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灌區(qū)水位測量記錄設(shè)備及安裝技術(shù)工學(xué)論文
摘要：水位測量施測簡單直觀，易于為廣大用水戶所接受而且便于自動觀測，因而在灌區(qū)水量計(jì)量乃至在整個灌區(qū)信息化建設(shè)中都占有十分重要的地位。目前我國灌區(qū)中水位監(jiān)測采用的傳感器依據(jù)輸出量的不同主要分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器，結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際需求，由國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心研制開發(fā)生產(chǎn)的ＷＲ－２０００系列專利產(chǎn)品，可較好地與此連接，滿足灌區(qū)水位測量、記錄等需要。
關(guān)鍵詞：信息化水位傳感器安裝
一、概述
灌區(qū)量水設(shè)備和量水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃用水和控制灌水質(zhì)量的基本措施，是實(shí)行按方收費(fèi)、促進(jìn)節(jié)約用水的必要工具和手段。灌區(qū)量水常用的方法包括：一是利用水工建筑物量水，其特點(diǎn)是較為經(jīng)濟(jì)而且簡便；二是利用特設(shè)的量水設(shè)備量水，其特點(diǎn)是成果比較精確，但設(shè)備費(fèi)用較高，一般在沒有水工建筑物或現(xiàn)有水工建筑物不能用于量水時，或是要求的量水精度超過水工建筑物所能達(dá)到的精度時采用；三是利用流速儀量水，其特點(diǎn)是成果精確，但費(fèi)用高，施測和計(jì)算繁雜，多在無水工建筑物及特設(shè)量水設(shè)備不可利用的情況下使用，同時對明渠而言還必須輔助水位測量；四是利用浮標(biāo)量水，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)簡單，但精度低，同時也需要輔助水位測量；五是利用水尺量水，一般做法是在斷面穩(wěn)定均直、沒有回水影響的渠段內(nèi)設(shè)置水位尺，利用水位流量關(guān)系測水，或安設(shè)經(jīng)過換算制成的流量尺，直接測讀流量，但精度稍差。從以上灌區(qū)量水的基本方法可以看出，水位測量和流速測量是兩個基本要素，其中水位測量由于施測簡單直觀，易于為廣大用水戶所接受而且便于自動觀測，因而在灌區(qū)水量計(jì)量乃至在整個灌區(qū)信息化建設(shè)中都占有十分重要的地位。
水位測量主要依靠水位傳感器實(shí)現(xiàn)。目前采用的水位傳感器主要有浮子式傳感器、壓力式水位傳感器和超聲波水位傳感器。浮子式水位傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，工作可靠，使用及維修方便而被廣泛使用；壓力式水位傳感器采用擴(kuò)散型硅壓阻傳感器作為敏感元件，內(nèi)含溫度補(bǔ)償功能，因此測量精度高，但對泥沙含量大的水流，測量精度會受到影響；超聲波水位傳感器為非接觸式水位測量裝置，不怕淤積、腐蝕，但價格高，精度受氣候、波浪等外界因素的影響，且存在一定的測量盲區(qū)。因此在具體工作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，考慮測量精度要求、價格承受能力、安裝維護(hù)方便、運(yùn)行可靠安全等多方面因素來綜合選擇。
二、灌區(qū)水位測量記錄設(shè)備的設(shè)計(jì)要素
水位傳感器確定之后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選定測量記錄設(shè)備。一方面，作為一次儀表的水位傳感器需要二次儀表數(shù)據(jù)記錄儀的電源支持，同時二次儀表需要對一次測量儀表測量信號進(jìn)行處理。根據(jù)我國灌區(qū)特點(diǎn)和現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求并考慮發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)、研制、開發(fā)、生產(chǎn)一類實(shí)用產(chǎn)品。它應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1．應(yīng)提供記錄時間基礎(chǔ)
每當(dāng)設(shè)置的采樣存儲時間間隔到時，微處理器打開傳感器供電電路，測量該時間的水位值，并將水位值及該點(diǎn)對應(yīng)的時間值存入存儲器中。
2．應(yīng)提供較大的存儲容量
灌區(qū)的實(shí)際情況是測量點(diǎn)量大面廣，頻繁提取數(shù)據(jù)不太現(xiàn)實(shí)，而且原始記錄數(shù)據(jù)希望能夠保存盡可能長的時間，因此初步設(shè)計(jì)中可以考慮按10ｍｉｎ存儲一條水位記錄，可以存儲某個測流斷面超過1年的水位數(shù)據(jù)，而且存儲器應(yīng)在掉電的情況下保證數(shù)據(jù)不丟失。
3．應(yīng)采用微功耗和休眠技術(shù)
我國灌區(qū)大部分測流點(diǎn)位置偏僻，能源供應(yīng)困難，即便就地采用太陽能供電系統(tǒng)，除投資顯著增加外，日常養(yǎng)護(hù)也十分困難，因此首選方案應(yīng)是采用蓄電池，結(jié)合微功耗元器件和休眠技術(shù)，一個6Ｖ、4Ａ的蓄電池應(yīng)連續(xù)正常工作2個月左右；同時儀表還應(yīng)可外接大容量的電池，或采用太陽能電池板充電，或在有條件的地方可以直接使用交流電源，從而滿足不同用戶的需求，保證儀表可以長期工作在野外無電環(huán)境下。
4．應(yīng)提供多種數(shù)據(jù)提取方式
不同的用水戶在不同的階段對提取數(shù)據(jù)方式有不同的需求，在滿足水位數(shù)據(jù)長期按指定間隔記錄外，用戶也可根據(jù)實(shí)際條件的變化，采用實(shí)時方式遠(yuǎn)程提取數(shù)據(jù)。不僅可以直接讀取記錄儀中的水位數(shù)據(jù)，而且可以通過ＩＣ卡轉(zhuǎn)儲、普通電話、ＧＳＭ通信、無線超短波電臺等多種方式完成數(shù)據(jù)的提取。
5．應(yīng)提供基本參數(shù)設(shè)置功能
記錄儀的系統(tǒng)時間可人為修正，以保證多臺儀表有共同的時間基礎(chǔ)；采樣存儲時間間隔可人為在二次儀表上設(shè)定，以滿足不同用戶對采樣密度的不同要求；同時，其他有關(guān)測量水位的量程、傳感器安裝位置校準(zhǔn)等也應(yīng)能夠在二次儀表上直接設(shè)定完成。
由國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心研制開發(fā)生產(chǎn)的ＷＲ－2000系列專利產(chǎn)品，可與灌區(qū)普遍采用的數(shù)字傳感器和模擬傳感器進(jìn)行連接，并滿足以上設(shè)計(jì)要素，為灌區(qū)水位測量、記錄、存儲、傳輸、處理提供技術(shù)和設(shè)備支撐，同時該設(shè)備提供了多種取數(shù)方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，選取不同的配件實(shí)現(xiàn)不同的通信方式。當(dāng)然這種設(shè)備不僅可以連續(xù)記錄渠道水位的動態(tài)變化過程，而且同樣適用于灌區(qū)地下水位的長期監(jiān)測。如輔助必要的軟件系統(tǒng)，可完成灌區(qū)灌溉管理的用水統(tǒng)計(jì)。
三、灌區(qū)水位測量記錄設(shè)備的土建安裝
對用戶而言，現(xiàn)場安裝首先應(yīng)考慮一次傳感器和二次記錄設(shè)備的安裝和保護(hù)。根據(jù)部分灌區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就自記式水位計(jì)而言，可以歸納為如下幾種安裝方式。
1．預(yù)制結(jié)構(gòu)安裝
用戶可以在水尺處固定鋼管，將傳感器置于其中進(jìn)行實(shí)時記錄，水位計(jì)主機(jī)安放在預(yù)制好的鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。應(yīng)該注意的是，安放傳感器的鋼管一般應(yīng)在背水面打孔，下端的孔應(yīng)高于傳感器的金屬部件，上端的孔應(yīng)低于正常水位或設(shè)計(jì)水位，鋼管是否需要垂直放置取決于一次傳感器的類型和渠道斷面形狀，對壓力式傳感器而言，鋼管放置的角度不影響測量結(jié)果。同時鋼管的下沿與渠底應(yīng)有一定距離，在保證不被淤積的情況下，盡可能靠近渠底。
2．旱井式安裝
水位計(jì)和傳感器均安裝在旱井中，旱井的作用主要是基于儀器安全和防止泥沙淤積的結(jié)構(gòu)需要。本結(jié)構(gòu)可以將傳感器安裝在低于渠底的位置，因而可以感應(yīng)小水位的數(shù)據(jù)，從而克服預(yù)制結(jié)構(gòu)安裝中傳感器以下的水位無法感知的缺陷。
3．靜水井式安裝
在安裝浮子式傳感器的地方，由于浮子是垂直感應(yīng)水面的變化，同時為避免波浪等對浮子的影響，需要布設(shè)靜水井，靜水井與渠道水體保持連通。實(shí)際安裝中，將浮子置于該井中，二次儀表也可以置于該井水面以上的地方。在泥沙淤積不太嚴(yán)重的地方，也可在渠道側(cè)面修建測水井，并將其與渠道連通。
4．就近建筑物安裝
如果在測流點(diǎn)附近有房屋或其他固定建筑物，為保護(hù)儀器免受人為或天氣影響，可通過地埋電纜將主機(jī)引入房屋中，觀測人員可足不出戶了解水位實(shí)時變化情況。這種方式特別適用于測流房或測流站與測流斷面距離較近（１ｋｍ以內(nèi)為宜）的地方，它不僅可以節(jié)約水位實(shí)時監(jiān)測的電源費(fèi)用，而且可以大幅度降低通信費(fèi)用。其一次儀表的安裝與其他方式相同。
四、結(jié)語
在灌區(qū)用水管理中，水位的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時傳送并不總是需要同步完成，自記式水位計(jì)可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求，完成水位的動態(tài)實(shí)時監(jiān)測和記錄，一定時間之內(nèi)，灌區(qū)管理者可以從自記式水位計(jì)主機(jī)中將帶有時間標(biāo)志的水位數(shù)據(jù)取回，并做出相應(yīng)的分析。實(shí)時傳送往往需要價格不菲的通信費(fèi)用和電費(fèi)，它一般應(yīng)用在重要渠段、有防汛任務(wù)的渠段、上下游交接水量的渠段。對灌區(qū)灌溉而言，大多數(shù)支斗口渠道實(shí)現(xiàn)水位水量實(shí)時動態(tài)自記即可滿足實(shí)際需求，從而大幅度降低整個灌區(qū)水情測報的費(fèi)用。而且隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高和技術(shù)的不斷發(fā)展，自記式水位計(jì)可以十分方便地與多種通信方式連接，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時傳送。因此，在灌區(qū)灌溉管理的技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，有選擇地確定傳感器類型、安裝方法和通信模式。
參考文獻(xiàn)：
1蔡勇熤苊饕主編．灌區(qū)量水實(shí)用技術(shù)指南．北京：中國水利水電出版社12．
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