灌区农业节水与水价改革量测水系统 - 声学多普勒流速仪自动测量和分析系统

1)灌区量测水

灌区量测水是水资源管理的基础，是推进节水农业和水价改革的重要手段。常规在主要水闸处，监测闸前和闸后水位及闸门开启状态(闸位)，通过实时监测数据，计算过闸流量。要实现全灌区水资源动态配置、精准灌溉，需进一步加强量测水设施建设。

(1)站点布设原则

为准确掌握灌排水量开展水资源管理和调度，将在水源取水口(主水源，其他独立水源)、渠首、干渠交接断面、支渠口等关键位置进行水量监测。结合灌区建设的工程措施，对重建、改建、新建的干支渠以及渠道上的分水闸、涵闸等，配套设置量测水设施。

量水设施包括自动监测站和人工监测站，自动监测站通过物联网将采集信息上传到“云数据中心”，人工监测站由人工采集现场水量信息通过手持移动终端将信息上传到“云数据中心”实现数据汇集，为业务应用系统提供数据支撑。

(2)测流方式比选

灌区测流主要包括明渠测流和管道测流。目前明渠测流方法主要有：超声波时差法、声学多普勒流速剖面仪法、标准断面水位-流量关系法、堰槽法、水工建筑物测流法和比降面积法等；管道测流有超声波管道流量计和电磁管道流量计。

4 ?) H9 p% E: m/ T2 m, A

超声波时差法和声学多普勒流速剖面仪法二种测流方法可实现在线自动测流。两种测流方法相比，声学多普勒流速剖面仪法安装容易，投资小；时差法安装复杂，投资高，但精度和稳定性高。水工建筑物测流法和比降面积法在精度不高的要求下可以作为在线测流，堰槽法精度较高，但只能适用于较小的流量测验。

7 l) P: t4 \' }9 x# p7 X% E

标准断面水位-流量关系法通过选取符合一定标准的渠道或通过人工整治渠道，标准渠道中水流由于受渠段控制或某个断面控制，会出现水位流量关系相对稳定的现象。水位-流量关系法就是利用稳定的断面水位流量关系进行推流的方法，具有观测简便、水位监测技术成熟，易实现自动化监测，但测量精度差，率定工作量大。

9 [: q& N9 j/ B( P! H G

堰槽法目前灌区应用较多的有长喉槽和巴歇尔槽，适用于较小的流量监测，精度较高，但受淹没度影响较大。

$ N( Z9 \7 `: L3 V) h* q6 l& h6 T

水工建筑物(水闸)量水是较为经济、简便、避免二次水头损失的量水方法，采用闸门上下游水位和闸门开度，根据水力学公式自动计算过闸流量，通过多次率定修正流量系数，提高测量精度。水工建筑物(水闸)量水测量精度影响因素较多，率定工作量较大，故在测量精度要求不高场合，可作为自动测流。

管道测流目前应用较多：有超声波流量计和电磁流量计。超声波流量计测量范围较大、价格较低，测量精度较高；电磁流量计测量范围较小，价格较高，但测量精度高。

综合比较，结合工程实际，灌区测流方案选择为：

干渠渠首、干渠交接断面和重要支渠渠首的明渠测流采用超声波时差法测流测流；较小的支渠和较大的直灌口明渠测流，淹没系数0.9以下采用明渠智能量水器测流，淹没系数0.9以上的采用箱式超声波时差法测流或多普勒明渠流量计测流；泄洪闸、节制闸等采用建筑物测流。

1 b: I! n( W7 ?% m {: n% n5 V

(4)方案设计

a)框架结构

! S) O- X/ [1 {: N6 y6 M7 f

量测水自动监测系统由监测站、传输网络、数据接收处理中心(云平台)三部分构成。现场采集信息通过4G/5G方式上传到云平台信息中心。系统的基本组成框架见下图。

) C m) H( C, ]6 g2 G' [& _5 i) N z

量测水自动监测系统框架结构图

b)主要功能

①对灌区灌溉流量进行监测，集中显示各分水口支渠流量；

②现场数据采集频率可设置；

3 z2 G- J. C: u1 x" e

③通信中断时数据可在监测终端上存储；

④可输入时间进行历史特征值查询和时段水量查询；

⑤具有水位越限、电源欠压报警功能；

⑥通过物联网+互联网以自报方式向中心站上传数据和报警信息，所报信息自带站点的地址码和信息采集时刻标识；

2 y; S2 U S. _/ b

⑦可现场人工设置记录仪内参数，同时也可远程终端修改参数指令；

⑧可召测数据；

% i! }, b% }: n5 q# a6 m7 l7 y" A

⑨太阳能供电；

⑩防雷击功能；

⑪执行信息采集中心指针或时段查询指令上报数据；

⑫具有自诊断自恢复功能；

) n0 g9 e& A% G" V: k7 I

⑬具有为通信设备提供电源的能力；

: m* G2 v. G& n- z

⑭具有低功耗自动休眠功能。

c)自动流量监测站设计

$ ^$ C8 s& X. X

①流量监测站组成

灌区流量自动监测站主要设备包括RTU、传感器、4G/5G通信模块、太阳能供电系统等组成。灌区流量监测站典型结构见图下图。

# U+ n4 U' m- @# r

超声波流量监测站结构图

# x* M3 v2 Y2 i. S6 q* D

②流量监测站配置

+ N* {6 x4 W U) D

各种类型测流站点的配置见下表。

3 V; i$ y! P x, G$ U* X2 O$ ~* y

建筑物测流站点需要采集闸门前、后水位和闸门开度，相应功能将在闸门自动控制系统中实现，具体配置见自动监控系统部分。

标准断面水位流量关系法测流需采集测流点水位信息，具体配置同水位采集站点配置。

g' V" k) A( `' R9 r% V! ]

③工作模式

3 h# Y" @: K. A8 ?4 a

目前，自动监测系统工作体制通常采用自报式、应答式、自报/应答兼容式三种工作体制。本系统工作体制采用自报/应答兼容式。当水位或流量变幅超出设定值或有故障信息装置自动上报相关信息。

2 j8 ~% a4 g: z

④通信

, M- ?, J3 k8 y% V

根据现场通信现状和充分利用公网资源原则，流量监测站采用物联网4G/5G无线通信方式。

⑤供电

% c0 @# _+ W8 ]

根据现场交流电源情况及防雷要求，流量监测站均采用太阳能供电方式。

! n5 Y' ]0 T+ N2 Q

⑥防雷接地

流量监测站要求具有安全防雷措施和可靠接地装置，接地装置的接地电阻值不大于4Ω。避雷针和测站的设备接地分开不同点与接地装置可靠连接。各测站的电源及信号入口必须安装避雷装置，防止感应雷和雷电入侵，减少对系统的干扰和破坏。

8 r" A+ L" f) k! F$ S

, _3 D8 `. }5 o3 v. L' f# S2 T# c0 B / G) R$ Q, ^9 n. `/ M( }& n " C0 `$ s- L3 z; |9 }# E+ G! [1 ^