北方地区多泥沙水源明渠水量自动化监测系统设施研究与应用

史中兴，张师玮，张彦蕊，许卓宁，于树利（通讯作者）

（1甘肃省景泰川电力提灌管理局 甘肃 景泰 730400）

（2唐山现代工控技术有限公司 河北 唐山 063020）

1 引言

水资源是人类生存发展的自然资源，我国水资源呈现出东多西少南多北少的分布特点，特别是我国北方部分地区常年干旱少雨，水资源严重缺乏，严重阻碍了农业的快速发展。

在国外，由于一些发达国家研制出适合其国情的量水设备，但引进中国后，并不能适应国内的灌区发展现状，致使灌区量水改造费用高，需要专业技术人员经过培训才能操作，且运营维护成本高，难以在灌区实现大规模推广。

在国内，经过初期灌区信息化建设后，大型灌区在通讯网络及视频监控方面取得了长足的发展，但在灌区渠道特别是多泥沙水源的明渠渠道量水方面研究较少，由于渠道存在线长、点多、面广，供电困难等原因，还沿用人工监测，致使其渠道水位流量采集信息精确度低、实时性差，难以保障灌区的农业的正常灌溉及汛期的防洪度汛。

本文从我国北方地区多泥沙水源明渠的实际情况出发，设计开发研制多泥沙水源明渠渠道量测水设备及其水量自动化监测系统软件，成功地解决北方地区多泥沙水源明渠渠道水位流量测量不准确，数据获取不及时，供水调度困难，输水安全预警能力差等问题。

2 总体设计

针对北方地区多泥沙水源明渠输水含沙量高的实际问题，从精确水的计量、安全监控和提升信息化水平总体思路出发，综合采用无线传感、计算机、微电子、节电、物联网通讯、防盗防破坏等技术集成创新，构建出的灌区多泥沙水源明渠水位流量监测系统模型。研制出“一体化智能型超声波遥测水位计”，开发出“灌区多泥沙水源明渠水量自动化监测系统软件”，解决野外/户外环境下多泥沙明渠水位流量的精准测量、数据传输及实时监测问题，建立北方地区多泥沙水源明渠水量的自动化监测系统，保障供水安全。

3 系统构成

系统主要由现地设备、通讯系统及监控中心组成。现地设备由一体化智能型超声波遥测水位计、水位计配套手操器、测井及防盗测井帽组成；通讯系统一般选用网络公司提供的无线网络及现地射频网络；监控中心有安装有明渠水量监测系统软件的服务器监测计算机及交换机、路由器等设备组成。现地设备将采集到的明渠水位信息传送到监控中心，监控中心负责接收数据并进行处理，同时对现地设备进行管理。

4 量水设备

一体化智能超声波遥测水位计采用传感、节电、物联通讯、防盗防破坏技术结合唐山现代工控技术有限公司专利技术将传统意义上水位计的采集系统、供电系统、存储系统、通讯传输系统集成在一个φ200的圆筒中，形成了一体化产品，一体化智能型超声波遥测水位计配套唐山现代工控技术有限公司研制开发的一体化测井及防盗帽，测井嵌入到灌区渠道测桥中，实现了现场设备的一体化安装和防护，设备体积小巧，在放水季安装到水位计测井中，通过测井帽上的防盗锁将设备锁定在测井中，等放水季结束，管理人员还可以将一体化智能超声波水位计从测井中抽出，拿回管理部门进行存储和保养。

4.1 主要功能及技术参数

（1）自动测量水位，具有水位测量、水位校准、水位记录、数据存储和远程通讯功能，采用微功耗和休眠技术，靠自备电池供电，在无人干预的情况下能够自动运行3年以上，测量精度：0.3%，水位量程：0～5米；

（2）水位计安装在DN200测井即可自动工作，内置锂电池可保证工作3～5年；

（3）睡眠水位可设，水位低于此值进入睡眠以节省电量；

（4）水位上限可设，水位超过此值，可以任意设定GPRS上报时间间隔；

（5）用无线手操器在10米范围内，可进行水位校准；

（6）通过非接触式方法测量水位，从而计算流量，特别适合多泥沙水源淤积渠道；

（7）在非使用期，可将水位计取出，带回管理部门，以防丢失，取出后自动睡眠；

（8）通过GPRS无线网络与远程上位计算机进行数据传输。

4.2 一体化智能型超声波遥测水位计安装测井

专门针对一体化智能型超声波遥测水位计水位计研发了一种测井，测井和超声波测桥架设紧密结合在一起，即在制作测桥时，将一体化智能型超声波遥测水位计测井筒直接浇筑在测桥中，从而在安装测井时，省去了现场安装的费用和时间，既省时又省力，同时测井部分分为测井筒和测井帽，测井筒和测井帽密切结合，设有防盗锁，再通过特殊加工配套的钥匙才能打开，具有防盗防破坏的能力。

5 通讯系统

一体化智能型超声波遥测水位计具有现地和远程两种通讯系统，即现地及远程通讯系统。

（1）现地通讯系统

在现场与手操器进行通讯，手操器可以通过现地无线通讯系统采集及设定现场设备参数，并能够现地校准水位值，实现水位计的精确计量。

（2）远程通讯系统

一体化智能超声波遥测水位计与监控中心的监控计算机通讯并接受其指令。鉴于各水位监测点分布覆盖范围大、分布零散等特点，以及新构建有线通讯网络时间漫长、结构复杂和存在维修困难等问题，我们设计选择了GPRS通讯网络。此种通讯方式速率快、可靠性高、抗干扰性强、网络的安全防范好、组网简单、不受传输距离限制、运行费用低等特点。[3]

6 监控软件

监控中心灌区多泥沙水源明渠水量自动化监测系统软件基于.net Frame Work，c#程序设计语言和SQL数据库开发，以B/S模型为主，部分通过C/S模型程序辅助的开发方案，开发了“灌区多泥沙水源明渠水量监测系统”软件平台。软件开发过程中综合运用了分布式数据库、分布式计算、地理信息系统、多媒体、基于Ajax的B/S模式实时信息处理、COMET等技术。[1]

7 结语

北方地区多泥沙水源明渠水量自动化监测系统设施研究与应用实现了北方地区多泥沙水源明渠水位水量实时精确量测，经景电灌区试点应用表明，系统稳定可靠，水位流量监测精度高，实时性好，减少了设备的运行维护成本，降低了劳动强度，改善了工作环境，解决了灌区长期没有解决的问题，为我国灌区多泥沙水源的渠道量测水技术提供了先进监测设备和强大的技术保障，对北方地区及黄河流域的多泥沙水源明渠的水量自动监测起到了示范作用，有力地推动了灌区信息化的发展。

[1]于树利，马月坤，许卓宁.灌区渠道一体化量水装置及监测系统的设计与实现.华北水利水电学院学报2012,33（5）.

[2]孙媛媛，朱峰.灌区水文自动化监测系统研究 北京农业2013，（9）.

[3]郎志钦，于建营.GPRS在灌区取水计量远程监控系统中的研究与应用.中国水利，2010，（16）.