自动化测流系统在簸箕李灌区中的应用

魏守民，徐建辉

（滨州市簸箕李引黄灌溉管理局，山东 滨州 251700）

簸箕李引黄灌区位于黄河下游左岸，山东省滨州市西部,南依黄河、北抵渤海，南北长130 km，东西平均宽17 km，设计灌溉面积10.90万hm2，有效灌溉面积5.13万hm2，是山东省大型引黄灌区之一。灌区涉及惠民、阳信、无棣3 县24个乡镇、103万人。经过50年的建设，灌排系统已初具规模，具备一定的引、蓄、供、排能力。通过黄淮海农业开发和世界银行贷款项目的实施，形成了较完整的引水、输水、蓄水和灌溉示范四大工程体系，年水利净效益达3亿元。灌区引黄干渠全长145.5 km，总干渠设计过水流量75 m3/s，加大流量85 m3/s。目前，干级渠道上设有4个县界测流站、5个渠道管理所，同时在总干渠、一干渠、二干渠的进出水口和县界水量交接处及部分重要渠段、支渠引水口等共设有水沙测试取样站点20个，基本涵盖了灌区骨干渠系不同设计断面参数情况下水沙运行的不同模式，自上而下形成了灌区的测水量水网络。

灌区自1959年兴建以来，先后经历了采用浮标及建筑物经验曲线量水、人工吊流速仪配铅鱼测水和水文缆道自动化测水。目前，灌区的测流方法为：县界测流站采用流速仪测水，测流点采用建筑物量水、流速仪校核。2001年，灌区石皮测流站率先安装了EKL—1 水文缆道综合控制台，建成了由缆道、水文绞车、流速仪、联机通讯模块和计算机系统组成的半自动测流平台，可以进行半自动和手动测流控制。其他测流站点的自动化测流设备还有待于进一步配套完善。为适应新形势下灌区管理和改革的需要，建设节水生态型现代灌区，逐步实现灌区水沙监测自动化、科技化的目标，需研制一套适应黄河水特性的全新、智能化的水量测量监测系统。

1 自动化测流系统构架

利用灌区信息化建设的契机，经过综合考察和调研，簸箕李灌区管理局与一公司合作，开发出了一套契合灌区渠道测流的自动化测流系统。此套系统安装在簸箕李灌区二干渠陈谢测流站，控制室设在陈谢站综合办公楼二楼，测流方法采用国内外广泛采用的流速仪法。与此系统配套的测流标准断面为梯形明渠，渠段采用混凝土板全断面护砌，几何尺寸为：底宽17 m，渠口宽28.2 m，边坡1︰2，渠底比降1/7 000，设计水深2.2 m。

1.1 测流系统组成

测流系统由行车轨道、测流车、水位测量装置、行车限位装置、无线通讯设备、PLC处理器、控制计算机及上位软件等8 部分组成。系统结构见图1。

1）行车轨道。由横跨渠道两岸的钢结构桁架拼装而成，用于测流车行走。桁架底面安装供电导轨，为测流车供电。

2）测流车。由驱动电机、驱动轮、行车传感器、铅鱼、收放电机、收线器、限位开关、位移传感器、流速仪、控制箱、护罩等部件组装而成，可在行车导轨上顺畅行走。其工作原理：当操作员控制测流车行走时，控制箱收到指令，S7-200PLC 控制主电路接触器吸合，驱动电机带动驱动轮旋转，测流车行走，行车编码器实时测量车行走距离；当操作员控制收放铅鱼时，S7-200PLC 控制次电路接触器吸合，收放电机控制铅鱼下放或收起，位移传感器实测铅鱼移动距离，当铅鱼下放探底或回收到位后，限位开关动作，收放电机自动停止。本系统流速仪采用旋桨式流速仪。

图1 系统结构框图

3）水位测量装置。由超声波液位计、支架、自收缆浮子水位计、保护桶、水尺6 部分组成。

4）行车限位装置。包括前、后两组动轮组成，用于测流车行走到位后自动停车，防止行车超限。

5）无线通讯设备。采用美国Ubiquiti Networks 公司的无线网桥NanoStation5，一体化外壳设计，通过网线POE 方式供电。NanoStation5 是ISM（5.8GHz）频段无线产品，体积小、重量轻、功能实用、性能稳定、为一款性价比较高的室外型无线网桥。

6）PLC处理器。采用主、从两级控制工作模式。主站为S7-300 系列PLC 模块，安装在测流室控制柜内，用于实时监测渠道水位深度，并与控制计算机进行数据交换；从站为S7-200 模块，安装在测流车控制箱内，用于控制测流车行走、铅鱼收放等动作，采集行车和铅鱼位移传感器数据和设备状态。主、从站的数据交互利用是无线通讯设备、以太网传输。

7）控制计算机及上位软件。控制计算机采用“研祥” 工业计算机，安装STEP 7 MicroWIN、SIMATIC Manager、WINCC三款上位软件，后台配有SQL server 强大的数据库管理软件支撑，做到硬件的良好兼容、软件的友好人机界面交互。

1.2 系统参数设置

1）测流垂线数目选择。测流垂线的数目视水面宽度、水深和测量精度的要求而定。按照国际标准规定，在比较规则的渠床断面上，任意两条测流垂线的间距一般不大于渠底宽度的1/5，且应均匀布置。测流垂线数愈多，流量的误差越小。本系统标准断面底宽17 m，结合灌区实际情况，默认工况下均匀布设7条测线，测线间距2.83 m。实际应用中，可根据精度需要，相应增减测线数目。

2）测线平均流速确定。本系统可根据水深及测流精度的需要，在不同工况下，选择采用一点法或两点法确定测线平均流速，必要时也可采用三点法。

1.3 系统测流控制过程

流量实测时，主站S7-300PLC 通过RS485 信道实时监测，取得渠道相对水深数据，经过处理计算由控制计算机显示。根据所测相对水深数据，按预设定好的测量参数、规程和程序，自动控制测流车行进、停车和铅鱼收放，自动进行点流速及断面的测量、计算，并由从站中心处理器通过无线网络把相关采集数据传输到主站中心处理器中。主站中心处理器通过二次计算把数据传到控制计算机中显示，来完成整个测流过程。为消除流速的脉动影响，各测点的测速历时可在60～100 s 间选用，一个测流过程用时约15 min。

在测流的同时，测流系统配备的上位软件可通过各点水深描绘出灌区渠道过水断面效果图，自动计算过水断面面积，并根据测得的流速，采用积点法，自动汇总计算总流量和平均流速，显示在计算机中。

1.4 系统界面及数据处理

该测流系统配置了良好的人机交互界面设备，各项功能齐全。通过本系统可实现远程数据监控，历史数据的存储、查询、统计、打印等一系列管理功能。

2 测流效果评价

基于当前国内引黄灌区自动化测流技术鲜有成功应用的先例，本系统以稳妥可靠为原则设计，实现目标为渠道流量测量自动化、信息管理自动化。系统自投入使用以来，渠道测水效率明显提高，人工劳动量和强度大大减轻，测流数据的计取更快捷、准确。在灌区引水正常流速下，系统测得的数据与明渠均匀流公式测算的数据基本吻合，计量数据可信度得到了很好的验证，下一步可在簸箕李灌区其他测流站点及同类引黄灌区推广应用。

3 结 语

簸箕李灌区是黄河下游典型灌区，引黄含沙量大，河道沉沙、淤积较多，给自动化测流带来了一定的困难。自动化测流系统的应用有利于准确计算、科学认证引用水量，为簸箕李灌区实时动态掌握配水状态，优化水沙调度方案，提高灌溉效率，提供了数据支持和决策依据；同时有利于提升灌区自动化管理水平，必将为灌区带来显著的社会效益和经济效益。该系统在簸箕李灌区的成功应用对同类引黄灌区流量测算具有一定的借鉴意义。