[浅析灌区分水闸量测水自动化技术] 水闸自动化控制

　　摘要：文章介绍了灌区量测水的设备和方法以及灌区最常见的分水闸量测水自动化监测技术，对水工建筑物量测水法、流速仪测流法、水位监测、闸位监测和分水闸流量计算方法等进行了论述。
　　关键词：灌区量测水；分水闸量测水；水位监测；闸位监测；水工建筑物量测水法；流速仪测流法
　　中图分类号：S274　　　　　文献标识码：A　　　　 　文章编号：1009-2374（2012）23-0072-03
　　1　灌区量测水的设备和方法
　　国家对信息化的重视，尤其是“金水工程”列入12金工程之一，为水利行业信息化带来难得的发展契机。灌区水情的自动化监测是实现用水管理信息化的基础，对于及时、准确地掌握灌区的水情，实时拟定最佳的配水方案，提高灌区用水的管理水平具有重要的意义。
　　在灌区水情的监测过程中，被测对象（水位、闸位、流量）的信息是通过非电量/电量的转换，变成统一标准的电信号，然后，在微机监控下，进行一系列的信息加工和处理，最后输出监测结果。
　　灌区量测水的设备和方法是实现计划用水和控制灌水质量的基本措施，是实行计量收费、促进节约用水的必要工具和手段。灌区量水的方法很多，常用的有水工建筑物量测水法、流速仪测流法、水位计水位记录法、特设量水设备测流法等几种
　　方法。
　　1.1　水工建筑物量测水法
　　利用具有标准放水口的建筑物，如矩形明渠放水口、矩形暗涵放水口、圆形涵管放水口等，测量相应的闸前水深、闸后水深、启闸高度等数据，并根据相应流态下的流量计算公式计算流量。利用水工建筑物量测水，是较经济简便的方法。
　　1.2　流速仪测流法
　　流速仪测流法，是用流速仪测定水流速度，由流速与过水断面面积的乘积来推求流量的方法。其工作内容主要包括准备工作、观测水位、过水断面测量、流速测量、现场检查、计算与整理、建立数学模型和拟定水位-流量关系曲线等。该方法的优点是精度较高，但施测和计算繁琐。
　　1.3　水位计水位记录法
　　在断面稳定均直、没有回流影响的渠段内，设置水位尺，利用测绘好的水位-流量关系曲线或数学模型查出或计算出相应的流量及历时，就可计算出总的用水量。
　　1.4　特设量水设备测流法
　　当渠系建筑物不能满足测水的需求，或为取得特定渠段或灌水地段的水量资料，可以利用特设量水设备进行测水。特设量水设备常用类型有三角形量水堰、梯形量水堰、量水喷嘴、巴歇尔水槽及无吼段量水堰等。这些设备可以就地施工，也可以预制成装配式构件。
　　除了上述几种灌区常用测水方法，对于渠首、泵站等渠道关键点还可以采用超声波时差法、走航式ADCP法、超声波多普勒侧视法、泵站机组特性曲线测流法等测水方法。
　　2　灌区分水闸的量测水技术
　　2.1　分水闸量测水设备组成
　　在灌区建筑物中分水闸数量最多，起着分水配水的作用，如干渠-支渠、支渠-斗（毛）渠等。分水闸量测水系统由闸门启闭机、闸前水位传感器、闸后水位传感器、闸位传感器和量水控制单元
　　组成。
　　2.1.1　闸门启闭机。闸门启闭机是控制闸门运行的工具。由于闸门的结构形式、尺寸大小、闸孔多少、负担任务和现场布置等有所不同，启闭机的形式也各不相同，类型较多。常见的启闭机型式有卷扬机式启闭机、螺杆式启闭机、齿条式启闭机和液压式启闭机。因为灌区分水闸孔口较小，且需要闭门力，所以，它使用的启闭机多为螺杆式启闭机，特点为结构简单、价格低廉、具有下压力。
　　2.1.2　闸门前后水位传感器。水位传感器是进行闸前、闸后水位测量的仪表。用于渠道水位测量的传感器形式有全量程编码浮子式水位计、压力式水位计、气泡式水位计、超声波水位计（气介质、液介质）及电子水尺等。灌区分水闸因不便制作测井和距离闸板较近等特点，可使用压力式水位计。压力式水位计是利用硅单晶的压阻效应而研制的一种固态传感器。它由压电元件、信号放大器加上电导线和一个小直径通气管等防水软导线组成，通气管的作用是把大气压力引到压电元件的背面，在传感器的端头通过引压孔传递液体压力于压电元件的正面，从而使压电元件的压阻效应随水位或压力的变化而变化，反映出水压力。尽管压力式传感器具有放大器引入的误差、同类型传感器响应特性和标定的某些差异以及对湿度变化的敏感性等因素，但这种传感器最大的优点是精度灵敏度高、体积较小、安装方便、寿命长。
　　对于分水闸门量测水系统，要求闸前水位计安装于距离闸门约等于1/4单孔闸宽的位置，要求闸后水位计安装于距离闸门约等于1/4单孔闸宽的位置（但不得超过40cm）。
　　2.1.3　闸位传感器。闸位传感器是进行启闸高度测量的仪表。启闸高度测量的原理是将闸门的上下移动位置转化成与之对应的旋转角度，然后送入光电编码器转变成数字编码，接入闸门量水开度仪或微机进行数据处理和运算。
　　2.1.4　量水控制单元。量水控制单元是进行数据采集、显示、校正、运算、传输的核心控制仪表。量水控制单元内置了不同流态下的流量计算公式，可进行过闸流量计算，同时具备以下功能：
　　数据采集：实时采集启闸高度、闸前水深、闸后水深、瞬时流量和累计水量。
　　通讯功能：支持有线或无线通讯方式。
　　显示功能：可显示启闸高度、闸前水深、闸后水深和流量。
　　设置功能：可进行显示设置、通讯设置、数值校正、历史记录查询。
　　接口：至少具有闸位（12位格雷码）输入口、2个水位输入接口（4～20mA）、RS485通讯接
　　口等。
　　2.2　分水闸工作流态分析
　　通过分水闸的流态，一般分为闸门全开自由流、闸门全开潜流、有闸控制自由流和有闸控制潜流四种。各种流态方式，通常H为上游水深或闸前水深（m）；hH为下游水深（m）；hw为启闸高度（m）；h1为闸后水深（m）；Z1为闸前后水位差（m），Z1＝H－h1。
　　2.3　分水闸流量公式与系数的选择
　　通过分水闸的流量，是根据闸前水深、闸后水深、启闸高度、闸宽等数据利用流量公式计算出来的，流量公式的选择随分水闸流态而定。流量系数则根据建筑物类型及入口形式而定。对于灌区分水闸，流量公式的选择，可根据分水闸工作流态形式确定，流量系数可按照建筑物类型为矩形明渠单孔放水口和翼墙形式查“各类闸、涵建筑物在不同水流形态、不同翼墙类型下流量系数表”获得。