張貴芳

（河南省水文水資源測(cè)報(bào)中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

根據(jù)水利部對(duì)取水監(jiān)測(cè)計(jì)量體系建設(shè)要求，0.30萬hm2以上大中型灌區(qū)渠首取水口在線計(jì)量實(shí)現(xiàn)全覆蓋，一般中型灌區(qū)渠首取水口若符合安裝在線計(jì)量設(shè)施的應(yīng)實(shí)現(xiàn)在線計(jì)量，不符合安裝在線計(jì)量的可采用推算或折算的方式計(jì)量。對(duì)在渠首取水口安裝在線計(jì)量設(shè)施，對(duì)灌區(qū)取水量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌握農(nóng)業(yè)灌溉用水量的大概情況。文章以灌區(qū)渠首取水口安裝雷達(dá)流量計(jì)，采用流速面積法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉用水量作為案例，闡述灌區(qū)取水量在線監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。

1 測(cè)流方式選擇

目前測(cè)流傳感器主要分為兩大類：接觸式和非接觸式。其中接觸式測(cè)流傳感器有多普勒超聲波流量計(jì)、V-ADCP、H-ADCP等，非接觸式測(cè)流傳感器主要使用是雷達(dá)流量計(jì)。雖然測(cè)流方法多種多樣，但從原理上概括起來主要分為兩大類：水位流量關(guān)系法、流速面積法。雷達(dá)流量計(jì)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)主要在于它是非接觸監(jiān)測(cè)，易于運(yùn)維，可實(shí)現(xiàn)24 h對(duì)流速、水位、流量監(jiān)測(cè)，且安裝施工簡單，汛期和非汛期均可安裝。從河南省大中型灌區(qū)渠首安裝在線計(jì)量設(shè)施的實(shí)際情況來看，大部分采用流速面積法，使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是雷達(dá)流量計(jì)。

2 監(jiān)測(cè)斷面選址

渠道型監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)斷面的選址非常重要，不宜選取在彎道、流態(tài)不穩(wěn)、有沙洲崩岸、死水的斷面處、也不宜選取在水工建筑物上游處。選擇這樣的監(jiān)測(cè)斷面，一般會(huì)流速不穩(wěn)，監(jiān)測(cè)到的水位、流速值會(huì)發(fā)生跳變，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法代表真實(shí)情況，無法滿足測(cè)量精度要求。雷達(dá)流量計(jì)安裝位置應(yīng)距離渠首出水口一定距離，監(jiān)測(cè)設(shè)備上游順直段應(yīng)滿足10倍渠寬，下游順直段應(yīng)滿足5 倍渠寬。同時(shí)也應(yīng)考慮所選擇的位置后期是否適宜水位、流速的人工實(shí)測(cè)。為保證取水計(jì)量精度，每年應(yīng)開展流量率定、水位-流量關(guān)系率定。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝調(diào)試與數(shù)據(jù)接入應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

安裝前準(zhǔn)備：儀器設(shè)備安裝前需要現(xiàn)場(chǎng)工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并定制儀器設(shè)備的立桿及支架，目的是確保傳感器所在測(cè)流垂線為渠道中線位置。

安裝基礎(chǔ)及防雷接地制作：安裝基礎(chǔ)尺寸一般為0.80 m×0.80 m×0.80 m，防雷接地要求為接地電阻<10 Ω。

立桿及保護(hù)箱安裝：將提前定制好的立桿固定安裝于混凝土基礎(chǔ)，并將三防箱固定于立桿側(cè)壁。三防箱材質(zhì)應(yīng)采用防銹材質(zhì)。

安裝時(shí)盡量使雷達(dá)流量計(jì)上蓋平面與水面處于平行狀態(tài)，從而保證測(cè)水位的雷達(dá)波束與水面垂直，即橫滾角在±3°內(nèi)；測(cè)流速雷達(dá)波束與水面間的夾角（即俯仰角）約55°，以保證測(cè)量的精度。

雷達(dá)流量計(jì)中的傳感器通過通信電纜和485 轉(zhuǎn)USB 接口與電腦連接，并連接電源。

3.2 參數(shù)配置

雷達(dá)流量計(jì)可通過專用的上位機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

3.2.1 設(shè)置安裝高度參數(shù)

設(shè)置“設(shè)備參數(shù)1”區(qū)域的參數(shù)時(shí)，填寫安裝高度，然后對(duì)應(yīng)點(diǎn)擊“設(shè)置”，顯示設(shè)置成功即完成安裝高度的設(shè)置。

3.2.2 設(shè)置斷面形狀參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)安裝人員根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)量結(jié)果，設(shè)置對(duì)應(yīng)的尺寸參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)常見結(jié)構(gòu)形狀有梯形、矩形、圓形和不規(guī)則形狀。①當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面結(jié)構(gòu)形狀為規(guī)則形狀時(shí)，斷面形狀選擇項(xiàng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，輸入對(duì)應(yīng)的尺寸（如底寬、口寬、渠高等）參數(shù)，界面可自動(dòng)顯示斷面形狀剖面圖，對(duì)比監(jiān)測(cè)斷面剖面圖與實(shí)際形狀無誤后，點(diǎn)擊“設(shè)置”即可。②當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)形狀不在梯形、矩形、圓形結(jié)構(gòu)范圍之內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面形狀應(yīng)選擇不規(guī)則，此時(shí)需要設(shè)置多組不同的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。斷面結(jié)構(gòu)設(shè)置如下：點(diǎn)擊“清空”，以左側(cè)零點(diǎn)為源點(diǎn)，分別將1、2、3、4、5、6 點(diǎn)位相對(duì)于零點(diǎn)的距離輸入坐標(biāo)表格中。點(diǎn)擊“設(shè)置”，顯示監(jiān)測(cè)斷面的剖面圖，即可設(shè)置成功。

3.3 遙測(cè)終端機(jī)調(diào)試

遙測(cè)終端機(jī)調(diào)試順序一般為：①先接通電源。如果是交流電供電，首先應(yīng)合上交流電源的空氣開關(guān)，再合上數(shù)據(jù)采集終端的電源開關(guān)，完成供電；如果是太陽能（蓄電池）供電，則合上數(shù)據(jù)采集終端的電源開關(guān)，完成供電。②配置參數(shù)。配置內(nèi)容包括站號(hào)、傳感器類型、數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔等各項(xiàng)參數(shù)，具體需配置的參數(shù)應(yīng)按照水資源數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約中上傳和存儲(chǔ)要求進(jìn)行配置。雙擊配置軟件圖標(biāo)打開計(jì)算機(jī)USB參數(shù)配置軟件，點(diǎn)擊主界面上的“參數(shù)設(shè)置”，按照水資源數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約進(jìn)行RTU相關(guān)參數(shù)設(shè)置，見圖1。然后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收端服務(wù)器IP及端口信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置。③系統(tǒng)聯(lián)調(diào)遙測(cè)終端機(jī)參數(shù)設(shè)置完畢后，需要手動(dòng)遙測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上報(bào)至水資源監(jiān)控平臺(tái)，確保現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)一致。

圖1 RTU參數(shù)配置圖

3.4 比測(cè)數(shù)據(jù)要求

為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，還應(yīng)開展監(jiān)測(cè)斷面測(cè)量、數(shù)據(jù)比測(cè)工作。監(jiān)測(cè)斷面的大斷面測(cè)量應(yīng)包括測(cè)量數(shù)據(jù)和大斷面圖，大斷面圖包括起點(diǎn)距和高程，同時(shí)應(yīng)明確水位和流速測(cè)量設(shè)備的位置。

因?yàn)槔走_(dá)流量計(jì)所采用的流量計(jì)算方法一般為流速面積法，其中流速由雷達(dá)流速儀測(cè)得，過水面積需要通過實(shí)測(cè)水深以及監(jiān)測(cè)大斷面實(shí)時(shí)計(jì)算。所以在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)的同時(shí)，需要進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)大斷面測(cè)量工作，并將該大斷面信息錄入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)計(jì)算過水面積，進(jìn)而計(jì)算得出實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)。渠道型監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)根據(jù)所錄監(jiān)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)，可自動(dòng)形成大斷面橫剖面圖。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入進(jìn)水資源監(jiān)控平臺(tái)后，后期仍需人工對(duì)水位、流速、流量進(jìn)行比測(cè)，并將比測(cè)數(shù)據(jù)錄入渠道型監(jiān)測(cè)站管理系統(tǒng)，計(jì)算出高中低水位對(duì)應(yīng)的率定流量系數(shù)。

3.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入與水量計(jì)算

監(jiān)測(cè)設(shè)備調(diào)試成功后，RTU通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)至水資源監(jiān)控平臺(tái)，然后渠道型監(jiān)測(cè)站管理系統(tǒng)從水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫獲取解析后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過流速面積法自動(dòng)對(duì)水量進(jìn)行計(jì)算。

通過明渠在線流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)及運(yùn)行，管理人員可隨時(shí)在渠道型監(jiān)測(cè)站管理系統(tǒng)查詢灌區(qū)用水量情況，并且可根據(jù)年許可水量實(shí)現(xiàn)用水速率預(yù)警及用水量預(yù)警分析，為灌區(qū)管理者提供決策科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

通過灌區(qū)渠首取水口安裝在線計(jì)量設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)用水量計(jì)量自動(dòng)采集，為水行政主管部門對(duì)于農(nóng)業(yè)用水總量指標(biāo)控制、水資源優(yōu)化配置與監(jiān)管提供了基本數(shù)據(jù)支撐，為按水計(jì)量征收水費(fèi)和經(jīng)濟(jì)用水管理提供較可靠的依據(jù)。