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□ 谢崇宝 黄 斌 高占义
灌区量水，是节约用水、提高灌水质量和灌溉效率的有力措施，是实行计划用水和准确引水、输水、配水和灌水的重要手段，也是计收水费的主要依据。灌区常用的量水方法包括水工建筑物量水、特设量水设备量水、流速仪量水等。具中流速仪量水成果精确，但费时费力，设备费用高，不便于水量信息的实时监测，一般用于水位流量关系的校核率定和重要控制断面的水量施测。在灌区用水管理信息化建设中，水工建筑物量水和特设量水设备量水占有重要的地位。灌溉渠系上各种类型的配套建筑物只要符合一定的量水水力学条件(上下游水头差不小于5cm，且当水流呈淹没状态时，其淹没度不大于0.95)，都可以用作量水，它既可减少因灌溉系统设置量水设施所产生的水头损失，又可节省大量的附加量水设备的建设费用。这些水工建筑物包括启闭式闸门、涵洞放水口、叠梁式闸门、跌水、倒虹吸、渡槽、小水库台阶式卧管等；特设量水设备由行近渠槽、量水建筑物和下游段二部分组成，通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩．使其上下游形成一定的落差水头而得到较为稳定的水位与流量关系，一般可分为堰槽类、管孔类、仪表类和调控类。为方便论述，本文将标准断面量水也分类在特设量水建筑物之列。对水量的计算或计量，无论采用何种方法，都需要采集水位或流速指标。各种类型的一次传感器如压力式、浮子式、超声波式、电磁式、水表等和各式各样的二次仪表已经被开发出来，并在实际中得到应用。但适合于其他领域或行业的计量设备，未必能有效地适应我国灌区特点和现阶段的管理水平。总体看来，我国灌区量水缺乏相应的测量技术和设备，而且部分测量设备价格高昂，非灌区所能承受。当前，我国灌区迫切需要的测量设备应从实际需要出发，不是简单的移植工业测量设备和国外计量器具，亦或水文测验手段，而是研制开发经济实用、价格适宜的量测设备。 一、智能型量水仪表的组成、性能指标及特点 1．智能型量水仪表的组成 智能型量水仪表由一次变送器和WR—2000—W型数字式记录仪配套组成。一次变送器町选用符合标准的模拟传感器或数字传感器。模拟传感器把作用于其上的液体压力或者水流速度转换为两线制4～20mA的统一标准信号。数字传感器则把位移量转换为标准格雷码输出。WR—2000—W型数字式记录仪用来向变送器提供能源支持和接受变送器输出的信号，并将其进行转换、存储和显示出来，同时还具有仪表内外部参数设定，上、下限报警、数据输出等功能。 2．智能型量水仪表的技术指标 智能型量水仪表由微处理器、LCD显示及驱动电路、按键、实时钟、AD转换器、Flash存储器、串行口、电源及电源供给电路等几部分组成。主要技术指标为： 电源：6V 4Ah； 3．智能型量水仪表的特点 WR—2000—W低功耗智能型自记式量水仪表是根据我国灌区信息化建设、自动化管理和实际条件设计、研制、开发、生产的一种实用产品。 ① 具有低功耗的特点：选用微处理器功耗很低，平时工作在睡眠状态，由实时钟、按键或串行口唤醒。采用低压差稳压电路，内部采用蓄电池，充足电后可连续使用1个月以上；同时也可外接大容量的电池或太阳能电池板，能长期在野外工作。 ② 具有多路输入的特点：一般的水利测量二次仪表只有一路输入，对单个采集点是有效的，但在灌区中存在大量的距离相当近的采集点，它们之间存在着相互关联，如果将它们分别作为独立的采集点对待，不仅增加二次仪表的数量，而且也增加相应的通信设备费用。智能型量水仪表根据灌区实际需求，设计成具有四路输入的仪表，可满足绝大多数渠系水量计量的要求。 ③ 具有大容量的特点：每10分钟采集一条记录，可以存储超过3个月的数据，而且这些数据即便在掉电的情况下，也可以长期保存。不论是实时采集还是实时记录定期采集，存储在就地记录仪中的数据均可以作为原始记录保存，当数据量超过仪表的最大存储容量时，自动更新最早的数据，而保持最近的数据。当采集记录间隔变长时，存储的数据周期也会相应变长。 ④ 具有自适应的特点：目前灌区使用的传感器尽管多种多样，但占主要地位的仍是4～20mA的模拟传感器和采用格雷码输出的数字传感器，这两类传感器均可直接与二次智能仪表相连接，用户可根据实际需要，选择不同类型的传感器。虽然可编程控制器可以根据需要组合不同的模块完成多路输入和输出的工作，但对灌区计量而言，实际的情况相对简单，四路输入和一路输出即可满足绝大多数灌区的需求，唯一需要考虑的是用户可能选择不同类型的传感器或者在使用过程中需要凋整传感器类型，智能型量水仪表充分考虑这些实际需求，用户只需将两者按规定的接线连接即可，操作简单，容易被灌区广大的水管人员掌握： ⑤ 具有灵活的通信方式：低功耗智能型量水仪表提供标准的232接口，用户可根据实际需求，选配不同的通信模式，完成水量相关数据的监测和采集。在实时通信模式下，该仪表还具备超限报警功能。 二、智能型量水仪表的使用对象 WR—2000—W低功耗智能型量水仪表在设计时充分考虑到灌区不同位置的特定条件，可以满足绝大多数灌区的实际需求。就具体的灌区而言，需要进行水情监测的位置主要包括引水渠渠首、配水渠渠首和分水渠渠首。此外，还有为灌区水量平衡分析计算提供数据的平衡点和为观测收集专门资料而设的专用点也需要进行水量监测。所有这些位置的水量监测基本就是利用水工建筑物和特设量水设备来进行。其中，水位、闸位、流速的测量是最为基本的要素。根据某个位置需要监测的元素多少可分为以下三种使用对象。 1．单点监测 在灌溉系统中，存在大量的测流断面和特设量水建筑物。如果某个断面存在稳定的水位流量关系，或者从理论上可以建立某种水位流量关系，或者分段存在稳定的水位流量关系，则实际水情监测就可以通过布设单一的水位监测点来完成。在这种情况下，既可以采用低功耗、大容量的自记式水位计，也可以采用低功耗智能型量水仪表。为充分利用智能量水仪表的多路输入、存储和传输系统，也可以将附近的水位监测点传感器通过电缆自接连接到该仪表上，实现资源共享。 2．两点监测 在灌溉系统中，单点监测的情况较为简单明了，对那些过流状态不明确的测流断面或测流建筑物，往往需要同时监测上下游水位，并根据前后水位的具体数据来判定是淹没流还是自由流或者确定采用的流量计算参数和公式。 3．多点监测 闸门作为灌溉系统上的节制建筑物，在整个输配水系统中占有十分重要的地位。利用闸门量水，不仅可以减少因布设特设量水设备而增加的水头损失，而且可以大幅度减少基建投资，只要满足一定的量水水力学条件，应优先采用这类水工建筑物来量水。对闸门或放水涵洞而言，需要监测闸门上下游水位和闸门开度。山于智能量水仪表具有四路输入，因此可以监测的组合有以下5种：一个水位，三孔闸门开度；两个水位、两孔闸门开度；三个水位，一孔闸门开度；四个水位；四孔闸门开度。根据这些组合，该设备可以满足灌区输配水系统绝大多数位置监测的需求。 三、智能型量水仪表的数据通信方式 智能型量水仪表采用标准232通信接口，继承了低功耗、大容量、自记式水位计的全部通信模式，并进行了扩展和改进。通过仪表上的多功能串口，智能型量水仪表具备多种数据通信方式，分别是直连电缆、IC卡转储、公共电话网、无线移动通信网、无线电台等。每一种通信方式都有其特定的适用范围和条件，特别是用户对监测数据的实时性要求不尽相同，因此在实践中应根据具体需求，因地制宜选择不同的传输技术和手段。 ■ 1 蔡勇，周明耀主编．灌区量水实用技术指南．北京：中国水利水电出版社，2001. 12 (作者单位：中国水利水电科学研究院) |