劉長林,徐洪園,程 霞

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，濟(jì)南 250100;2.山東省德州市陵城區(qū)水利局,山東 德州 253500)

0 前 言

水資源是一種極為重要的資源，是社會(huì)發(fā)展必不可缺的資源。中國面積廣闊，有較多的地區(qū)處于水資源短缺的情況[1-2]。為了改善這一現(xiàn)象，我國已經(jīng)修建了大量的灌區(qū)工程，在一定程度上改善了水資源短缺、時(shí)空分布不均的現(xiàn)狀，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。然而，早期修建的灌區(qū)工程在一定程度上出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致輸送水效率低下，造成了水資源的浪費(fèi)[3-5]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化水情監(jiān)測系統(tǒng)在灌區(qū)工程建設(shè)應(yīng)用已成為可能。通過水情監(jiān)測，可控制灌水質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用水，從而進(jìn)一步提高水資源利用效率[6-9]。本文結(jié)合陵城區(qū)引黃灌區(qū)節(jié)水改造工程，對灌水情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)方案進(jìn)行分析，研究灌區(qū)桁架式、纜道式測量系統(tǒng)及明渠雷達(dá)、電磁流量遙測站建設(shè)方案，構(gòu)建水情監(jiān)測系統(tǒng)，為灌區(qū)水情監(jiān)測系統(tǒng)搭建提供實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況

德州市陵城區(qū)目前存在著水資源總量偏少且時(shí)空分布不均，是典型的缺水地區(qū)。引黃灌區(qū)工程分為骨干渠系工程與鄉(xiāng)鎮(zhèn)末級渠系工程，其中骨干工程涉及9條溝渠清淤，共88.93 km，2條溝渠襯砌，共4.08 km；鄉(xiāng)鎮(zhèn)末級渠系工程涉及95條溝渠清淤，共150.11 km。為了提高水資源利用效率，引黃灌區(qū)實(shí)施節(jié)水工程建設(shè)。目前灌區(qū)主要存在供水渠系不完善、配套差、量測水設(shè)施不全面，無法做到計(jì)量供水，準(zhǔn)確計(jì)量每個(gè)農(nóng)戶用水等問題。

2 測水量水建設(shè)內(nèi)容及功能

2.1 內(nèi) 容

灌區(qū)量水設(shè)備配置和量水技術(shù)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)灌區(qū)計(jì)劃用水、改善灌水質(zhì)量、提高水資源利用效率的重要措施之一。通過建設(shè)測水量水工程，可在一定程度上促進(jìn)節(jié)約用水事業(yè)的發(fā)展。引黃節(jié)水項(xiàng)目建設(shè)水情監(jiān)測系統(tǒng)主要有纜道式測流車、桁架式測流車、明渠雷達(dá)遙測站、超聲波流量遙測站、閘門量水，在滿足實(shí)用性的基礎(chǔ)上采用有先進(jìn)性的設(shè)備進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，進(jìn)而打造符合現(xiàn)代化灌區(qū)要求的水情監(jiān)測系統(tǒng)。灌區(qū)建設(shè)水情監(jiān)測站點(diǎn)共計(jì)39處，數(shù)量分布如表1所示。

表1 水情監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)表

水情流量計(jì)測站主要包括明渠雷達(dá)遙測站、明渠電磁流量遙測站等。測站通主要過3G/4G網(wǎng)絡(luò)將流量監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭延械男畔⒒脚_灌區(qū)量水測水管理系統(tǒng)。

2.2 功 能

測水量水工程的主要功能如下：

(1) 明渠雷達(dá)遙測站、明渠電磁流量遙測站：

① 測速范圍0.1～20 m/s;② 測速精度為±0.01 m/s；±1%FS;③ 流量計(jì)算必須有水力模型，水力模型與斷面的粗糙度、坡度、斷面形狀、水位相關(guān)；流量計(jì)可以直接輸出流速、水位、瞬時(shí)流量和累計(jì)水量。

(2) 纜道式、桁架式測流功能：① 實(shí)現(xiàn)水位采集測量；② 實(shí)現(xiàn)水深/淤積測量；③ 實(shí)現(xiàn)分層流速測量，依據(jù)測點(diǎn)水深或者用戶設(shè)置對分層流速進(jìn)行測量；④ 實(shí)現(xiàn)斷面流量自動(dòng)計(jì)算；⑤ 測流過程全自動(dòng)，無需人員干預(yù)；⑥ 系統(tǒng)可通過水深或水面寬度自動(dòng)調(diào)節(jié)測點(diǎn)密度；⑦ 本地控制，可進(jìn)行手動(dòng)測量控制，測量過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；⑧ 遠(yuǎn)程控制，需支持通過上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制操作，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將過程數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息發(fā)送到上位機(jī)軟件，用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)控測量過程；⑨ 故障分類報(bào)警，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可對監(jiān)測到的故障分級管理，不影響測量過程的故障以閃光形式提示用戶，致命性故障則觸發(fā)聲光報(bào)警，并立即進(jìn)入待機(jī)模式，防止發(fā)生意外。

3 站點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 桁架式測流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桁架測流系統(tǒng)需要在灌區(qū)關(guān)鍵的干渠量水點(diǎn)安裝鋼結(jié)構(gòu)測橋，建設(shè)測流房。安裝測流小車及控制系統(tǒng)，軌道測流站點(diǎn)現(xiàn)場安裝情況如圖1所示。

圖1 軌道測流站點(diǎn)現(xiàn)場安裝示意圖

測流房建設(shè)于渠道右側(cè)，具體施工方案可根據(jù)現(xiàn)場情況選定。測流房最小建設(shè)尺寸為2 250 mm×2 400 mm(長×寬)，軌道的一側(cè)可于適當(dāng)位置安裝防盜門，供工作人員及調(diào)試人員進(jìn)入測流房。測流房附近安裝視頻監(jiān)控1套，采用4G球機(jī)，立桿安裝。系統(tǒng)供電采用太陽能供電。主要設(shè)備包括：渠道斷面自動(dòng)測流車1臺、通訊控制箱1套、旋槳型流速儀1臺、蓄電池12V60AH 1個(gè)。

3.2 纜道式測流系統(tǒng)

渠道斷面自動(dòng)測流系統(tǒng)包括基礎(chǔ)設(shè)施(纜繩軌道、測流房)、渠道斷面自動(dòng)測流車、系統(tǒng)配套設(shè)施，系統(tǒng)軟件4部分組成。系統(tǒng)示意如圖2所示。測流系統(tǒng)效果如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)示意圖

鐵塔及纜索：

(1) 鐵塔

鐵塔采用八棱變徑鋼管，總高度2.3 m，壁厚6 mm，法蘭盤直徑700 mm，厚度22 mm。

圖3 纜道式測流系統(tǒng)效果示意圖

(2) 鐵塔及錨桿基礎(chǔ)

鐵塔基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號為C20，尺寸1.7 m×1.7 m×2 m(長×寬×高)；錨桿基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號為C20，尺寸1.7 m×1.4 m×2 m(長×寬×高)；

3.3 明渠雷達(dá)遙測站

明渠雷達(dá)遙測站安裝需要考慮渠道的寬度和邊坡的環(huán)境，保證探頭牢固和穩(wěn)定且要垂直與水面并且可以監(jiān)測到渠道內(nèi)的最低水位。設(shè)備箱、太陽能板固定在鋼桿上。根據(jù)渠道寬度采用的設(shè)計(jì)，渠道上口小于10 m的站點(diǎn)，設(shè)備鋼桿采用直徑為?165 mm的鋼管制作，立桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C25混凝土，尺寸為1 000 mm × 1000 mm × 1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于10 m且小于15 m的站點(diǎn)，設(shè)備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于15 m且小于30 m的站點(diǎn)，渠道兩岸各立桿安裝1套設(shè)備，設(shè)備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)；渠道上口大于30 m的站點(diǎn)，渠道兩岸各立桿安裝1套設(shè)備，支臂采用15m的加長支臂，設(shè)備鋼桿采用直徑為?219 mm的鋼管制作，立桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C25混凝土，尺寸為1 800 mm×1 800 mm×1 000 mm(長×寬×深)。明渠雷達(dá)流量計(jì)安裝示意如圖4所示。

圖4 明渠雷達(dá)流量計(jì)安裝示意圖(渠道口寬B>30)

3.4 明渠電磁流量遙測站

流量計(jì)安裝處斷面用C25混凝土澆筑擋墻，確保渠道內(nèi)水全從超聲波明渠流量計(jì)流過。設(shè)備箱、太陽能板固定在鋼桿上。設(shè)備鋼桿采用直徑為?165 mm的鋼管制作，桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C25混凝土，尺寸為長1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm(長×寬×深)。明渠電磁流量遙測站安裝如圖5所示。

圖5 明渠電磁流量遙測站安裝示意圖

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

引黃節(jié)水項(xiàng)目信息化建設(shè)本著實(shí)用、先進(jìn)、可靠、可擴(kuò)展、運(yùn)維簡單等技術(shù)原則，建設(shè)適合陵城區(qū)的量水模式。與傳統(tǒng)人工量測相比，采用高精度的測量設(shè)備(測速精度：±0.01 m/s)，測量結(jié)果精度大幅度提高，從而實(shí)現(xiàn)直管渠系的精準(zhǔn)計(jì)量，通過信息化手段，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸至信息中心，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的收集、傳輸、整合與分析，可實(shí)現(xiàn)用水信息管理，以及用水粗放型管理向精細(xì)化管理的轉(zhuǎn)變。測水量水工程建設(shè)切合實(shí)際地服務(wù)于量水工作，自動(dòng)化監(jiān)測、傳輸手段的應(yīng)用減輕管理人員的工作負(fù)擔(dān)。實(shí)現(xiàn)了水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測、計(jì)劃用水和節(jié)約用水管理目標(biāo)。

4.2 建 議

灌區(qū)節(jié)水配套改造工程建設(shè)可提高灌區(qū)水資源利用效率，信息化平臺的搭建可降低管理人員工作強(qiáng)度，提高水資源管理效率。陵城區(qū)引黃灌區(qū)節(jié)水改造工程及信息化平臺建設(shè)工程具有重要的意義，還需政府加大投資力度，在政策、資金、物資等方面予以傾斜和優(yōu)惠，為加快灌區(qū)節(jié)水改造及信息化平臺建設(shè)速度提供保障。