摘要：水流量在线监测是水资源综合利用，优化配置及其节能减排管理的重要技术措施，本文分析驷马山乌江枢纽水流量实时在线监测系统在驷马山灌区渠首工程的应用，对提升驷马山灌区水资源管理手段、提高用水效率和保障灌区可持续发展发挥了重要作用。
关键词：灌区；水流量；在线监测；信息化
1.工程概况
驷马山灌区是安徽省最大的提水灌区，涵盖滁河上、中游和池河上游地区，是以提引长江水源灌溉为主，同时兼有防汛分洪、船闸航运、生态供水等综合利用的大型水利工程。该工程于1969年12月开工，设计规划为五级骨干提水，装机32台套，总装机容量7.85万kw，总扬程46.5m，渠首引江流量225m3/s。现状灌区已建成的骨干工程乌江站、滁河一级站、滁河二级站、滁河三级站、滁河四级站等5座大型抽水站，实际装机12台套，装机容量2.76万kW。另有晋集闸（设计流量780m3/s）、乌江闸（设计流量1000m3/s）、襄河口闸（设计流量700m3/s）等3座节制闸，起节制灌溉水位和拦蓄降雨径流作用。
灌区涉及皖苏两省，合肥市肥东县、巢湖市，滁州市定远县、全椒县、南谯区、琅琊区、来安县，马鞍山市含山县、和县，南京市浦口区等4市10个县（市、区）。设计灌溉面积365.4万亩（其中安徽省350.4万亩，江苏省15万亩），目前实际灌溉面积200多万亩。灌区渠道有驷马山引江水道（总干渠）、肥定干渠中下段、滁河二级站至汊河集闸之间的滁河兼作输水干渠。灌区面上配套项目共建成干渠60条，长306km；支渠156条，长849km；支渠以上渠系建筑物2066座；抽水站277座，装机774台，装机容量总计6.3万kw。规划中的江巷水库、肥定干渠上段等工程已立项待建。
2.系统结构
该系统监测点的水位、流速、设备状态等信息通过 GPRS/GSM 网向信息中心发送。信息中心的信息通讯通道设计为一条固定 IP 线路，用于 GPRS 通讯和数据交换和网页数据展示。监测点通过数据采集仪表，采集传感器测的水位、流速数据和相关设备状态信息，通过 GPRS 上传至信息中心数据库服务器。信息中心服务器将传输来的数 据进行校验解码，利用流量计算模型得到相应流量，再将计算的流量数据和上传 的流速、水位、设备状态等数据存入数据库。数据库为网页服务提供数据支撑，用户通过访问网页可以实现水位、流量等数据的查询。
3.关键技术
3.1利用基于曼宁公式的二线能坡法推求流量。
该系统采用基于曼宁公式的二线能坡法进行推求河道流量。曼宁公式诞生一 百多年来经久不衰，在全世界得到了广泛应用，其原因是公式结构简单，同时具 有相当的精度。
曼宁公式如下：
其中：
v 是速度；
k 是转换常数，国际单位制中值为 1；
n 是曼宁系数，是综合反映管渠壁面粗糙情况对水流影响的一个系数。其值一般由实验数据测得，使用时可查表选用；
Rh 是水力半径，是流体截面积与湿周长的比值，湿周长指流体与明渠断面 接触的周长，不包括与空气接触的周长部分；
S 指明渠的坡度。
本系统首先通过安装在河底的传感器测得的河道两条垂线的垂线流速，再采用能坡法计算出两条垂线处比降。通过两条垂线处比降，推求出断面 n 条垂线的 垂线流速，最后结合河道大断面合成为流量，就实现全断面流量的实施在线监测。
3.2测量垂线流速技术（ADCP）。
单波束 ADCP 是用于河流和明渠流速、流量实时监测的声学多普勒仪，可任意按需要 安装在被测河流或渠道侧面、底部或顶部，按现场情况任意设置向上、向下发射 或向左、向右发射角度，从而准确测量出从水底到水面不同深层，从左到右不同 距离上，上百个流速点数据，大大简化了水利传统测流方法，并在准确性、稳定性、实时性上有了质的飞 跃。
4.设备安装总体布置
该监测断面位于安徽省马鞍山市和县乌江镇驷马河船闸远调站附近，不仅安全而且便于管理。监测断面 水面宽约 80 米，现场水深约 3-4 米，河道形态规整，但需要加强对过往船只管理，确保船只不在监测 断面附近停船抛锚。该监测断面适合采用二线能坡法。
4.1水下设备。
包括流速传感器和水下支撑系统，水下线缆系统。根据断面特性和二线能坡对仪器相对断面位置的要求，拟定两台水下传感器安装在断面起点距分 别为 30 米、50 米处河底。水下线缆沿断面线在河底固定从左岸上岸后，进入岸上仪表箱。能坡法流量自动监测断面安装位置设计图，见下图所示。
4.2岸上设备。包括流速传感器岸上仪表、雷达水位计、太阳能
板、蓄电池、防雷模块等，这些仪器均安装在岸上站房内。流量监测设备，岸上设备安装固定在站房内；水下线缆上岸后、太阳能线、接地线通过穿墙孔一并进入站房内部，接入设备箱。水位监测设备，安装在监测断面附近，采用 1 根长 4m 的镀锌立杆、一根 3m横杆，雷达水位计安装在立杆上，水位计线缆接入室内设备箱中。
4.3设备供电电源。
从设备安全、检修方便等方面综合考虑，水位、流量自动监测系统设备供电采用太阳能电源供电。
4.4防雷接地体。在岸上仪表固定装置附近，视地形条件建设一处排型（或环形）接地体，并 引入仪表箱。
4.5水位获取。
雷达水位计信号输出线缆直接与数据采集仪表相连，直接读取水位数据。
4.6 GPRS 传输模块。
岸上仪表的水位、流速、设备状态各类参数信息，通过 GPRS 实时传输至业 主指定的信息管理中心，便于信息监控。
在仪器安装位置河床底部打入 2-3 米的深桩，用于水下支撑系统的固定，再组装水平支臂（长度根据正常水位的实际水深确定），通过自动沉浮系统与流速传感器水平支臂相连接一沉浮装置。通过岸上充气机进行充气和抽气，该装置能够带动流速传感器自动沉浮，以便仪器检修维护。
5.在线流量信息查询平台
在线流量信息查询系统采用 B/S 方式，以网页的形式查询流量信息以及相关 的设备运行状态信息，该系统具有水量计算功能，可以计算任一时段的断面过水 量，同时具有一定的数据管理功能，对于异常数据能够报警。
5.1首页。
主界面可以观看前一天至当前水位、流量过程线，设备运行状态 及当前水位流量值。界面上有菜单，可以调用各个功能。鼠标停留在水位过程线 或流量过程线上，会显示对应时间的水位或流量数据。流量过程线上的黄色点子，是人工实测数据，通过对比，可以方便用户及时了解当前系统的精确度。
5.2实时过程。
实时过程根据用户设定的时间段，绘制水位过程线与流量过程线，点绘人工实测数据，右边以列表的方式显示水位流量值。此功能便于用户 查询历史数据，方便用户进行水位、流量对比分析，方便用户进行自动计算流量 与人工测流比较。右边的列表可以导出所需要的数据格式（如 excel 文件、文本 文件等）。
5.3运行状态。
运行状态可观看大断面图形、水面线、左右岸当前水深、仪器电源电压、水下传感器电压以等有关工作状态信息。此项功能主要用来及时掌 握水下传感器、支架系统、岸上仪表的工作状态。对系统运行状态起到实时监视 作用。
5.4水量计算。
水量计算可设定时间起止点，计算出时间段内的水量，也可以用鼠标拖动的方式，计算出某段时间的过水量。
5.5误差分析。
误差分析是由实时测量的流量与人工缆道流量做对比，计算出自动流量的误差及系统误差等。界面右边的是计算流量与人工流量的对比，可以导出至 excel。
5.6电压监控。
可监控水下传感器 FlowScout2000 的供电电压和岸上仪表的电压。电压十分重要，电压不足会导致水下传感器所测得流速不准等问题。通过电 压还可以了解设备的运行状态，同时防止断电的情况发生。
结论：该设备属于驷马山灌区取用水监控系统的第一个运行实施项目，和其他新建灌区内取用水监测站点系统对接进入“安徽省水文局水资源监测信息服务系统”平台，为与最严格水资源管理制度基本适应的水资源监控能力提供了信息化支撑。
论文作者:董莲芳
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/11/17
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