浅谈渠道型监测站管理系统设计

□张贵芳

渠道监测用水量主要用来监测大中型灌区的农业灌溉用水，由于受到监测断面、水流特性等因素的影响，采用的测验方法和监测设备不同，测流方法主要为水位流量关系法、流速面积法等；监测要素主要包括水位、流速等；监测设备主要包括浮子式水位计、电子水尺、水利综合智能监测设备（如雷达流量计、多普勒超声波流量计）等。水量计算方式大致分为4 种，分别是水位流量关系法、公式法、比降面积法和流速面积法，各种方法所监测的要素不同，计算方法不同，因此设计开发一套渠道型监测站的专用管理系统是十分必要的。现以灌区取水口水量在线监测计量为例，结合明渠流量监测站管理系统的建设与运用，浅谈渠道型监测站管理系统的功能设计。

1.系统架构

渠道型监测站管理系统总体建设框架可分为5 层，自下而上分别为数据支撑层、网络传输层、数据资源层、智能支撑层、智慧应用层，系统架构图见图1。系统在统一框架下，层层支撑，可保证各应用系统的可靠运行，实现资源共享与一体化管理。

图1 系统架构

2.系统设计

2.1 灌区基本信息管理

系统应实现对灌区基本信息的管理，可在线录入灌区基本台账信息。灌区基础信息根据实际需求应包括：灌区管理单位、灌区管理单位地址、灌区管理单位联系人及联系方式、统一社会信用代码、灌区名称、所属流域、灌区所在行政区划、灌区规模（大型、重点中型、一般中型、小型）、取水方式、取水水源、取水许可编号、年许可取水量（万m3）、取水口经纬度、取水口总数、是否全监测、灌区区域图、所属水资源分区、设计灌溉面积（万亩）和有效灌溉面积（万亩）、直管类型等，这些灌区基础数据可为今后分流域、分水源、超许可等灌区用水统计分析提供最基本的数据支撑。

2.2 监测站断面基本信息管理

主要通过收集、整理或现场实测监测断面基础信息，实现水量监测大断面信息（高程、起点距）在线管理，并根据断面情况录入比降、糙率等基础信息，为流量计算提供基本的计算依据。同时系统也应具有对历史录入信息查询、不同期数据同图对比分析功能，方便管理人员掌握查阅监测断面的历史资料。

2.3 监测设备的统一管理

随着水资源监测技术的不断发展，除浮子式水位计、电子水尺外，水利综合智能监测设备（如雷达、超声波等水位、流速流量监测设备）将广泛应用于渠道型监测站的水量监测中。系统应充分考虑对渠道型监测设备进行统一管理的需求，包括对监测设备生产厂家、适用环境、安装位置、安装现场情况等基础信息以及安装信息的管理。

2.4 流量计算模型

系统应承担流量计算与分析工具的角色，建立多种流量计算模型，供不同监测设备流量计算使用，应包括水位流量关系法、流速面积法、比降面积法计算模型。

2.4.1 流速面积法计算模型

流速面积法根据监测大断面的水面流速，结合经过现场比测率定得到的流量系数和根据大断面及实时水位计算出来的断面过水面积，实现断面流量的计算。

式中：

V—流速，单位m/s；

A—过水面积，单位m2。根据已录入的监测大断面数据，结合当前水位可计算得出过水面积。

K—指测算流量系数。

测算流量系数计算公式：

通过对高、中、低水位实测的多组数据，由测算流量系数计算公式，求得多个测算流量系数。根据渠深，约定高、中、低水位的取值范围，通过算数平均法，计算得出高、中、低水位相对应的测算流量系数。系统可自动根据实时监测水位，找到对应的测算流量系数，并通过流速面积法计算得出相对精准的流量值。该计算方法中实测数据越多，所计算出的测算流量系数越精准，从而计算出的流量越接近真实值。

2.4.2 水位—流量关系法计算模型

水位—流量关系是指监测大断面处的水位与通过该断面的流量之间的关系，可用曲线图表示。

水位—流量曲线：横坐标为水位、纵坐标为流量，将相应的水位和流量点绘在坐标系上，连接通过点群中心的曲线。水位—流量关系法的原理：将尽可能多次的实测水位和实测流量数据在图上进行标注，拟合成一条过点的曲线并得到一个计算公式，引沁灌区断面水位/流量实测值表见表1、焦作引沁灌区断面水位—流量关系曲线图见图2。

序号序号89 1 0 11 12 13水位(m)1.2 1.25 1.56 1.8 1.9 2.1流量(m³/s）6.45 6.9 9.12 11.5 13.9 15.36 123456 7水位(m)0.12 0.17 0.32 0.48 0.67 0.9 1.12流量(m³/s）0.15 0.4 0.91 1.45 2.4 4.51 5.2

通过公式生成一组最小单位水位的对应流量，形成水位—流量关系成果对照表，如焦作引沁灌区断面水位—流量修定成果对照表见表2，可根据水位查表得到对应的流量。

2.4.3 比降面积法计算模型

对于暂时无法获取流量实测数据的渠道型监测站，可先采用比降面积法计算流量。

收集基础资料。上、中、下的比降断面纵断面；确定比降,详见比降确定；确定糙率,详见糙率选择确定。

式中：

Vˉ—河段平均流速，单位m/s，可用水力学中的曼宁公式计算；

Aˉ—河段平均断面面积，单位：m2。曼宁公式计算Vˉ：

式中：

n—为糙率,详见糙率选择确定；

k—为转换常数，国际单位制中值为1；

Rh—水力半径，单位m，指输水断面的过流面积与湿周长之比，湿周长指流体与明渠断面接触的周长；

S—比降，详见比降确定。

比降确定。若渠道（河道）有水，以上、下游断面水面线的坡度为准；若渠道（河道）无水，若有设计资料，可以采用设计渠道设计比降，或以某一流量时上、下游断面水面线坡度为纵比降。

糙率选择确定。通过流速仪法测得断面平均流速，将流速带入曼宁公式后反推糙率系数；若监测站所在断面无水，则糙率参考上下游或邻近河流上河槽情况相似水文站的资料确定；或根据河槽及滩地的河段特征、洪水坡度、河床质平均粒径、宽深比和含沙量等主要因素，依据相关规范可查。

3.计算公式与关系曲线修订

系统应对现有常用的流量、水量计算方法进行统一管理，实现多方法的流量、水量计算的同时，应根据断面情况、水流特性的变化，对断面基础信息（面积、比降、糙率等）、计算公式系数等进行修订；依据实测的水位流量数据和调查的历史数据，对水位流量关系曲线进行修订。

3.1 流量计算公式修订

流量计算公式需依据实测流量数据，对不同计算方法中的各类参数进行修订，以确保流量数据满足精度要求。将渠道监测站实测流量数据提交至本系统，由系统依据流量实测数据，实现流量自动监测数据与实测数据的对比，给出推荐的流量参数修订值，通过人工审核后，确定最终的流量计算参数。另外，由于监测断面变化，断面面积有关数据也需进行实测，将实测的数据在线更新至系统。

3.2 水位流量关系曲线修订

通过建立监测断面的水位和此水位下流量之间的关系，并用曲线的形式表现出来，即为水位流量关系曲线。水位流量关系曲线推流应用过程中，可通过实测数据对其进行修订，以不断提高流量监测精度。依据实测流量数据，实现水位流量关系曲线的自动修订，通过人工审核后，确定并发布修订后的水位流量关系曲线。

3.3 多种流量计算结果对比分析

以表格和过程线的形式，显示所选监测站在指定时间范围内，多种流量计算方法的计算结果。管理人员可将各种流量计算方法得出的结果与历史实测数据或相关专家经验对比分析，择优选取该监测断面的流量计算模型。

水位（m）0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2流量（m³/s）0 0.027 0.055 0.083 0.112 0.141 0.171 0.201 0.232 0.263 0.295 0.327 0.359 0.392 0.426 0.460 0.494 0.529 0.565 0.600 0.637水位（m）0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41流量（m³/s）0.674 0.711 0.749 0.787 0.825 0.865 0.904 0.944 0.985 1.026 1.068 1.110 1.152 1.195 1.238 1.282 1.327 1.372 1.417 1.463 1.509水位（m）0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55 0.56 0.57 0.58 0.59 0.6 0.61 0.62流量（m³/s）1.556 1.603 1.650 1.699 1.747 1.796 1.846 1.896 1.947 1.997 2.049 2.101 2.153 2.206 2.260 2.313 2.368 2.422 2.478 2.533 2.590水位（m）0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.68 0.69 0.7 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.8 0.81 0.82 0.83流量（m³/s）2.646 2.703 2.761 2.819 2.878 2.937 2.996 3.056 3.117 3.178 3.239 3.301 3.363 3.426 3.489 3.553 3.617 3.682 3.747 3.813 3.879水位（m）0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04流量（m³/s）3.946 4.013 4.080 4.148 4.217 4.286 4.355 4.425 4.495 4.566 4.638 4.709 4.782 4.854 4.928 5.001 5.075 5.150 5.225 5.301 5.377水位（m）1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.2 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25流量（m³/s）5.453 5.530 5.608 5.686 5.764 5.843 5.922 6.002 6.083 6.163 6.245 6.326 6.409 6.491 6.574 6.658 6.742 6.827 6.912 6.997 7.083水位（m）1.26 1.27 1.28 1.29 1.3 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46流量（m³/s）7.170 7.257 7.344 7.432 7.520 7.609 7.698 7.788 7.878 7.969 8.060 8.152 8.244 8.337 8.430 8.523 8.617 8.712 8.807 8.902 8.998

3.4 流量计算方法的评定

此文中所指的渠道型监测站管理系统共提供3 种流量计算方式检验方法，分别为：符号检验、适线性检验、偏离数值检验。针对不同算法，经由以上3 种检验，显示各算法的检验结果，通过每种检验方法所得出的结论值进行比对，即可找到最优算法，3 种检验都通过的最优。焦作引沁灌区监测站流量计算方法检验结果图见图3。

图3 焦作引沁灌区监测站流量计算方法检验结果

如无理想最优算法，则通过实测资料累计不断修正各算法，最终实现。

3.5 取用水监管

渠道型监测站管理系统，应具备取用水户户证站点的关系查询，实现监测实际水量与年许可水量比对分析，从而达到取水速率预警、超许可预警等功能。

3.6 GIS 地图

渠道型监测站管理系统，应实现灌区可视化一张图。可展示已建渠道型水量监测站点在空间地图上分布和实时监测数据，对已安装视频监控的站点可调出其实时监控画面，供运维及管理人员实时查看，对超许可水量的站点实现超许可不同级别预警。通过基础数据分析，将各级灌区管理人员所关注的监测信息于一张地图中展示，便于管理人员快速掌握灌区取水口水量监测实时情况。

4.结语

随着智慧水利建设顶层设计和数字孪生建设的推进，渠道型监测站管理系统除了具有以上渠道型监测流量计算工具的功能，同时也应具有对渠道监测站点三维可视化功能，使其在数字孪生地理空间数据三维可视化场景的基础上，集成渠道监测断面基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业信息等内容，形成一套明渠监测系统底板数据库。□