灌区分水闸量测水自动监测系统设计及应用

刘怀利

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院 合肥 230088）

随着物联网、云计算、大数据等信息技术的发展，将传统的灌区取水人工测量升级为智能化高精度量测水已经成为可能。灌区输水具有明渠、涵洞、涵闸、管道等多种方式，传统灌区明渠取水计量多采用人工缆道测流方式，具有测站造价成本高、需要人工现场观测以及不能实时计量等问题。本文针对灌区在明渠方式下通过分水闸放水，开展了量测水技术研究及自动监测系统设计开发。该系统具有经济简便、可靠稳定和实时在线监测等特点，已成功应用对于安庆市花凉亭灌区、明光市分水岭水库、定远双河水库灌区等安徽省内多个大中型灌区测量水，对于及时、准确地掌握灌区的水情，实时拟定最佳的配水方案，提高灌区用水的管理水平具有重要的意义。

1 测流方法原理

灌区过闸水流一般情况下呈现“有闸潜流、有闸自由流、无闸潜流和无闸自由流”四种不同水流状态。灌区分水闸门测流是通过测量水工建筑物上下游水位，根据水流的流态（有闸潜流、有闸自由流、无闸潜流和无闸自由流），选用不同的流量计算公式。流量系数可根据流速仪法实测建筑物出流量和实测水头等水力因素，用水力学公式计算得出。当水流均匀恒定时，过流流量可由水位和闸门开度确定。通过人工观察，根据闸门是否阻水确定是否有闸控制自由流和潜流，是根据在有闸控制时闸后返回的水跃是否淹没闸门底边阻碍闸门出流来判定的；在无闸控制时，根据闸后返回的水跃是否淹没到闸槽位置阻碍过闸水流来判定。

对于分水闸有闸控制自由流流态下的流量，可由公式（1）计算得出：

式中：Q 为过闸流量（L/s）；H0为上游水深或闸前水深（m）；H为闸门开度（m）；μ 为流量系数；B 为闸门宽度（m）；g 为重力加速度9.8。

对于分水闸全开自由流流态下的流量，可由公式（2）计算得出：

式中：Q 为过闸流量（L/s）；H0为上游水深（m）；μ 为流量系数；B 为闸门宽度（m）；g 为重力加速度9.8m/s2。

对于分水闸有闸控制潜流流态下的流量，可由公式（3）计算得出：

式中：Q 为过闸流量（L/s）；H0为上游水深或闸前水深（m）；H1为下游水深或闸后水深（m）；H为闸门开度（m）；μ 为流量系数；B 为闸门宽度（m）； g 为重力加速度9.8m/s2。

对于分水闸全开潜流流态下的流量，可由公式（4）计算得出：

式中：Q 为过闸流量（L/s）；H0为上游水深或闸前水深（m）；H1为下游水深或闸后水深（m）；μ 为流量系数；B 为闸门宽度（m）；g 为重力加速度9.8m/s2。

2 设计思路

灌区分水闸量测水自动监测系统主要由信息采集、网络传输、数据积算储存、信息平台4 部分组成。其中信息采集主要通过在分水闸的上下游布设水位自动监测站以及在闸门布设开度自动监测仪来实时采集水闸的上下游水位和闸门开度信息。要求闸前、闸后水位计安装于距离闸门约等于1/4 单孔闸宽的位置，（闸后水位计距离闸门不得超过40cm）。水位传感器是进行闸前、闸后水位测量的仪表，用于渠道水位测量的传感器形式有浮子式水位计、压力式水位计、气泡式水位计或超声波水位，考虑可靠性与稳定性，一般使用浮子式水位计。闸位传感器是进行启闸高度测量的仪器，启闸高度测量的原理是将闸门的上下移动位置转化成与之对应的旋转角度，然后送入光电编码器转变成数字编码，接入闸门量水开度仪表。

水位计仪表和闸门开度仪表应有液晶显示屏，可现场显示采集到的水位、闸门开度的实时数据，并具有RS485 数字通信接口（modbus 通信协议）。通过有线电缆方式，将水位计仪表和闸门开度仪表链接至水量积算遥测终端，将采集到的水闸上下游水位值、闸门开度值传输至水量积算遥测终端。再根据过闸水流状态，选择相应的流量计算公式，设定流量系数值、闸门宽度值，最后通过算法编程由水量积算遥测终端自动积算出过闸流量值。

水量积算遥测终端对积算出的实时流量数据（瞬时流量值、累计流量值）进行储存和现场液晶大屏显示，并内嵌4G 无线传输模块，将流量数据、水位数据、闸门开度数据远程传输至监测信息平台。监测信息平台应用管理软件对接收到流量数据、水位数据、闸门开度数据进行查询、展示和生成报表等，并可通过手机APP 实现移动查询和应用。

3 水量积算遥测终端设计

水量积算遥测终端是系统的关键核心设备，直接影响灌区量测水的精准性和可靠性。考虑到设备成本和可靠性，采用嵌入式技术设计研制水量积算遥测终端，由ARM 控制器、数字信号I/O 接口模块、存储器、智能软件算法模型、嵌入式Linux 软件、触摸液晶大屏、电源模块等软硬件组成，结构图见图1。

图1 水量积算遥测终端组成结构图

数字信号I/O 接口，主要为RS485 通信接口，采用modbus 协议，采集水位计仪表和闸门开度仪表的水位实时数据和闸门开度实时数据；电源模块用于电压转换和系统供电，将220V 交流电转换为12V直流电，为水量积算遥测终端各电子元器件供电；ARM 控制器用于数据的采集转换和流量积算等；存储器用于对采集的水位、闸门开度、流量等数据进行存储；液晶触摸显示屏用于对水位、闸门开度、流量等进行直观展示，以及设置流量系数、闸门宽度等。

流量积算模块为采用特定算法，通过软件编程利用ARM 处理实现过闸流量的智能计算。算法原理为根据“有闸自由流、全开自由流、有闸潜流和全开潜流”四种不同水流状态，选择对应的流量计算公式。根据设置的流量系数、闸门宽度，以及采集的上下游水位值、闸门开度值，即可自动计算出实时过闸流量。

4 监测信息平台设计

配置服务器、磁盘阵列、网络设备、防火墙等相关平台硬件设备实现对灌区分水闸流量相关信息的接收、存储和处理。开发基于B/S 构架的平台应用软件，实现多种信息的发布、查询、统计和分析功能，采用WEBGIS 为基础，在发布的电子地图上标注灌区分水闸的空间分布。

（1）实时监测模块。在GIS 地图上，展示灌区水闸及分水口具体分布位置；点击位置图标，可展示该水闸的基础信息。查询基础信息包括水闸类型、工程级别、现场照片等。

（2）查询统计模块。可实时采集分水闸监测点实时信息，并以多媒体和直观的专业图表等方式在WEB 网页上自动显示。可浏览动态网页，观察分水闸的上下游水位值、闸门开度值、瞬时流量、累积流量、采集时间、现场视频图像等信息。可选择查询任一时段内，灌区分水闸的所有开闸时间、关闸时间记录和台账，以及闸门开度值和取水量数据。

（3）统计报表模块。可以通过设定时间段，查询灌区分水闸的总放水量等信息；可以查询指定时间段内各水闸的开关闸信息和上下游水位信息，并可以按标准模版形成统计报表，同时支持报表Excel文件导出打印。

（4）移动查询系统APP。开发基于Android 系统的灌区分水闸量测水监测移动系统APP，具有地图浏览查询、地图导航、水闸基础信息查询、闸门开度查询、上下游水位查询、放水量统计等功能，可配置与手机、Pad 等移动终端上应用，实现随时随地查询和掌握水闸的状态及放水量等信息。

5 结语

灌区分水闸量测水自动监测系统已成功应用于安徽省内多个大中型灌区，在实际应用中取得了较好的效果。该系统的应用改变了以往人工现场记录开闸时间和人工统计推测水量的情况，降低了人员工作强度、提升了工作效率。在系统实际应用中，为保障量测水精度，需做好流量系数的检测及率定工作。流量系数现场率定，可用流速仪法实测建筑物出流量和实测水头等水力因素，用水力学公式计算，通过多次测验，分析流量系数规律，建立流量系数与有关水力因素的相关关系。当有多种形式的泄水建筑物混合出流时，应逐个率定流量系数。

现场率定的流量系数相关因素关系线，在使用过程中，关系线稳定的，应每隔5～10年进行一次检测；关系线不够稳定的，应每隔2～5年进行一次检测；当发现水工建筑物尺寸、形状、糙率变化时，应及时检测。每条流量系数关系线每次检测，用于检验的测点数应不少于10 个。可用《水文资料整编规范》（SL247-2012）中规定的t 检验法进行检验