德州陵城区引黄灌区水情监测系统建设

2021-11-29刘长林徐洪园

西北水电 2021年5期

刘长林,徐洪园,程霞

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，济南 250100;2.山东省德州市陵城区水利局,山东德州 253500)

0 前言

水资源是一种极为重要的资源，是社会发展必不可缺的资源。中国面积广阔，有较多的地区处于水资源短缺的情况[1-2]。为了改善这一现象，我国已经修建了大量的灌区工程，在一定程度上改善了水资源短缺、时空分布不均的现状，促进了农业的发展。然而，早期修建的灌区工程在一定程度上出现了破坏现象，导致输送水效率低下，造成了水资源的浪费[3-5]。随着科学技术的不断发展，自动化水情监测系统在灌区工程建设应用已成为可能。通过水情监测，可控制灌水质量，实现计划用水，从而进一步提高水资源利用效率[6-9]。本文结合陵城区引黄灌区节水改造工程，对灌水情监测系统建设方案进行分析，研究灌区桁架式、缆道式测量系统及明渠雷达、电磁流量遥测站建设方案，构建水情监测系统，为灌区水情监测系统搭建提供实践依据。

1 工程概况

德州市陵城区目前存在着水资源总量偏少且时空分布不均，是典型的缺水地区。引黄灌区工程分为骨干渠系工程与乡镇末级渠系工程，其中骨干工程涉及9条沟渠清淤，共88.93 km，2条沟渠衬砌，共4.08 km；乡镇末级渠系工程涉及95条沟渠清淤，共150.11 km。为了提高水资源利用效率，引黄灌区实施节水工程建设。目前灌区主要存在供水渠系不完善、配套差、量测水设施不全面，无法做到计量供水，准确计量每个农户用水等问题。

2 测水量水建设内容及功能

2.1 内容

灌区量水设备配置和量水技术应用的实现灌区计划用水、改善灌水质量、提高水资源利用效率的重要措施之一。通过建设测水量水工程，可在一定程度上促进节约用水事业的发展。引黄节水项目建设水情监测系统主要有缆道式测流车、桁架式测流车、明渠雷达遥测站、超声波流量遥测站、闸门量水，在满足实用性的基础上采用有先进性的设备进行试点建设，进而打造符合现代化灌区要求的水情监测系统。灌区建设水情监测站点共计39处，数量分布如表1所示。

表1 水情监测系统建设任务表

水情流量计测站主要包括明渠雷达遥测站、明渠电磁流量遥测站等。测站通主要过3G/4G网络将流量监测数据传输到已有的信息化平台灌区量水测水管理系统。

2.2 功能

测水量水工程的主要功能如下：

(1) 明渠雷达遥测站、明渠电磁流量遥测站：

① 测速范围0.1～20 m/s;② 测速精度为±0.01 m/s；±1%FS;③ 流量计算必须有水力模型，水力模型与断面的粗糙度、坡度、断面形状、水位相关；流量计可以直接输出流速、水位、瞬时流量和累计水量。

(2) 缆道式、桁架式测流功能：① 实现水位采集测量；② 实现水深/淤积测量；③ 实现分层流速测量，依据测点水深或者用户设置对分层流速进行测量；④ 实现断面流量自动计算；⑤ 测流过程全自动，无需人员干预；⑥ 系统可通过水深或水面宽度自动调节测点密度；⑦ 本地控制，可进行手动测量控制，测量过程数据实时显示；⑧ 远程控制，需支持通过上位机软件远程控制操作，通过无线网络实时将过程数据和状态信息发送到上位机软件，用户可远程监控测量过程；⑨ 故障分类报警，系统运行过程中，可对监测到的故障分级管理，不影响测量过程的故障以闪光形式提示用户，致命性故障则触发声光报警，并立即进入待机模式，防止发生意外。

3 站点设计

3.1 桁架式测流系统设计

桁架测流系统需要在灌区关键的干渠量水点安装钢结构测桥，建设测流房。安装测流小车及控制系统，轨道测流站点现场安装情况如图1所示。

图1 轨道测流站点现场安装示意图

测流房建设于渠道右侧，具体施工方案可根据现场情况选定。测流房最小建设尺寸为2 250 mm×2 400 mm(长×宽)，轨道的一侧可于适当位置安装防盗门，供工作人员及调试人员进入测流房。测流房附近安装视频监控1套，采用4G球机，立杆安装。系统供电采用太阳能供电。主要设备包括：渠道断面自动测流车1台、通讯控制箱1套、旋桨型流速仪1台、蓄电池12V60AH 1个。

3.2 缆道式测流系统

渠道断面自动测流系统包括基础设施(缆绳轨道、测流房)、渠道断面自动测流车、系统配套设施，系统软件4部分组成。系统示意如图2所示。测流系统效果如图3所示。

图2 系统示意图

铁塔及缆索：

(1) 铁塔

铁塔采用八棱变径钢管，总高度2.3 m，壁厚6 mm，法兰盘直径700 mm，厚度22 mm。

图3 缆道式测流系统效果示意图

(2) 铁塔及锚杆基础

铁塔基础混凝土标号为C20，尺寸1.7 m×1.7 m×2 m(长×宽×高)；锚杆基础混凝土标号为C20，尺寸1.7 m×1.4 m×2 m(长×宽×高)；

3.3 明渠雷达遥测站

明渠雷达遥测站安装需要考虑渠道的宽度和边坡的环境，保证探头牢固和稳定且要垂直与水面并且可以监测到渠道内的最低水位。设备箱、太阳能板固定在钢杆上。根据渠道宽度采用的设计，渠道上口小于10 m的站点，设备钢杆采用直径为Ø165 mm的钢管制作，立杆基础为现浇C25混凝土，尺寸为1 000 mm × 1000 mm × 1 000 mm(长×宽×深)；渠道上口大于10 m且小于15 m的站点，设备钢杆采用直径为Ø219 mm的钢管制作，立杆基础为现浇C25混凝土，尺寸为1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(长×宽×深)；渠道上口大于15 m且小于30 m的站点，渠道两岸各立杆安装1套设备，设备钢杆采用直径为Ø219 mm的钢管制作，立杆基础为现浇C25混凝土，尺寸为1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(长×宽×深)；渠道上口大于30 m的站点，渠道两岸各立杆安装1套设备，支臂采用15m的加长支臂，设备钢杆采用直径为Ø219 mm的钢管制作，立杆基础为现浇C25混凝土，尺寸为1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(长×宽×深)。明渠雷达流量计安装示意如图4所示。

图4 明渠雷达流量计安装示意图(渠道口宽B>30)

3.4 明渠电磁流量遥测站

流量计安装处断面用C25混凝土浇筑挡墙，确保渠道内水全从超声波明渠流量计流过。设备箱、太阳能板固定在钢杆上。设备钢杆采用直径为Ø165 mm的钢管制作，杆基础为现浇C25混凝土，尺寸为长1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm(长×宽×深)。明渠电磁流量遥测站安装如图5所示。

图5 明渠电磁流量遥测站安装示意图

4 结论及建议

4.1 结论

引黄节水项目信息化建设本着实用、先进、可靠、可扩展、运维简单等技术原则，建设适合陵城区的量水模式。与传统人工量测相比，采用高精度的测量设备(测速精度：±0.01 m/s)，测量结果精度大幅度提高，从而实现直管渠系的精准计量，通过信息化手段，将现场采集的数据信息及时传输至信息中心，加强数据的收集、传输、整合与分析，可实现用水信息管理，以及用水粗放型管理向精细化管理的转变。测水量水工程建设切合实际地服务于量水工作，自动化监测、传输手段的应用减轻管理人员的工作负担。实现了水资源实时监测、计划用水和节约用水管理目标。