灌区量测水技术及装备

Page1灌区量测水技术及装备水利部南京水利水文自动化研究所NanjingAutomationInstituteofWaterConservancyandHydrologyMinistryofWaterResourcesP.R.CPage2目录南京水利水文自动化研究所主要内容第一部分灌区量测水基本要求和方法第二部分流速面积法的流量测量技术第三部分水位流量关系的流量测量技术第四部分灌区量测水信息化系统建设要点Page3第一部分灌区量测水基本要求和方法Page4“数字灌区”的建设是汇集了多种学科的多种技术，也是一个技术高度集成的信息化系统，“数字灌区”主要由信息的采集、传输、存储、分析处理、信息表示五部分组成。量测水监测站信息传递遥测通信网接收处理中心站组成可由网络与其他系统进行信息交换灌区量测水自动监测站是“一种能自动进行观测和发送或记录灌区用水观测数据的仪器。如果需要，可直接地或在中心站编发灌区量测水水情报告，也可按业务需求编制各类灌区水管理报表。”南京水利水文自动化研究所Page5灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区信息采集由三部分组成，分别为灌区测量对象部分、各类传感器部分、灌区数据采集部分。根据灌区信息采集的需要，数据采集终端由数据采集子系统、数据预处理子系统和后备电源子系统构成，实现对现场数据的实时采集、处理、存储及保护。数据采集子系统由模拟量输入模块、数字量输入模块组成，实现现场数据的实时采集。数据预处理子系统是一包含数据采集控制、数据预处理、数据存储保护、数据通讯控制等模块的单片机应用系统，在数据采集终端允许的条件下，对采集到的数据做适当的运算处理，并对其进行可靠保护，为数据通讯做好准备。数字灌区量测水需求Page6灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区信息传输技术用于灌区数据通信网络的建设。根据灌区信息化及“数字灌区”对通信网功能的要求，建立通信网时采用有线与无线相结合的方式进行。有线网采用专网与公网相结合的方式建立，无线网采用GSM（SMS/GPRS）、CDMA、超短波、卫星、扩频微波等方式建立。数字灌区量测水需求Page7灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所对灌区的各类雨情、水情、工情、灾情及各种实时数据、预报数据，水资源遥感信息、地理数据信息的存取主要采用目前主流的关系型数据库管理系统，其技术比较成熟，比如：Oracle、MicrosoftSqlServer、Sybase等大型数据。根据现有灌区的组织体系，各部门除了有共同的数据之外，还有自己的数据，而且大部分的数据都是由各个监测站、测控站、管理站输入或上传，采用集中式数据库管理方式和分布式数据库管理方式。数字灌区量测水需求Page8灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所《大型灌区信息化建设技术指南》中按照灌区数据更新的频度及时限长短分为灌区的基本信息、实时数据、多媒体数据、超文本数据和灌区空间基础数据等五类灌区信息。为了灌区的管理需要而监测的量测水信息则包括以下三部分：1)灌区水资源信息。包括降水量、蒸发量、水位、流量、取水量、用水量、排（退）水量、地下水开采量、水质等监测要素。2)灌区工程信息。包括泵站、闸门、水电站等水利工程运行的闸位；闸门、泵站、工程机械启动停止信息；管道内压力等信息。3）灌区远程监控信息。对河流断面、水源地、渠道、涵闸和取排（退）水口等重要对象，实施远距离的视频监视信息；采用手工、半自动和自动等手段对重要闸门、水泵实施控制运行后的反馈信息。灌区信息监测范围Page9灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区量测水主要监测要素包括流量、总水量、水位、水质、降水量、土壤墒情等信息。不同应用场合的流量监测方法不同。明渠中的流量监测是间接测量，不能直接测得流量，而是要测量水位、水深、断面起点距、流速等多个要素，然后用数学模型计算得到流量。因而流速、水位、水深、起点距成为直接的水资源监测要素。用于满管管道流量测量的管道流量计，直接测得流量数据。用于非满管管道流量测量的管道流量测量设施，也属于间接测量，需要测量水位、流速，然后用数学模型计算得到流量。灌区取用水监测希望得到的是在某一时段内，流过明渠或管道测流断面的水量，即以水的体积计量的总水量（累积水量）。需要测量流量随时间的变化过程，从而得到总水量。灌区信息监测范围Page10灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区量测水监测信息还包括取水量、用水量、排（退）水量、地下水开采量等监测监控要素，实际上也可以归为上述各类要素监测，只是应用场合不同，还包括了压力暗涵及城市、工业的明渠管道输水测量。灌区量测水监测要素包括水利工程信息，如泵站、闸门、水库等水利工程运行的闸位；闸门、泵站、工程机械启动停止信息；管道内压力等信息。为了灌区取用水量及水资源管理调度，需要远程监控量测水信息。灌区量测水监测的主要要素是流量、水位，以及一些水利工程的运行参数。流量测量可以分为河流、渠道、管道、地下水开采流量测量。灌区量测水监测与控制要素Page11灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区量测水监测中的管道流量和部分渠道流量测量准确度要求可能高于河流流量测验要求。地下水开采流量也应用明渠和管道流量测量方法监测，能达到相应的准确度要求。为了达到较高的灌区量测水流量监测准确度要求，对有些监测要素可能提出较高的准确度要求，如要求水位监测达到毫米级精度。对一些监测控制信息，应有较高的准确度和可靠性要求。灌区量测水监测与水资源管理系统需要传输有关图像，以监视现场。对需要控制运行的泵站、闸门等设施，需要保证能可靠控制其运行，并不断监测其工作状况。灌区量测水监测与控制要素Page12灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区取用水监测要素测量准确性要求灌区取用水监测水位、流速、流量的方法与水文测验、管道流量测量方法基本相同。在明渠中监测时，量测水监测的要求可能比一般水文测验高一些，在管道流量测验中，二者要求基本一致。对仪器设备的测量准确性要求：1）明渠流量测量误差不大于5%，部分堰槽测流的流量测量误差允许为不大于8%；2）管道流量测量误差不大于5%；3）水位测量的误差不大于2‰量程，或不大于±2cm。上述要求中，明渠流量测量误差要求较高。在《流量测验规范》中，流速仪法的测量成果被认为是最准确的，可以作为其它测流方法的标准。灌区量测水基本技术要求Page13灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区取用水监测仪器设备使用环境要求1)室外设备：环境温度A类为-25～55℃，B类为-10～45℃；水体不能冰冻；相对湿度为95%；特殊环境下使用时，应对所用设备提出特殊要求。2)室内设备：环境温度为-10～+40℃；室内水质仪器的环境温度不低于0℃；相对湿度不大于95%。3)水下设备应具有相应的耐压、密封性能和耐腐蚀性。4)应能适用于一般淡水水体，包括中水和一般污水。用于严重污染水体时，应注意所用设备的适用性。5)应按《外壳防护等级（IP代码）》标准规定相应的外壳防护等级。6)有防雷电干扰要求的设备、在工业环境中应用的设备，应有电磁环境适用性要求。具体要求和试验方法应符合GB/T17626《电磁兼容试验和测量技术》的有关规定。灌区量测水基本技术要求Page14灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所灌区量测水监控设备可靠性要求1)用平均无故障工作时间（MTBF）来衡量自动测量连续工作设备的可靠性，单台设备的MTBF应大于25000h。2)在线记录仪器的MTBF应大于40000h。3)用可靠度来衡量间歇使用设备的可靠性，其可靠度R（1000）应大于0.95。可靠性要求中的平均无故障工作时间、可靠度要求和水文仪器相同，选择的等级数据要求是水文仪器中较高的要求。但水资源监测仪器具有很多类别，有些仪器设备可能达不到上述可靠性要求。灌区量测水基本技术要求其它技术要求灌区量测水监控设备应具有一定的防雷抗干扰的性能。避雷措施基本要求应符合GB50057《建筑物防雷设计规范》和SL61《灌区量测水信息管理系统技术规范》的规定。Page15灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所明渠流量监测方法明渠流量测验方法和常用水文测验方法相同，分为流速面积法、水力学法、示踪剂法和容积法。流速面积法可以分为：1）测量点流速的流速面积法；2）测量剖面流速的流速面积法；3）测量表面流速的流速面积法。水力学法分为：1）堰槽法测流；2）水工建筑物测流；3）比降法测流。示踪剂法用于较小流量测量，国内基本不使用，但国外仍有一定范围的应用。示踪剂法分为：1）一次投入法；2）恒定流量投入法。容积法是指在部分潮汛影响河流河段内，用河道槽蓄量的变化推算潮流量的方法。灌区量测水方法分类Page16灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所管道流量监测方法管道流量计分为：1）流速面积法流量计；2）体积法流量计。还有文德利管、堰箱、涡街流量计、孔板等其它形式的流量计。电磁流量计、声学流量计、流速仪流量计等属于流速面积法测量方法。部分水表属于体积法流量测量方法。文德利管、涡街、孔板流量计也需要测量流速，但并不直接测得流速。灌区量测水方法分类Page17灌区量测水基本要求和方法南京水利水文自动化研究所水位测量方法人工测量水位仍是必须存在的方法，观读水尺得到水位，并校核自动测量的水位仪器。水位测针等水位计也需要人工操作。自动测量水位是主要方法，各种水位计都可以长期自动测量水位。灌区量测水方法分类Page18第二部分流速面积法的流量测量技术及装备Page19流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所流速面积法是通过实测断面上的流速和过水断面面积来推求流量的一种方法，此法应用最为广泛。根据测定流速的方法不同，流速面积法又分为测量断面上各点流速的流速面积法、测量表面流速的流速面积法、测量剖面流速的流速面积法、测量整个断面平均流速的流速面积法。其中最常用的是应用转子式流速仪测量断面上多条测流垂线上多点流速，求得各垂线间部分断面平均流速，再根据部分断面面积求得部分流量，从而得到全断面流量。这种方法是目前河流渠道最准确的流量测量方法。常直接被称为流速仪面积法（简称流速仪法）。流速面积法Page20流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所旋杯、旋桨式流速仪Page21流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所EKL-3型全自动缆道测流系统装置水文缆道测流控制台（含缆道测距定位仪、缆道流速测算仪、交流变频调控装置）水面、河底、流速综合信号源，计算机及全自动系统处理软件等选配：水文电动绞车、测流铅鱼、缆道采样器、缆道超声波测深仪、夜间照明图象监控装置等Page22流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所流速仪面积法需要用点流速仪测量断面上较多个点流速，推算断面流速分布。使用最多的是转子式流速仪，即旋浆或旋杯式流速仪。也可以使用电磁点流速仪、多普勒点流速仪。测量表面流速的流速面积法有水面浮标测流法（简称浮标法）、电波流速仪法，这种方法是先测量水面流速，再推算断面流速。测量剖面流速的流速面积法有声学时差法、声学多普勒剖面流速仪法、电磁流速仪法等。由于旋浆流速仪基本只感应其轴向流速分量，使旋浆流速仪在一定深度均速跨越断面，可以测得这一水层的平均流速。同样，如果旋浆流速仪沿垂线均速升降，可以测得垂线平均流速。流速面积法Page23流速面积法流量测量南京水利水文自动化研究所流速面积法可以应用于大多数测流断面，也是应用最广泛的方法。流速仪面积法需要将点流速仪放入水中一定深度，这是测量的必要条件，同时要求断面比较稳定，在这二个条件基本满足时，应用点流速的流量测量可以达到规范要求。如果因流速太大等原因，点流速仪不能放入水中，只能应用浮标、电波流速仪方法测量水面流速，流量测量准确性会有较大的降低。应用声学时差法测流和声学多普勒剖面流速仪测流都具有自动化的功能，测量迅速，具有较好的准确性。但