在线测流技术在水利信息系统建设中应用

在线测流技术在水利信息系统建设中的应用陈长伟宋东旭吴宝国黄河水利委员会信息中心，450004郑州（Email：cwchen@foxmail.com）摘要：本文以南方某流域水资源水量水质监控系统项目建设为背景，简述了使用固定式多普勒剖面仪、遥测数传终端机，实现江、河断面实时流量的在线监测。系统采用多通道通信技术，保证了数据上传的可靠性，通过中心站数据接收平台，实现数据的实时接收和原始数据的入库，供应用系统的计算、分析和展现。关键词：断面、监测、H-ADCP、RTU、GPRS、在线测流1引言江河（明渠）在线测流的方法有：水位法——采用水位~流量关系曲线得出在线流量；流速面积法——通过测量过水断面的面积与断面流速来求得在线流量。流速面积法按使用的仪器不同，又分为超声波时差法、超声波多普勒法、电磁法和流速仪法。对于河道或跨度大于20m的渠道，多采用固定ADCP法、多普勒走航式明渠流量计、时差法明渠流量计和流速仪法。本文介绍的是固定式多普勒剖面仪在江河（明渠）在线测流的应用。该仪器为了做到自动和实时，流量在线监测采用测量水平某层的平均流速，采用率定方法（指标流速法），计算出断面平均流速的方法，建立实测流速与断面平均流速之间的相关关系。2系统组成及工作原理系统的结构如图2-1所示，主要由江河断面（现地站）实时流量的采集、通信传输和后台数据接收、入库和数据处理。图2-1江河（明渠）在线测流系统机构示意图2.1前端主要设备江河断面（现地站）实时流量的采集，采用美国YSI/Sontek公司生产的在线声学多普勒流速剖面仪，采集江河（明渠）测量水平某层的平均流速和水面高度。根据水文测量，几百米宽河流，仍然可以采用几十米内的水平平均流速作为指标流速，测量实际的水位（水深），通过预置的断面几何尺寸，由软件计算出断面面积，实时瞬时流量＝断面平均流速×断面面积。测量断面应尽量选取无回水、紊流的顺直河道，主槽最具有代性，因此测量区域，多普勒波束不应打到水面或河床底部。遥测数传终端机（RTU）采用国产YSCADA-1型水文数据采集终端，该终端机核心部分采用美国军工企业Z-WORLD公司制造的超低功耗高可靠性LP3500系列核心模块。它配置各种外围接口电路，可接入多种水文要素采集传感器，可接入多种通信设备实现水文数据自动采集和传输，所有接口和信号部分全部进行了防浪涌、防雷保护，结构如下图所示。图2-2YSCADA-1型水文数据采集终端结构示意图YSCADA-1终端机程序软件开发，采用Z-world公司自主研发的DynamicC编译平台，开发平台的版本更新与新硬件的发布同步，大大提高系统的整体开发效率和可靠性。YSCADA-1RTU软件下载存储到flash存储器中，当RTU软件增加了新的功能，需要重新安装RTU软件。本系统RTU工作流程如下图：图2-3YSCADA-1型水文数据采集终端工作流程图RTU数据发送格式采用“自报式”数传终端机的固定帧结构，详见下表：前导符数据类型测站编码采样时间ADCP数据包NN前导符：***，用于标示数据起始的标志。数据类型：DM，占两个字符，CHAR类型。测站代码：8字符，CHAR类型。时间：12字符，CHAR类型，如：110101230000表示2011年1月1日23点0分0秒ADCP数据包：打包ADCP的所有数据，下面详细介绍数据包中各字段的含义。结束符：NN，数据记录结束标志。数据包举例：***DM811013500012101915450020121019154506-21.9-1.00.4140.30.110.01101102100101.40.00.00.00.00.027.322.7690.00712.04.5-80.0352719-674.19003078.4934NNH-ADCP输出原始数据字段分解：20121019154506-21.9-1.00.4140.30.110.01101102100101.40.00.00.00.00.027.322.7690.00712.04.5-80.0352719-674.19003078.4934表2-1H-ADCP输出原始数据字段含义一览表序号字段名中文含义单位1S_Year采样时间（平均间隔时间起始点）－年　2S_Mon采样时间（平均间隔时间起始点）－月　3S_Day采样时间（平均间隔时间起始点）－日　4S_Hour采样时间（平均间隔时间起始点）－时　5S_Minute采样时间（平均间隔时间起始点）－分　6S_Second采样时间（平均间隔时间起始点）－秒　7Vx流速分量1（波束1/X/东）cm/s8Vy流速分量2（波束2/Y/北）cm/s9Vz水位m10Vx_Std流速分量1的差（波束1/X/东*）cm/s11Vy_Std流速分量2的标准差（波束2/Y/北*）cm/s12Vz_Std流速分量3的标准差m13Amp_x信号强度（波束1）个数14Amp_y信号强度（波束2）个数15Amp_z信号强度（波束3）个数16PercentGood有效“呯”的百分比％17Heading艘向°18Pitch纵摇（以Y为轴旋转）°19Roll横摇（以X为轴旋转）°20Heading_Std艘向标准差°21Pitch_Std纵摇标准差°22Roll_Std横摇标准差°23Temp平均温度℃24Press平均压力[SWs=0]dBar25Press_Std压力标准差[SWs=0]dBar26Vbatt输入的电源电压V27Cellbegin采样体积的开始位置（垂直距离）m28Cellend采样体积的结束位置（垂直距离）m29Noise_x噪声电平（波束1）个数30Noise_y噪声电平（波束2）个数31Noise_z噪声电平（波束3）个数32S_Area过流面积m233V_Flow过流流量m3/s2.2现地站电源与雷电防护由于现地站配置有视频、网络和UPS设备，因此断面的实时流量测量设备采用太阳能为主，市电为副的双路供电系统。详见图2-4现地站供电与防雷示意图。图2-4现地站供电与防雷示意图现地站核心设备RTU采用+12VDC（-15%~+20%）供电。RTU控制H-ADCP，完成对H-ADCP加电源，H-ADCP按照设置采集实时水位数据、断面平均流速和其他相关数据，RTU读取H-ADCP采集到的数据后，对H-ADCP断电，系统采用间歇式工作方式。GPRS模块采用+12VDC（-15%~+20%）由蓄电池组供给，交换机和通信设备由市电经磁饱和隔离变压器和UPS供给。由于监测断面都处于河道空旷地域，易遭受雷电袭击，因此本系统雷电防护包括4个方面的内容：直接雷击的防护、雷击感应过电压、雷电电磁脉冲、地电位反击的防护。断面现地站站房安装避雷针、避雷带进行直接雷击防护；采用交、直流电源防雷器、磁饱和隔离变压器、信号防雷器、等电位连接等进行一系列的防护。如图2-4所示，监测站房交流电源进户线安装交流电源避雷器。在UPS前端安装磁饱和隔离变压器。太阳能电池板在室外安装，易引雷，为保护设备，在充电控制器前端加装直流电源避雷器。H-ADCP在室外河道内安装，为防止感应过电压和电磁脉冲的干扰，在RTU前安装信号及直流电源避雷器。各避雷器接地线可靠连接在监测站房内的接地端子上，接地端子由40×4mm的镀锌扁钢连接室外的接地体，室外采用联合接地形式，接地电阻不大于4Ω。站房避雷接地、太阳能板支架、H-ADCP安装支架、设备、机柜及各避雷器进行等电位连接，从而实现全方位的雷电防护，以保证设备、系统的可靠运行。2.3通信传输断面现地站视频系统已建设光纤通信网络，因此本系统实时数据采用有线光纤网络和GPRS无线两路通信线路上传，最大限度的保证了数据的实时性和可靠性。RTU将采集到的数据进行处理、编码和现地存储后，分为两路，一路采用TCP/IP通过专网上传数据，一路通过RS-232接口采用GPRS进行无线通信，将数据传送至中心站。由图2-4可以看出，当市电长期停电，交换机掉电停止工作后，GPRS无线通信仍能由太阳能和蓄电池组供电，保证断面实时流量数据的可靠上传。2.4数据接收与处理系统断面（现地站）实时数据发送至中心站，中心站由数据接收服务器和数据接收平台，通过专网和移动专线分别接收RTU通过网络和GPRS发来的数据。数据监测平台是用于接收现地站上传数据，并对数据源码进行解析，通过校验计算后，将数据入库、日志管理、人工录入数据、断面数据管理率定等多功能平台，包含了多个独立运行且可互相通信、互相配合使用的程序。原始数据和校验计算后的数据写入不同的数据库，供应用系统检索、计算、分析和展现。3结论本系统包括8个控制断面的H-ADCP实时在线流量监测站，系统建成并上线运行两年来，经水文部门率定和验证，数据准确、实时、可靠，满足水文、水资源实时监测需求。存在问题与解决方法：南方江河河道内河蚌、螺蛳等贝类生物较多，且易附着于声学多普勒流速剖面仪（H-ADCP）上，并且越积越多，越积越厚，使仪器发出的超声波严重衰减，造成系统误差和数据失实。通常解决的办法是换能器的表面和安装在水下设备的外壳表面涂上一种名叫InterluxTri-Lux防污油漆，这种油漆中含有一种生物杀灭剂（一种铜衍生物），可以阻止生物的生长，但考虑到油漆会对水质造成一定的污染。因此我们建议根据河段贝类生物的多少，定期清理附着在仪器上的贝类生物，以保证仪器的正常运行。参考文献Argonaut-SL系统手册固件版本11.6SonTek/YSI公司；H-ADCP在太湖流域平原河网地区的应用技术探讨作者：徐卫东、毛新伟、俞晓亮、林其彬刊名：水利信息化年、卷(期)：2012，6(3)；YSCADA-1型水文数据采集终端手册作者：方海军孙智瑞2013年3月。