)現(xiàn)低成本建設(shè)，高精準(zhǔn)工作效率要求，通過(guò)典型技術(shù)方案比選分析，可實(shí)現(xiàn)測(cè)流站點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)約工程建設(shè)運(yùn)維投資成本，極有利于提升工程管理效率。

1灌區(qū)溝渠傳統(tǒng)測(cè)流方法應(yīng)用簡(jiǎn)介

灌區(qū)灌溉溝渠傳統(tǒng)最常用測(cè)流方法有標(biāo)準(zhǔn)堰槽、水工建筑等測(cè)流方法，該方法需要通過(guò)水位與水工建筑物參數(shù)關(guān)系來(lái)推算流量。測(cè)流前需要建設(shè)穩(wěn)定自然流場(chǎng)測(cè)流區(qū)段和堰槽，不能保證長(zhǎng)期有效的清淤和測(cè)流段堰槽前后渠段修型，這類測(cè)流方式土建成本高，后期維護(hù)和防治清淤破壞的難度較大，不宜大量普遍采用（圖1）。

2灌區(qū)灌溉溝渠全自動(dòng)測(cè)流方案應(yīng)用簡(jiǎn)介

2.1 自動(dòng)軌道測(cè)流法

自動(dòng)軌道測(cè)流法工作原理是利用電機(jī)自動(dòng)控制裝置與驅(qū)動(dòng)鉛魚(yú)流速儀的組合工作實(shí)現(xiàn)總成型測(cè)流裝置，現(xiàn)階段最常見(jiàn)的有自動(dòng)軌道車(chē)驅(qū)動(dòng)式測(cè)流和自動(dòng)纜道滑輪驅(qū)動(dòng)式測(cè)流。其裝置弊端主要體現(xiàn)在機(jī)電一體化技術(shù)性復(fù)雜，使用過(guò)程故障率高，流速儀旋槳易受水面漂浮物纏繞干擾因素影響，完成全程無(wú)人全自動(dòng)測(cè)流工作的可靠性概率較低，日常運(yùn)行需要較多的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)工作，并且不能滿足 5min 測(cè)流周期（每天動(dòng)態(tài)測(cè)流運(yùn)行288次）的應(yīng)用要求，即使15min 的測(cè)量周期（每天動(dòng)態(tài)測(cè)流運(yùn)行96次）也會(huì)造成很高的機(jī)械磨損和故障率，不宜設(shè)計(jì)采用（圖2）。

2.2 超聲波H-ADCP法應(yīng)用簡(jiǎn)介

超聲波H-ADCP法是一種利用超聲波多普勒原理在渠道剖面橫向斷面測(cè)量水體流速的方法，可以實(shí)現(xiàn) 5min 采樣周期的流量監(jiān)測(cè)要求。基本原理是：河床側(cè)向安裝的H-ADCP通過(guò)感測(cè)水體下 60% 深度位置的水平扇面代表流速與同時(shí)人工實(shí)測(cè)的斷面平均流速推算率定出相關(guān)系數(shù) K ，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)感測(cè)的實(shí)時(shí)水深、H-ADCP水平代表流速、相關(guān)系數(shù) K 來(lái)計(jì)算剖面的斷面流量（圖3）。

由于H-ADCP橫向代表流速與剖面平均流速之間沒(méi)有相關(guān)水文測(cè)驗(yàn)建模理論支撐，僅依靠實(shí)驗(yàn)建立相關(guān)系數(shù) K 值關(guān)系，難以做全量程連續(xù)水深變化的精細(xì)化 K 值函數(shù)率定，因此不適合本灌區(qū)河道水位變幅很大的自動(dòng)測(cè)流應(yīng)用；H-ADCP感測(cè)的水平代表流速值精度也無(wú)數(shù)據(jù)誤差比測(cè)方法，難以進(jìn)行H-ADCP的儀器運(yùn)行維護(hù)；如果設(shè)計(jì)機(jī)電一體化裝置驅(qū)動(dòng)H-ADCP傳感器跟隨水深變化保持在水下 60% 深度工作位置，水體中的泥沙沉積和雜物纏繞將導(dǎo)致自動(dòng)跟蹤裝置高故障率。因此，雜物很多、水位變幅很大的河道不宜采用H-ADCP測(cè)流方法。

2.3 超聲波時(shí)差法應(yīng)用簡(jiǎn)介

超聲波時(shí)差法基本原理是：沿河道左右岸側(cè)面一定水深位置安裝超聲波收發(fā)探頭，通過(guò)時(shí)差測(cè)量單層水深的流速作為代表流速，由于單層橫向代表流速與剖面平均流速?zèng)]有理論相關(guān)性無(wú)法建模，因此工程應(yīng)用中一般會(huì)根據(jù)河渠的極限水位高度不同，以水深0.5m 左右分層間隔距離設(shè)置多對(duì)橫向超聲波探頭陣列探頭并布線，通過(guò)累計(jì)各層的流速計(jì)算剖面平均流速，再根據(jù)實(shí)際水深推算斷面流量。這種方法可以滿足 5min 的監(jiān)測(cè)周期要求，本方法不適用于附近沒(méi)有橋涵的較寬測(cè)流斷面安裝，橫穿較寬河道左右岸的信號(hào)電纜安裝和維護(hù)困難；自然河渠測(cè)流斷面的左右岸條件需要做岸坡土建整形或砌襯工程，成本和工期較大；輸水河道的淤積物和雜物將破壞復(fù)雜的成對(duì)探頭陣列。灌區(qū)河渠中不宜采用。

2.4 雷達(dá)式水位、流速法

雷達(dá)式水位、流速法是一種渠道剖面垂線法雷達(dá)多普勒原理流速法，可以實(shí)現(xiàn) 5min 采樣周期的流量監(jiān)測(cè)要求?；驹硎牵浩湓诠喔葴锨y(cè)流斷面的水體上方架設(shè)安裝懸臂式支架、二合一雷達(dá)傳感器、平板陣列天線雷達(dá)用來(lái)測(cè)量水位，多普勒雷達(dá)用來(lái)感測(cè)水體表面流速，然后通過(guò)相關(guān)性函數(shù)計(jì)算出流速點(diǎn)下的垂線平均流速，利用具有水位測(cè)驗(yàn)理論相關(guān)性的測(cè)流模型，通過(guò)垂線平均流速計(jì)算出斷面平均流速，再利用雷達(dá)水位數(shù)據(jù)結(jié)合測(cè)流河道剖面模型計(jì)算出斷面流量（圖4）。

這種非接觸式河渠測(cè)流法維護(hù)成本、故障率低，可以采用走航式ADCP做表面流速和斷面流量數(shù)據(jù)的精度比測(cè)、建模參數(shù)率定，不受河渠淤積和雜物影響，無(wú)需渠道土建施工，建設(shè)成本較低，后期運(yùn)維工作量和成本甚微，宜在野外無(wú)人監(jiān)管區(qū)的干渠、支渠上大量建站。

2.5 自動(dòng)測(cè)流方案比選

灌區(qū)河渠斷面測(cè)流方案眾多，從測(cè)流斷面條件、物理感知原理、建設(shè)運(yùn)維成本和數(shù)據(jù)精度和可靠性等灌區(qū)自動(dòng)測(cè)流站建設(shè)需求層面做技術(shù)分析，見(jiàn)表1。

鳳臺(tái)縣境內(nèi)河、渠、湖和塘水系復(fù)雜，灌區(qū)河渠同時(shí)兼有防洪排澇和抗旱灌溉功能，以及自排、自灌、機(jī)排和機(jī)灌4種混合調(diào)度模式，河渠測(cè)流量水和水資源管理需求非常迫切。

參照表1，根據(jù)鳳臺(tái)縣灌區(qū)河渠較寬、水位和流量變幅很大、漂浮雜物很多、河渠流向變化頻繁和人工砌襯岸線比例不高等渠系情況，永幸河灌區(qū)主要選用雷達(dá)式測(cè)流法進(jìn)行自動(dòng)測(cè)流工作。

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

3.1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

鳳臺(tái)縣永幸河灌區(qū)自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)的組成主要包括：智能感知層，物聯(lián)網(wǎng)傳輸層和應(yīng)用管理層，系統(tǒng)站網(wǎng)及通信組網(wǎng)如圖5所示。

3.2 自動(dòng)流量遙測(cè)站

3.2.1 水位、流速智能感知

采用BC-21型雷達(dá)式水位流速一體化傳感器廣泛應(yīng)用于 50m 以下天然河道、人工渠道、排水涵道的水位流速感測(cè)。

技術(shù)規(guī)格如下：水位范圍： 0.5～40m ；水位精度：±3mm ；流速范圍： 0.03～20m/s ;流速精度： ±0.01m/s ±1%FS ；流速誤差： ?1%（0.01m/s） ；測(cè)量時(shí)間： 0～180s 可設(shè)定；采樣周期： 0～300min 可設(shè)定；雷達(dá)天線：平面微帶陣列天線；雷達(dá)頻率：K波段；波束角度： 12^° ；智能接口：RS485/RS232，Modbus協(xié)議;數(shù)據(jù)接口： 4～20mA 模擬量；自動(dòng)補(bǔ)償：內(nèi)嵌水平垂直姿態(tài)傳感器，自動(dòng)校正水平安裝誤差；工作電壓： 7～30VDC ；工作電流：運(yùn)行狀態(tài) ?90mA ，休眠狀態(tài) ?1mA ；工作溫度： -35～ 70% ；設(shè)備保護(hù)：鋁合金外殼， 6kV 防雷等級(jí)。

3.2.2物聯(lián)網(wǎng)智能遙測(cè)終端

采用BC-3201型物聯(lián)網(wǎng)智能遙測(cè)終端（RTU），并采用低功耗ARM處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、先進(jìn)無(wú)線通信技術(shù)，滿足水信息管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)男枨蟆?/p>

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

主要功能如下。

1）遠(yuǎn)程管理：采用手機(jī)APP軟件，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接RTU，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)配置和設(shè)備控制，支持RTU的遠(yuǎn)程固件版本升級(jí)。

2）物聯(lián)網(wǎng)信道：板載嵌入4G全網(wǎng)通或IoT，支持北斗衛(wèi)星短報(bào)文、VHF多遙測(cè)信道自動(dòng)備份、切換；支持自報(bào)式、應(yīng)答式、兼容式3種遙測(cè)工作模式；支持多路多協(xié)議并發(fā)數(shù)傳功能，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多中心通信，同時(shí)滿足與不同遙測(cè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)中心站數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

3）固態(tài)存儲(chǔ)：板載2年以上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，支持USB口及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載轉(zhuǎn)存。

4）智能自檢：提供設(shè)備自動(dòng)校時(shí)，運(yùn)行電壓、溫度、件狀態(tài)自檢告警。

5）智能模型：RTU內(nèi)嵌入AFMM流量模型和AFMS流量計(jì)算引擎軟件，實(shí)現(xiàn)表面流速法、垂線法河渠大斷面測(cè)流功能，滿足超聲波ADCP、雷達(dá)多普勒流速傳感器的測(cè)流站一體化集成建設(shè)要求。

RTU技術(shù)規(guī)格如下：脈沖輸入接口：2路，支持單、雙信號(hào)翻斗式雨量計(jì);并行輸入接口：1路，支持12位全量格雷碼編碼器水位計(jì)；狀態(tài)輸出接口：2路;O.C.接口， 12～24V/0.5A 驅(qū)動(dòng)；模擬輸入接口：8路12位，4～20mA ;智能通信接口：1路USB、2路RS-232、2路RS-485；現(xiàn)地?zé)o線接口：板載嵌入1路藍(lán)牙、1路Lora;遙測(cè)通信接口：板載嵌人1路4G全網(wǎng)通或IoT物聯(lián)網(wǎng);獨(dú)立日歷時(shí)鐘：獨(dú)立鋰電池供電，年誤差小于 2min ;輸入電壓范圍： 6～36VDC ;運(yùn)行功耗范圍：值守功耗小于0.1W（不含遙測(cè)、無(wú)線和智能接口）；可靠性MTBF：大于 50000h ;工作環(huán)境溫度： -30～+70ΩC 。

3.2.3 雷達(dá)測(cè)流站組成結(jié)構(gòu)

垂線法雷達(dá)式自動(dòng)流量遙測(cè)站采用水位流速二合一雷達(dá)式非接觸感測(cè)方式一體化設(shè)計(jì)、制造、安裝，專用于 60m 以下的灌區(qū)河渠斷面自動(dòng)流量遙測(cè)站建設(shè)，滿足灌區(qū)測(cè)流精度要求。

灌區(qū)自動(dòng)測(cè)流站主要設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖7和表2所示。

3.2.4站點(diǎn)測(cè)流站功能、原理

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)，向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)。2）現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)試指令。灌區(qū)自動(dòng)測(cè)流站智能系統(tǒng)原理示意圖如圖8所示。

河海大學(xué)AFMM和AFMS智能測(cè)流系統(tǒng)軟件嵌入RTU，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)筆記本創(chuàng)建、率定和導(dǎo)人AFMM測(cè)流模型，AFMS計(jì)算引擎根據(jù)RTU采集的雷達(dá)水位、流速值演算輸出斷面實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)，向中心站數(shù)

據(jù)平臺(tái)發(fā)送流量值。

手機(jī)APP可以遠(yuǎn)程率定和比測(cè)流量數(shù)據(jù)，AFMS自動(dòng)學(xué)習(xí)優(yōu)化測(cè)流數(shù)據(jù)精度。

3.2.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)

1）選址測(cè)流斷面，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制混凝土基座。2）太陽(yáng)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(cè)終端上電，配置參數(shù)，測(cè)試?yán)走_(dá)傳感器的讀數(shù)。6）升起懸臂并固定，測(cè)試流量和發(fā)送遙測(cè)流量數(shù)據(jù)。

3.3灌區(qū)中心測(cè)流管理平臺(tái)

3.3.1 客戶端管理

B/S架構(gòu)的灌區(qū)監(jiān)控中心應(yīng)用軟件平臺(tái)PC客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)測(cè)流站、防汛抗旱、水資源和應(yīng)急管理等綜合管理功能（圖9）。

手機(jī)APP測(cè)流模型管理器可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)支持RTU端測(cè)流模型創(chuàng)建、參數(shù)率定、測(cè)流斷面的剖面導(dǎo)

入等遠(yuǎn)程管理功能（圖10）。

3.3.2 手機(jī)APP端管理

4結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)通信、智能終端及測(cè)流模型在鳳臺(tái)永幸河灌區(qū)的創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用，解決了鳳臺(tái)智慧水利信息化系統(tǒng)與省市已建新建水利信息系統(tǒng)之間的“數(shù)據(jù)孤島\"問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)自動(dòng)測(cè)流、遠(yuǎn)程設(shè)備管理和控制功能。雷達(dá)式自動(dòng)測(cè)流站系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維成本較低，采用具有科學(xué)理論支撐的垂線法測(cè)流模型，可滿足灌區(qū)測(cè)流的精度要求，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、通信費(fèi)用低和運(yùn)行功耗低，野外防雷抗干擾能力強(qiáng)、可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，值得在數(shù)字孿生智慧灌區(qū)項(xiàng)自設(shè)計(jì)和建設(shè)中推廣應(yīng)用。

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