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灌區(qū)水位測(cè)量記錄設(shè)備及安裝技術(shù)工學(xué)論文
摘要：水位測(cè)量施測(cè)簡(jiǎn)單直觀，易于為廣大用水戶所接受而且便于自動(dòng)觀測(cè)，因而在灌區(qū)水量計(jì)量乃至在整個(gè)灌區(qū)信息化建設(shè)中都占有十分重要的地位。目前我國(guó)灌區(qū)中水位監(jiān)測(cè)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(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心研制開(kāi)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(cè)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(jiǎn)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(méi)有水工建筑物或現(xiàn)有水工建筑物不能用于量水時(shí)，或是要求的量水精度超過(guò)水工建筑物所能達(dá)到的精度時(shí)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(cè)和計(jì)算繁雜，多在無(wú)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(shí)對(duì)明渠而言還必須輔助水位測(cè)量；四是利用浮標(biāo)量水，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，但精度低，同時(shí)也需要輔助水位測(cè)量；五是利用水尺量水，一般做法是在斷面穩(wěn)定均直、沒(méi)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(cè)水，或安設(shè)經(jīng)過(guò)換算制成的流量尺，直接測(cè)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(cè)量和流速測(cè)量是兩個(gè)基本要素，其中水位測(cè)量由于施測(cè)簡(jiǎn)單直觀，易于為廣大用水戶所接受而且便于自動(dòng)觀測(cè)，因而在灌區(qū)水量計(jì)量乃至在整個(gè)灌區(qū)信息化建設(shè)中都占有十分重要的地位。
水位測(cè)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(jiǎn)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(cè)量精度高，但對(duì)泥沙含量大的水流，測(cè)量精度會(huì)受到影響；超聲波水位傳感器為非接觸式水位測(cè)量裝置，不怕淤積、腐蝕，但價(jià)格高，精度受氣候、波浪等外界因素的影響，且存在一定的測(cè)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(cè)量精度要求、價(jià)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(lái)綜合選擇。
二、灌區(qū)水位測(cè)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(cè)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(shí)二次儀表需要對(duì)一次測(cè)量?jī)x表測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)我國(guó)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(shì)，設(shè)計(jì)、研制、開(kāi)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(shí)間基礎(chǔ)
每當(dāng)設(shè)置的采樣存儲(chǔ)時(shí)間間隔到時(shí)，微處理器打開(kāi)傳感器供電電路，測(cè)量該時(shí)間的水位值，并將水位值及該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間值存入存儲(chǔ)器中。
2．應(yīng)提供較大的存儲(chǔ)容量
灌區(qū)的實(shí)際情況是測(cè)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(zhǎng)的時(shí)間，因此初步設(shè)計(jì)中可以考慮按10ｍｉｎ存儲(chǔ)一條水位記錄，可以存儲(chǔ)某個(gè)測(cè)流斷面超過(guò)1年的水位數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)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(guó)灌區(qū)大部分測(cè)流點(diǎn)位置偏僻，能源供應(yīng)困難，即便就地采用太陽(yáng)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(gè)6Ｖ、4Ａ的蓄電池應(yīng)連續(xù)正常工作2個(gè)月左右；同時(shí)儀表還應(yīng)可外接大容量的電池，或采用太陽(yáng)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(zhǎng)期工作在野外無(wú)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(duì)提取數(shù)據(jù)方式有不同的需求，在滿足水位數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(shí)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(guò)ＩＣ卡轉(zhuǎn)儲(chǔ)、普通電話、ＧＳＭ通信、無(wú)線超短波電臺(tái)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(shí)間可人為修正，以保證多臺(tái)儀表有共同的時(shí)間基礎(chǔ)；采樣存儲(chǔ)時(shí)間間隔可人為在二次儀表上設(shè)定，以滿足不同用戶對(duì)采樣密度的不同要求；同時(shí)，其他有關(guān)測(cè)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(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心研制開(kāi)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(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、傳輸、處理提供技術(shù)和設(shè)備支撐，同時(shí)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程，而且同樣適用于灌區(qū)地下水位的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。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(cè)量記錄設(shè)備的土建安裝
對(duì)用戶而言，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(duì)壓力式傳感器而言，鋼管放置的角度不影響測(cè)量結(jié)果。同時(shí)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(wú)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(shí)為避免波浪等對(duì)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(cè)水井，并將其與渠道連通。
4．就近建筑物安裝
如果在測(cè)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(guò)地埋電纜將主機(jī)引入房屋中，觀測(cè)人員可足不出戶了解水位實(shí)時(shí)變化情況。這種方式特別適用于測(cè)流房或測(cè)流站與測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)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(yǔ)
在灌區(qū)用水管理中，水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，一定時(shí)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(shí)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(shí)傳送往往需要價(jià)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(duì)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(shí)動(dòng)態(tài)自記即可滿足實(shí)際需求，從而大幅度降低整個(gè)灌區(qū)水情測(cè)報(bào)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(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)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(guó)水利水電出版社12．
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