全自动精准测流系统在跨流域调水计量中的应用

2016-11-30王振兴河南省安阳水文水资源勘测局

河南水利与南水北调 2016年10期

□王振兴（河南省安阳水文水资源勘测局）

□王振兴（河南省安阳水文水资源勘测局）

中国北方地区水资源严重匮乏，跨流域调水已经成为北方地区解决水资源短缺的首选方案。文章以引滦入津调水工程为例，依托互联网和工业自动化技术等，按照水文测验规范，建立公共水量计量平台，供双方共同使用，实现无人值守远程自动控制精准测流的目标，为跨流域调水水费结算提供准确依据，同时也为区域水资源优化配置提供技术保证。

水资源；流域；计量；应用

1 引言

中国是一个水资源严重短缺的国家，平均年水资源总量28 124亿m3，居世界第6位。按人均水资源量计算，为世界人均水量的1/4，世界排名第110位。由于各流域面积不同，自然地理条件的差异，水资源禀赋差别很大。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，也进一步加剧了水资源短缺的矛盾，而且还严重威胁到城市、农村居民的饮水安全和健康。持续增长的生活、生产和生态用水需求与水资源相对贫乏且分布极其不均衡之间的矛盾越来越显著。集中表现在黄河、海河流域严重缺水，用水量已远远超出河流水资源的承载能力，水质、水环境日益恶化；在西北干旱、半干旱地区，生态环境逐渐恶化，河流枯竭、绿洲退化、湖泊水位下降。随着社会经济的发展和城市化进程的加快，为了缓解水资源紧张的情况，除了大力抓好节约和保护水资源工作外，跨流域调水已经成为北方城市的必然选择，跨流域调水必然带来水资源供需关系的变化，引水计量已成为跨流域调水工程中不可或缺的一部分。

2 工程概况

引滦入津工程是解决天津市城市缺水的一项重大战略措施。引滦入津是将潘家口水库里的滦河水，跨流域引入海河水系到天津，这是一项引水、输水、蓄水、净水、配水完整配套的大型供水工程。该工程东起河北省迁西县的大黑汀水库，南止天津市的西河水厂，工程全长234 km，途经河北省迁西县、遵化市，天津蓟县、宝坻、武清、北郊区，沿途有隧洞、水库、电站、闸涵、明渠、暗渠、倒虹吸、泵站等工程。

引滦入津隧洞工程位于滦河大黑汀水库与黎河接官厅村之间的分水岭地带，全长12.40 km。隧洞设计流量60 m3/s，设计水深3.92 m，相应流速2.68 m/s；校核流量75 m3/s，校核水深4.68 m，相应流速2.81 m/s，实际校核流量90 m3/s；隧洞设计糙率0.02，实际糙率0.01。隧洞工程设计每年调水能力为10亿m3，全年通水时间210-270 d。

隧洞进口水文站始建于1983年8月，1994年3月18日批准为国家二级水文站，长期担负着引滦入津工程流量测验、引水计量的任务。为解决隧洞管理处水文站与大黑汀水库管理处水文站输水计量测流误差问题，隧洞管理处与大黑汀水库管理处经过协商：为节约资源、避免工程重复建设，在隧洞进口处建立一套公共测流平台，供双方共同使用监测引水流量，作为天津市水利局和海委水费结算依据。因此如何建设公共测流平台，实现精确测流是引滦入津工程水量计量的关键。

3 研究方法

本着公平、公正、科学的态度，以《水文测验实用手册》为基础，按照水文缆道流速仪精测法设计，依托互联网、工业自动化技术等，建立公共的测流平台，实现远程控制、无人值守的自动化测流目标。为提高起点距、水深测量精度，缆道悬索测流改为轨道运行平台、悬杆自动测流装置。起点距由丝杠和伺服电机控制实现起点距的精确定位；水深由悬杆（齿条）、伺服电机等控制实现水深的精确定位。水面信号、水底信号、流速仪信号采用自动采集有线传输方式，系统自动读取测流水位，在测流断面安装视频监控设备，实现无人值守、远程控制、可实时监控的全自动测流目标。

4 全自动精准测流系统的组成

4.1 机械部分

由水平运动平台、垂直运动系统、信号采集系统、照明和视频监控系统等组成。运动平台的主要设备有丝杠、轨道、伺服电机、伺服控制器、PLC控制器、悬杆等组成。悬杆垂直安装在运动平台上，丝杠的转动带动运动平台的水平运动，实现起点距的水平精确定位。垂直运动系统由伺服电机、驱动齿轮、蜗杆和悬杆上固定的齿条组成，实现悬杆垂直方向移动。信号采集系统位于悬杆底部，由多点位水面控制器和河底信号控制器和流速仪等组成。

4.2 控制部分

采用PLC控制器和伺服控制器控制测流系统运行，系统运行平稳、安全可靠，定位精确。系统内部通讯采用有线传输方式，不存在干扰和数据丢失，安全可靠。系统内部为一小型局域网，各个设备均分配有IP地址，内部指令传输简单、迅速。所有信息通过路由器与外网连接，实现远程控制测流及数据的传输。在整个系统的关键部位设置了多重机械保护限位，确保系统运行时设备的安全。

4.3 软件部分

系统软件采用C#语言编程，上位操控画面操作简单、功能齐全。操控界面包括视频监控、参数设置、测量方法选择及设置、数据测算、测算结果保存及上传、测量实时显示、流量记载表打印等功能。

4.4 传感器控制部分

水面信号、河底信号、流速信号均采用信号传感器和有线传输方式，由运动平台的PLC发送到控制室PLC上，进入终端机处理、计算。

4.5 水位读取和控制部分

水位信号采用浮子式水位计，安装485接口自动读入计算机。

5 在引滦入津调水计量中的应用

引滦入津隧洞进口断面宽5.70 m、高6.25 m，为规则混凝土明渠矩形断面，测流垂线布设简单，分别为0.85、1.85、2.85、3.85、4.85 m（渠道净宽5.70 m）；测点按精测法设置，分别为0.00 h、0.20 h、0.60 h、0.80 h、1.00 h（h代表水深）。系统设计为精测法（五点法）测流，无需参数设置和更改。

在测流断面安装的球形摄像机、枪式摄像机和满足夜间测流监控的照明灯，开启自动跟踪模式，摄像头自动实时跟踪悬杆运行轨迹，监控断面测流设备运行状况，系统支持夜间测流。

系统界面操作简单、功能齐全。具备视频监控、参数设置、测量实时显示、测算结果保存及上传、打印等功能。系统还具备仪器自动复位功能，即系统测流结束自动回到断面起点，可连续测流。也可以预置时间或水位，实现定时或定水位自动测流。为满足系统在应用过程中检修、维护、更换仪器等特殊需要，系统具备手动控制功能。

本测流系统是根据引滦入津隧洞进口水文站的工作特性以及供、需水双方对测流精度要求而研制的自动化测流系统，本系统全面实现了无人值守、远程控制、可实时监控全自动测流的目标。无需人为干预，测流速度快，效率高。系统作为公开的水量计量平台，双方分别在计算机上安装客户端软件，即能满足供水方和受水方远程测流的使用，达到多台电脑远程自动测流的目的。系统运行平台与伺服电机和涡轮涡杆的有机结合，实现了起点距1 mm的定位精度，若改变涡轮齿数或涡杆齿距，即可改变系统的分辨率。垂直运动系统采用伺服电机和悬杆上固定的齿条组合，实现了水深1 mm的测量精度。另外，多点位水面控制器和河底信号控制器的使用，使水面测点流速和河底测点流速更具有代表性。系统采用工业可编程控制器、伺服控制器作为系统控制核心，保证了整套系统运行平稳、安全可靠。