水资源管理智能流量水位控制系统在灌区中的应用

杨 军

在现阶段生产或研究中，为节约水资源和能源，建立和完善现代水资源和能源控制与计量技术手段已经引起专家学者特别重视。在实现上述技术手段的过程中，其中一个重要问题是要在测量开放灌溉网络中的水位和流量方面建立一个符合技术流程要求的智能系统，以便高效、精准的测量，同时减轻测量人员工作量。从这个角度出发，开发一个多功能的智能系统来监测和测量开放灌溉网络中小渠道的水位和流量是非常重要且十分必要的。

世界范围的相关研究人员长时间以来进行了大量研究工作，以降低土地复垦设施管理和控制方面的实施成本，改进其技术特性，发展节约水资源和能源资源的有效计量系统。在这方面，我们也有必要研究创建先进的智能控制和测量系统，使其能在开放式灌溉网络中测量水位和流量时提供高灵敏度和准确性数据，有效节约水资源和能源资源。为达到有效利用现有水资源，提高生产力，减少灌溉网络的电力消耗的目的，必须引进数字信息和测量系统、大型自动控制监控系统，建设水工建筑物，以确定实际水量，智能控制各级水回收设置的水位和流量等。当前指标（水位和流量、管道中的瞬时压力）的操作确定是一个相对复杂的过程。指标的数字显示、接收数据的自动化程度和优化问题尤为重要。

本文相关实验研究基于玉山县七一灌区某河道进行，对相关理论进行了实验验证，确保本文提出的控制与测量智能系统具有稳定性和实用性，为后续研究奠定基础。

1.研究方法

此次研究所用智能系统的主要元件是一个数字单片机，带有内置的独立存储器、液晶显示器。该单片机安装在位于中央控制面板(CCP)上的液压测量柜的前面板上。测量水位的双参数谐振电磁传感器(IDP-27)和测量水流的超声波传感器(US-800)分别位于取水口的上游和下游。水位传感器安装在出水口的闸门上，根据闸门的开启和关闭来工作。它将测量到的机械幅度脉冲直接传送到电子模块，信号在电子模块中进行处理并传送到单片机。水流传感器用于控制进水口和出水口的水流。两个双参数谐振电磁传感器通过射频电缆同轴连接到电子模块，电缆长度为200m。水位传感器按位置分组，并配备控制传感器。在控制传感器中，使用金属膜片记录的水柱高度为1m如图1所示。

图1 排水点水位流量智能控制系统结构分布简图

值得注意的是，所有水位传感器都配备有可以稳定外部水量变化的特殊阻尼装置。

电子模块与水流传感器相连，并且传感器控制通过出口的水流流量。这些传感器用液压装置连接到泄水点的出水口，并各自配备有阻尼器装置。US800型流量计工作原理主要是基于测量超声波振动脉冲在运动流体中传播的时间。超声波脉冲在流体运动的正向和反向传播时间之差与流速成正

比。

电子模块的功能如图2所示。单片机通过3条独立的线路与电子模块相连，其中每条线路有24条通信线路。通信线路可用于控制双参数电磁共振传感器中激励脉冲的产生，并计算间隔时间下降（取决于测量水柱的高度）和仪表读数。0.5V的信号沿着3条通信线路发送到单片机的模拟输入端。3个1000Ω的电阻连接到水流传感器的电流输出端，以稳定信号。

图2 电子模块功能方案

2.结果与讨论

未验证上述所提出的控制与测量智能系统的稳定性和实用性，本章将实地运用该系统，以玉山县七一灌区某河道为研究对象，对灌区水位和流量测量分析，并与实际情况进行对比。新的自动化智能系统控制河道中的水位和流经液压装置的水量，旨在执行以下功能：

一是确定河道上、下游的水位；二是确定流经排放点的水量，如图3和图4所示；三是计算和传输控制信号，以打开其参考装置，同时考虑排放点的个别特性，以获得最大F.I.K；四是收集通过排放点的每日、每月和每年的水流指标。同时，在测量耗水量时考虑中断情况；五是根据操作人员的要求，将收集到的数据信息自动传输到显示器上，将每日、每月、每年的水流指标输入系统内存中，并实时传输到取水口、排水口控制面板上的中央计算机。从单片机的数模转换器的输出沿一条通信线路，电子模块发出3个信号，这些信号及时形成，以打开每个液压单元的参考装置。这些信号最终落入液压单元的状态控制电路中。

图3 薄阀输水装置

图4 开放式灌溉系统水位流量自动控制方案

图3所示各元件分别为1：电动机；2：闸门门板；3：连接块；4：底板；5：钢绳卷轮；6：钢绳；7：闸门框架；8：传动装置固定。

为了增加系统的可靠性，控制系统配备了备用单片机和电子模块、水流传感器和电磁传感器。电子单元从流量传感器和水位传感器生成原始数据，而单片机将初始数据处理到底。

由于水流水位控制系统是出口工艺装置的重要组成部分，其数据处理算法和数据传输均考虑了复杂系统中的不同情况，例如停机、不稳定模式、信号的不同变化等。单片机每10s扫描一次所有传感器。在这种情况下，每个传感器的数据被多次检索，快速变化的测量误差被最小化，缓慢变化的误差可被直接消除。该系统算法的设计方式是，如果一个水位传感器失败，数据将连接到第二个传感器和系统性能确定的、使用特定系数在指定的程序上使用的控制传感器。

图4所示各元件分别为1：命令单元；2：比较单元；3：采样器；4：传感器；5：零均值化；6：调整器；7：磁力开关；8：可逆式电机；9：液压闸门。

作为对现有的测量明渠用水量和水位方法科学研究的结果，我们写出表达明渠上游和下游水流量变化的方程：

式中：

m=0.42，为输水点水流系数(通过实验确定)；

w—宽度；

g—重力加速度；

hnacm.max—河道底部的最高水位。

其中：

ΔH—下游水位与其最小值之间的差；

HBmin—上游水位的最小值。

式中：

hHmax—上游水位的最大值。

在运用新的自动化智能系统对玉山县七一灌区某河道实地实验后发现，单片机单元屏幕显示的水位和流量信息如表1所示。

表1 单片机单元屏幕显示水位和流量信息

表1所示为单片机单元屏幕信息，其中具体显示的信息分别为，(25∶12)—日期；(G1=1.86m3，G2=1.5m3)—明 渠排水区的水流流量；(HH=2m，HL=1m)—上下游水位。

上述公式所用系数的大小是根据对水位传感器所在区域的水温和气温的观察进行多年实验的结果而采用的。流量大小取决于水流和每个出水口的个性化特征。单片机单元的屏幕显示有流量、流经每个水点的最低和最高基准水位以及日期的信息，此信息每分钟更新一次。显示的数据屏幕如表1所示。

综合上述分析，根据方程(1)、(2)和(3)构建了图5中的图表，这些方程表示了明渠下游和上游水位的水流变化。文中所述智能控制系统也可以直接连接到计算机。他使用C++来控制所需的参数。

图5 流量和水位与液压闸门旋转角度关系图

目前，全球气候的剧烈变化导致水资源短缺问题愈发严重，气候变化对水资源产生的巨大影响与应对这种影响的有效方法已经在国际上取得普遍关注。同时，水资源短缺也是中国可持续发展面临的重大战略问题。据统计，我国作为人口大国，人均水资源量仅为世界平均水平的28%，水资源利用方式较为粗放，水资源短缺问题日益严重，是一个严重缺水国家。为解决我国日益复杂的水资源问题，必须实现水资源的高效利用和有效保护。

通过应用本文提出的自动化智能系统，能够有效地缩短实时水位和流量变化的反应周期、减少工作人员工作量、减少人为设计失误、使管理者高效搭建质量评估体系、提高用水效率。此外，由于该系统具有实时反应的能力，极大提高了管理者对水资源的管理与优化能力，达到节约用水、高效用水的目的。

3.结论

本研究提出了一种明渠水位控制与测量智能系统的结构方案。该结构方案将为开发有效的算法和软件工具奠定基础。这些算法和软件工具是由智能传感器组成，用于明渠中水流和水位的控制和测量，具有较高的精度和灵敏度。

明渠水流与水闸转动角度的关系曲线由5次表达式组成，通过分析计算得到相关系数R2=0.9994。这证实了理论曲线图和实验图的相互充分性。

在明渠水流和水位控制智能系统中，操作员与系统的通信是通过单片机进行的，使用位于显示器和单片机模块面板表面上的两个按钮。根据操作员的SET(设置)按钮给出的命令，显示当前水流量，再次按下该按钮时，将显示前一个月和几年的水流量数据，这简化了控制人员的工作。

改进后的智能控制系统的主要优点是增加了测量的准确性，显著减少过剩的水流流失，有效减少水资源和能源资源低效使用，并允许用户在必要时能及时获得必要的信息，以便对实时的水流情况做相应处理。

在灌区试验后，研究发现，本文提出的自动化智能系统，能够有效降低工作人员工作量、减少人为设计失误、提高用水效率，达到节约用水、高效用水的目的。