渠道测水方案

灌区（末级）渠道量测水技术方案

唐山现代工控技术有限公司

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第一章灌区（末级）渠道量测水技术方案

1.1概述

目前灌区水费征收制度中，对于用水终端用户普遍采用以亩计费而不是以用水量收费，随着工农业生产和生活用水量的持续增长以及水资源的严重不足，国家水利部门推出政策，推广灌区渠道计量，特别是末级渠道的监测和计量。

灌区明渠道的监测和计量除人工方法外，目前有三种形式：

●干、支、斗渠水位流量监测计量；

●末级渠道水位流量监测计量；

●渠道闸门过闸流量监测计量。

1.2采用技术

1.2.1渠道监测计量

渠道监测计量包括水位监测和流量计算，水位采集监测采用技术包括水位传感器、水位流量监测仪、供电系统、通讯系统和现地设备的防护。常用水位传感器有3种：超声波水位计、投入式水位计和浮子水位计。供电方式一般采用太阳能或蓄电池。数据通讯采用中国移动公司或中国联通公司的无线网络平台。现地设备防护一般采用测井房或包括整体防护在内的一体化测井。

此外，在黄河灌域或西北灌域，渠道底部泥沙沉积较多，测量水位时应采用淤沙测厚传感器去掉泥沙厚度，测取有效水位。

1.2.2流量计量

灌区流量计量分为渠道计量和闸门计量。明渠渠道计量采用水位-流量关系法和流速-面积法。水位-流量关系法利用水工建筑物，如计量渠、堰、槽，将水位与流量的关系公式或数表作为依据，通过测量水位算出瞬时流量和累积流量。流速-面积法则是通过已知渠道断面测量水位计算有效输水断面，并与所测流速相乘得到瞬时流量。

闸门流量计量利用闸前闸后水位及闸位，通过判断流态计算过闸流量和累计流量。

1.3技术方案 1.3.1渠道量测水

渠道量测水通常考虑以下因素： ●建测井和测井房的周期和费用； ●监测设备的防盗、防破坏和防潮； ●所采用水位传感器的稳定性和易维护性； ●供电； ●防雷； ●通讯； ●设备维护；

●供水结束时的设备保养。 （1）水位传感器

灌区常采用的水位传感器：投入式水位计、超声波水位计和浮子式水位计，偶有采用电容式水位计和电子水尺。

●投入式水位计在灌区大量使用，原因是成本低廉，安装方便。投入式水位计利用水本身的密度，采用在渠底感受静压力的方式测量水位。但缺点也非常明显：受水流影响得不到水位静压力，易被淤积覆盖、均有零点漂移，使得投入式水位计测量的数据既不准确也不稳定，这些固有的缺点使得其选用比例越来越小。

●超声波水位计

超声波水位计在灌区大量使用，原因是安装方便，属非接触式测量，因此不受渠道淤积的影响。缺点是：价格较贵、精度受风速和温度影响较大，零点漂移，造成数据既不准确也不稳定。典型案例就是在某大型试点灌区信息化建设中，所选用的超声波水位计和投入式水位计被全部拆除，最终被浮子水位计取代。

投入式水位计

●浮子式水位计

浮子式水位计在包括灌区在内的各种水利建设项目中最大量的使用，原因是价格适中、绝对码输出、精度高、无漂移、无死水位、不怕淤积、性能稳定，维护量极小。缺点是要求被测水面相对平静，因此在灌区使用要求建设测井。

（2）淤沙厚度传感器

在风沙较大的西北地区或黄河灌域，渠道泥沙沉积严重，所测水位实际有一部分被淤沙占有，因此造成计量流量误差较大，采用淤沙厚度传感器可测出渠底淤沙厚度，得到实际有效水位，进而得到准确的流量数据。

超声波水位计

淤沙厚度传感器

浮子水位计

灌区新型浮子水位计

（3）流速仪

利用流速面积法量测水，采用水位计和已知渠道几何尺寸得到渠道输水断面，再利用流速仪测得平均流速，从而得到计算流量。在此量测水方法中，最常采用的流速仪为旋浆式流速仪和超声波多普勒流速仪。

旋浆式流速仪使用方便，准确有效，价格低廉，缺点是必须由人工进行观测，无法实现实时、在线自动观测，一般用于定时人工观测和量水建筑物水位/流量关系精度率定。

超声波多普勒流速仪采用先进的多普勒相控阵技术，在所测轨迹上实现多点测量，测量精度高，但价格过于昂贵，无法普及应用。超声波多普勒流速仪分走航式和固定安装式，走航式流速仪使用方便，精度高，缺点是测量必须有人参与，不能现场安装和实时监测。固定安装式流速仪可实现对某一流层的多点流速实时监测，缺点是必须采用辅助设施对各流层定位或对于水位比较固定时采用以平均流速层代替整个流速计算流量，从而降低流量计量精度。

（4）测井

测井涉及到除传感器之外的所有量测水设备，包括：测井和测井房、防盗、防破坏和防潮、供电、防雷、通讯、清淤、设备维护以及供水结束时的设备保养。

渠道测井包括传统测井+测井房和一体化测井。由于测井分布分散，供电方式一般采取太阳能电池或蓄电池供电，而采用太阳能供电时必须考虑井房外太阳能供电设施的防盗防破坏和防雷、接地措施。

●在已建测井+测井房情况下，水位监测设备优先考虑以下方案：高可靠、易拆装的新型灌区浮子水位计，集超低功耗水位流量监测仪、蓄电池和GPRS 通讯模块为一体的密封采集箱。安装方法为：在测井中安装DN90

塑料下水管作为

ADCP 多普勒流速仪

旋浆式流速仪

测管，将浮子水位计组件直接插在测管上端，将插头插接在密封采集箱上安装完成。此时设备可采集水位、计算瞬时流量和累计流量、并将采集和计算所有数据上传到管理部门上位监测计算机，监测计算机对供电蓄电池电量进行监测，发现低电量时报警提示更换蓄电池。放水结束将浮子水位计组件与密封采集箱取下，带回管理部门充电保养，防止破坏和丢失。

测管及浮子水位计组件

●在未建测井情况下，应优先考虑一体化测井。一体化测井由测井、遥控

测井盖、测水管、组合式连通管、拦污栅、水泥护罩及圆形采集箱组成，圆形采集箱采用可摘走的圆形密封塑料箱体，内装水位流量监测仪、浮子水位计、GPRS 通讯模块和蓄电池，上设提手，下设浮子、重锤卡，同时设有太阳能电池接入端子。测井还配有不锈钢清淤器和无线手持参数仪。整个测井在工厂内完成整体制造和质量检测。

测井可在最短1小时内完成埋设安装，安装后的测井只是在渠道旁露出高15公分，粗40公分的圆形水泥墩。之后便可在无人看管的情况下自动进行水位采集，瞬时流量和累计流量计算以及数据传输。放水结束时，用遥控器打开水泥测井盖，取出整个圆形密封采集箱，卡好浮子和重锤，带回管理部门充电保养。

1.3.2闸门量测水

闸门量测水所采用的闸门分为电动闸门和手动闸门，无论是电动或手动，灌区大量采用的闸门是螺杆闸门。闸门量测水所考虑的因素包括：闸门开度仪应具备量测水功能，即可采集闸前水位、闸后水位和闸位，计算过闸流量和累计水量，用于总干、干、支、斗、末级渠道的水量分配和水量结算，并通过通讯网络将所有数据上传到管理部门。电动闸门量水开度仪应具有闸门控制和远程通讯功能，手动闸门测控仪应考虑超低功耗设计，以使得较小蓄电池即可工作6个月以上，并具有远程通讯功能，完成野外手动闸门无人值守情况下的自动工作。闸门启闭机应安装在闸房内，如不能建闸房，则应采用一体化手动启闭机室，但应充分考虑防盗。闸门水位计应尽量采用测井和浮子水位计，如采用投入式水位计又没有测井，应采用动水水位取样器以消除水流对投入式水位计精度的影响。闸位传感器安装时应考虑螺杆弯曲对闸位传感器齿盘可靠接触的影响，除螺杆较粗的大型闸门外，闸位传感器安装时均应采用闸位传感器随动系统，以保证闸位传感器在任何情况下都具有较高的可靠性。

测井安装现场

可摘走的圆形密封采集箱

加设水泥防护罩的测井内部结构图

闸位传感器随动系统

1.4产品介绍

灌区信息化产品包括：量测水仪表、量测水传感器、一体化量测水设备和其它相关产品。 1.4.1渠道量测水仪表 （1）闸门量水开度仪

闸门量水开度仪用于对灌区电动闸门的监测、控制、流量计算与数据传输，其特点为：

●根据闸前水位、闸后水位、闸位计算过闸流量和累计水量，具有月、日、时、分记录，水位量程、闸位量程设定及校正、流量变化率上下限（启动上传）， 根据闸宽设定流量系数，密码设定。

●屏幕显示：OLED ，全中文显示。

●显示方式：观测时显示（5分钟关闭），不观测时显示关闭，任意键唤醒 ●供电：24V

●周期：5分钟采1次，流量无超限变化时1小时记录并上传1次。记录保存6个月，新数顶旧数。

●通讯：RS-485。

闸门启闭机室

（2）手动闸门测控仪

手动闸门测控仪用于灌区手动闸门监测、流量计算与数据传输，其特点为：

●根据闸前水位、闸后水位、闸位计算过闸流量和累计水量，具有月、日、时、分记录，水位量程、闸位量程设定及校正、根据闸宽设定流量系数，密码设定。

●闸位变化启动上传。

●屏幕显示：低功耗液晶显示。

●显示方式：观测时显示（5分钟关闭），不观测时显示关闭，任意键唤醒

●供电：12V电瓶，带低电压保护

●周期：5分钟采1次，闸高、流量无变化时1小时记录1次。记录保存1个月，新数顶旧数。

●数据清零由上位机进行。

●闸动时流量随时记录（5分钟检测1次、无变化不记录）（2cm，0.05m2）,

●闸位或水位为零时不记录。

●有水费预收功能，可记录已购水量、已供水量和剩余水量，可远程水费充值。

●通讯：RS-485。

（3）恒流量闸门开度仪

恒流量闸门开度仪用于灌区闸后具有计量渠道的小流量电动闸门监测和控制，可根据计量渠道的水位或流量，利用恒流量闸门开度仪内部的PID算法，对计量渠前电动闸门进行自动调节，使计量渠道的水位或流量保持在远程设定值，完成对该渠道的水量分配和计量。产品特点：

●闸门电源：交流电、太阳能电池。

●启闭机：电动，无闸位传感器。

●闸后计量渠水位：一体化测井配套浮子水位计。

●流量计算：根据计量渠水位流量关系表计算瞬时流量和累计水量。

（4）灌溉泵站控制器

泵站控制器用于对灌区渠道灌溉水泵的监测、水量计量与控制，具有水费预收功能。产品具有以下特点：

●渠道水位、水泵电流监测、箱门打开及TM 卡输入。 ●射频卡接口。 ●水泵控制输出。 ●可显示当前剩余水量。

●根据水泵功率和效率计算出水量，可在键盘上设定系数，显示瞬时流量、累计流量和剩余水量。

●可显示时间、日期。 ●具有RS – 485通讯接口。 ●电源：12VDC 。 ●远程充值。 ●历史数据记录。

闸后渠道 闸后计量渠

●密码：2级。

●电压检测，数据保护。 ●欠费停泵功能。

●欠费运行（走水量负数）。

（5）水位流量监测仪

水位流量监测仪用于灌区渠道水位流量监测、流量计算与数据传输，产品采用超低功耗设计，具有供电蓄电池电量监视功能和无线手持参数仪水位校正与参数设置功能。其特点为：

●根据渠道水位、水位流量关系计算瞬时流量和累计水量，具有月、日、时、分记录，水位量程设定及校正、密码设定功能。

●可连接浮子水位计、投入式水位计、超声波水位计和用于管道输水的水表脉冲信号。

●数据采集：量水渠单点水位或标准断面+上、下游水位（2点水位）。 ●流量计算：各种量水渠+单点水位、标准断面+2点水位，利用公式或查表。 ●数据记录：日期、时间、瞬时流量、累计水量，节电模式：10分钟采集一次（可设），2小时上传一次（可设），保存2年，新数顶旧数。

●显示方式：8位8段液晶显示，宽温限液晶屏。 ●供电电压：12V ，带低电压检测。

●供电模式：节电模式与召测模式，可远程设定取消节电模式进入召测模式，每次召测模式设定有效时间：2小时（可设）。2小时后自动进入节电模式，以保证蓄电池的供电时间。

●箱门打开检测。

TM 卡泵站控制器

射频卡泵站控制器

●报警主动上传。

●累计范围： 0～99999999

●通讯接口：RS485

●记录时间间隔：1～255分钟可设

●断电保护：保存设置参数和历史数据，断电后数据可永久保存。采用硬件时钟，掉电后也能准确运行。

●工作环境：温度：-20℃～+70℃湿度<95％

（6）无线手持参数仪

无线手持参数仪为高技术产品，用于对灌区渠道水位流量监测和野外手闸门监测设备的无线参数设定和修改。无线手持参数仪可在空旷距离为100米，确保距离为30米的范围内对实测水位进行校准，使用非常方便。在没有通讯设备的情况下，如现场没有通讯信号，则可采集现地设备数据，带回管理部门，传输给上位计算机进行处理。

（7）淤沙渠道流量计

用于黄河灌域以及西北等地灌区含沙量较大的输水渠道的实际有效水位、淤沙厚度、瞬时流量和累计流量的测量，具有数据采集、流量计算、数据传输等功能。

1.4.2渠道量测水传感器

（1）灌区新型浮子水位计

灌区新型浮子水位计包括：编码器、浮子、平衡重锤、杯型绳轮、测管安装支架，尺寸小巧，浮子、平衡重锤经细钢丝绳跨在杯型绳轮上，测管安装支架安装在测井水位测管顶端，浮子放进测井水位测管中，整个安装过程无需调整一步到位，并保证浮子在水位测管中心位置，减小了安装和维护难度。

（2）淤沙厚度传感器

淤沙厚度传感器用于黄河灌域以及西北等地区灌区含沙量较大的输水渠道淤沙厚度测量的专用传感器。输出信号：4～20mA。量程： 0～700mm， 0～3000mm。

1.4.3渠道量测水一体化设备 （1）一体化测井

一体化测井用于灌区渠道水位、流量的监测、计量和数据传输。一体化测井由塑料测井桶、遥控钢板测井盖、DN90塑料测水管、DN50组合式连通管、拦污栅、水泥护罩及圆形采集箱组成，圆形采集箱采用可摘走的圆形密封塑料箱体，内装水位流量监测仪、浮子水位计、GPRS 通讯模块和蓄电池，上设提手，下设浮子、重锤卡，同时设有太阳能电池接入端子。测井还配有不锈钢清淤器和无线手持参数仪。整个测井在工厂内完成整体制造和质量检测。

（2）测井专用圆形密封采集箱

测井专用圆形密封采集箱由水位流量监测仪、蓄电池、GPRS 无线通讯模块、灌区新型浮子水位计和圆形密封采集箱组成。专门用于一体化测井，一体化结构使得安装和取出都非常容易。圆形密封采集箱采用ABS 工程塑料压铸而成，上盖带有提手，下方设有浮子和重锤卡，以便于放水结束后带回管理部门充电保养。圆形密封采集箱底部还设有2个接线柱，用于特殊用户连接太阳能电池板。

（3）一体化采集箱

一体化水位流量采集箱由水位流量监测仪、蓄电池、GPRS 无线通讯模块和密封采集箱组成。可外接投入式水位计、超声波水位计和浮子水位计。用于渠道水位流量的采集、计算和数据上传。内装12V ，7AH 蓄电池，保证在无人干预的情况下自动工作6个月。

内部结构图

如用手动闸门测控仪代替水位流量监测仪，则可用于灌区野外手动闸门的监测、计量和数据传输。

（4）测管浮子水位计组件

测管浮子水位计组件与一体化采集箱配套用于灌区已建测井和井房的场合，用户只需在测井中安装1根DN90下水管，即可把与一体化密封采集箱连接好的测管浮子水位计组件直接套在下水管顶端，安装即告完成。水位流量自动监测上传。放水结束取走测管浮子水位计组件与一体化采集箱充电保养。

（5）多功能手动启闭机室

多功能手动启闭机室钢板制造，用于灌区野外手动启闭机的授权操作和闸位传感器的防护，其结构如下：

9

2

1、启闭机室

2、遥控门

3、遥控锁

4、遥控门状态开关

5、随动防雨罩

6、闸位计随动系统

7、闸位计

8、手动启闭机

1.4.4其它设备

（1）闸位计随动装置

闸位计随动装置，不锈钢制造，用于灌区闸门闸位传感器的安装，使闸位传感器的啮合齿盘随闸门螺杆的弯曲自动保持固定间隙，保证传感器在任何时候都能可靠检测闸门闸位，是闸位传感器免维护的基础。可调节轴承保证适用于任何直径的闸门螺杆，配套有带随动防雨罩的专用防护罩。

（2）清淤器

清淤器不锈钢制造，用于一体化测井水位测管内的泥沙清除，操作非常方便，底部逆止软胶垫保证一次使用泥沙清除率95%以上。