山东引黄闸引水流量智能监测设计与应用

王海霞

(山东鄄城县鄄九路水利局， 山东 鄄城 274600)

我国地域辽阔，不同区域的水资源差异较大，尤其是北方的水资源相对较为匮乏，为了解决全国的水资源不均衡问题，南水北调等调水工程应运而生[1-3]。引水水闸对调水工程的有效实施具有重要的意义，水闸能够调节水位，通过降低水工建筑物内的水头高度，使其具有抵御突发洪水、浇灌下游农田、供水和发电等诸多作用[4-5]。引黄水闸在山东省分布十分广泛，数量高达60余座，设计引水量总计2420m3/s左右，为解决我国水资源差异具有突出的意义[6-8]。

水闸的水流量监测十分重要，但是以往的监测设备过于老旧落后，不仅精度和效率低，甚至还存在较大的安全隐患[9-11]。随着黄河以北地区的需水量日益增加，水资源不足的问题更加严重，在无法增加水资源的前提下，对测流精度的提升和测流方式的改进是一项重要的举措。本文以山东菏泽闫谭闸为研究对象，开展智能流量监测系统设计，通过现场实施及监测数据整理，从而验证监测系统的稳定性和可靠性，为水资源的合理调配提供技术支撑。

1 智能监测系统设计

1.1 设计原则

智能流量监测系统是以互联网为基础，根据相关规范进行设计[12]，最终实现集监测、报警、整改和计算为一体，并且能够通过平台实现远程操控，实现现场无人化的目标。智能流量监测系统以模块化结构为主，具有先进、可靠、实用和可拓展等优点，同时可以降低工作人员的劳动强度、提高测流工作效率及精度并确保监测系统长期稳定。

1.2 组成及功能

该智能流量监测系统从功能结构方面可以划分为以下4个部分。

(1)机械部分。机械成分又包含缆道、绞车、吊箱和拉索，行车架可以在缆道上往复运动，牵引着下方的测流吊箱，行车架运动的速率控制通过网络从终端机发送到缆道控制室进行；同时在副拉索上还设置具备自动跟踪定位功能的设备，目的是控制铅鱼和流速仪的位置，同时纠正定位时受水流等外在因素影响产生的角度偏差；测流吊箱内含有流速仪、自动除草测速和雷达测速等测速方法，除此之外，还具备夜间照明、监控、信号传输和位置校准等诸多先进的功能，受外界因素影响小，操作简单。最后，在关键的传输位置设置限位保护装置，确保各仪器设备的安全运行。

(2)控制部分。控制部分的主要设备由终端设备、交流频率变频器和PLC控制器组成，控制着现场测流设备的运行和收放，以及收集、处理和计算测流信号。

(3)局域网系统。智能流量监测系统实际上是一个局域网，通过微波通信实现监测数据的传输，以无线通信的方式实现计算机和设备之间的数据传输。局域网的网络构成如图1所示。

图1 局域网网络构成

(4)软件部分。智能流量监测系统采用Matlab软件进行编程控制，系统具有操作简便、界面简洁和智能化等优点；界面中能自动生成或修改视频监控、参数设置和监测方式等内容，监测过程中能及时预览、识别、补测、保存数据并实时显示；根据相关规范[12]和多种数据模型，对采集到的数据进行自动分析计算；计算结果可以通过多种文件形式输出。

2 系统操作及特点

2.1 系统操作简介

智能流量监测过程通过计算机控制，操作界面由Matlab编写，界面主要分为模拟、手动操作和测量操作3个板块，如图2所示。

图2 智能流量监测系统界面

模拟区能将缆道断面和水流进行放大展示，在实际监测过程中，能将监测仪器的位置和状态等进行动态模拟，实时显示监测的主要数据，通过鼠标能查看实时的水深。手动操作区域能人工控制各种电源的开关、切换自动或者人工控制系统以及各种测流仪器的收放等。而测量操作区域除了可以完成填写水尺读数、切换展示图、控制测量开始或停止、打印数据及校准位置等基础功能，还可以完成上位机及下位PLC的不同功能参数设置、自动计算和生成左右水边、左右垂线起点距及测流垂线数和修改测量方法、重测及补测数据、分析和计算数据以及生成报告等。

2.2 系统技术特点

该智能流量监测系统与传统的监测系统相比而言具备以下突出优势[13-14]：①通过超声波液位计能准确地识别水面的距离以及河底淤泥的深度，从而判断水边线的位置，基于此便能准确计算河流截面面积；②通过自动调节装置能使流速仪与水流方向保持一致；③自动跟踪定位装置能有效地解决测流装置因水流偏角等导致的测量误差；④配合先进的计算机软件控制系统，能自动控制测流过程及自动采集、处理和计算数据。

该智能流量监测系统还具备传统监测系统所不具备的智能性、安全性和伪信号处理功能。智能性主要是铅鱼能根据水深自动设置最佳的测流位置、自动回收测流装置和避让外在物质冲击等；而其安全性主要体现在能切换自动和手动控制，还能在紧急情况下及时停止设备运动，避免设备损坏。伪信号处理是指系统利用无模型自适应控制处理流速仪在运动过程中产生的抖动等外在因素影响测量精度的情况，无模型自适应控制仅利用被控系统的I/O数据，其兼备现代控制和经典PID控制的优势，控制效果更佳。

3 现场实测

以山东菏泽闫谭闸为研究对象，测流位置距离出口大约100m，该引水河流宽度大约为30～50m，整个河流测量状态较好，与传统的测流方式进行对比分析，尽可能还原现场长时间的复杂水流现状，通过控制下游水闸闸门调节水流速率和流量大小。监测时间以8h为基准，共监测36次，2种测流方式的流量监测结果如图3所示。从图3中可以看出，2种监测方式所得的流量十分接近，其中25次两者的监测结果误差在3%以内，其余也处于3%～5%以内，均小于规范要求的5%，因此，该智能监测系统的测流合格率达到了100%。

图3 传统与智能测流系统流量监测数据对比

2种测流方式的河底高程测量结果如图4所示。

图4 传统与智能测流系统河底高程监测数据对比

从图4中可以看出，2者的测量数据十分接近，仅在河流中心位置存在一定出入，导致两者出现少许区别的主要原因在于黄河泥沙较多，相对易形成紊流和水流扰动，从而影响测量结果，但是都在规范要求的5%误差范围之内。因此，该智能监测系统的高程测量合格率也达到了100%。

该系统也存在一定的不足之处，首先，在软质淤泥河床中监测时，由于测流设备自身的重量作用会使其陷入淤泥之中，从而导致测量结果出现一定的误差，一般而言会使得河底高程测量结果偏大，最大约0.1m；其次，测流设备下放速度过快也可能导致测量结果出现一定误差，在设备接触河床时可能会引发瞬间失重现象，牵引索出现弯曲，导致河底高程测量结果偏大，最大约0.07m；最后，测流仪器接触丝抖动也会影响测流精度，抖动等会引发多余的信号，造成水流流速测量结果偏大，这种情况可通过干簧管式流速仪得到改善。上述测量误差均在可控范围之内，且能通过调整得以改善。因此，该智能流量监测系统具有良好的应用前景。

4 结论

本文设计研发的智能流量监测系统能减少户外人员的工作时间和强度、增强工作人员自身安全防护、提高引黄供水河流的监测工作效率和质量，同时先进的信息化技术为该系统提供了安全可靠的保障。通过在山东菏泽闫谭闸站点进行现场验证，并与传统的人工测流方式进行对比，发现其测量精度符合相关规范要求，对同类型的水闸测流具有良好的借鉴意义。但是目前该技术在现场环境复杂多变造成的测量误差处理方面还存在一定的技术不足，这给后续研究提供了方向。