1、引言

當前水安全和水資源問題已經(jīng)成為全世界關注的熱點問題。建設水情安全監(jiān)控和預測系統(tǒng)，建立兼顧防災和水資源優(yōu)化管理的保障系統(tǒng)，對水情及堤壩安全長期實施動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)、預報事故，尤其對于突發(fā)事故先兆，保證迅速做出反應，并實施自動控制，為管理部門提供多層次管理信息，為決策提供強有力的可靠支持，為水利工程和相關地區(qū)提供安全保障等均具有重大意義。

從現(xiàn)代水利和水利工程管理的角度上看，建設水情安全監(jiān)控和預測系統(tǒng)，在兼顧防災、水資源優(yōu)化調度的基礎上，對實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，充分發(fā)揮水利工程的效益也具有重要價值。

雖然市面上已經(jīng)存在一些自動水情測驗裝置，但由于沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準、各地水情情況的地域性差距很大、水情測驗設備投資力度不同、維護困難，所以應用范圍都比較有限，因此借國際報汛站—西雙版納允景洪水文站改造之機研發(fā)一套新型江河水情測驗控制系統(tǒng)。-

2、系統(tǒng)組成及控制原理

2.1系統(tǒng)組成

1） 現(xiàn)場設備

包括電動機、電動機轉速傳感器、雙向計米輪、索道、鉛魚（集成有入水、觸底、沖轉等開關量信號）、無線信號發(fā)射器等組成。用于在河岸現(xiàn)場根據(jù)設定的方式實施測量。

2） 控制設備

主要包括斷路器、接觸器、變頻器、觸摸屏、可編程序邏輯控制器、無線信號接收器等組成。用于根據(jù)設定的方式控制現(xiàn)場設備進行測量，并通過無線信號接收器得到現(xiàn)場設備的反饋信息顯示于觸摸屏上，同時可人工使用觸摸屏對當前測量進行適當調整。

3） 人機交互

主要包括現(xiàn)場總線、個人電腦、數(shù)據(jù)庫服務系統(tǒng)、實時監(jiān)控軟件組成。用于設定、更改每次測量的位置、測量方式；動態(tài)跟蹤測量結果繪制河流斷面圖；通過現(xiàn)場總線得到實時測量數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中方便日后查詢對比；根據(jù)測量結果結合河流參數(shù)得出河道流量、輸沙率、水邊點等計算量，并按指定格式輸出Excel報表。

2.2 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制包括手動方式、自動鉛魚測量方式、自動ADCP（超聲多普勒流速剖面儀）走行。

2.2.1 手動方式

通過操作控制臺上的按鈕控制水平、垂直移動，由兩個多圈電位器分別調節(jié)水平、垂直移動速度，觸摸屏和后臺監(jiān)控計算機動態(tài)跟蹤顯示當前運行狀態(tài),記錄測量數(shù)據(jù)。

2.2.2 自動鉛魚測量方式

在洪水預報中, 流域內(nèi)降雨量和河流水位流量測量是最主要的參數(shù), 其中流量的測量既是洪水預報的基本參數(shù), 又是檢驗洪水預報精度的主要手段, 所以, 河流流量快速準確的測量是提高洪水預報精度的主要手段之一。天然河道的斷面流量測量, 主要使用流速面積法。由于天然河道多不規(guī)則, 斷面邊界條件復雜, 其流態(tài)紊亂, 如圖3.2.2.1所示：

圖2.2.2.1 測流斷面示意圖

由于直接測量面積較困難, 通常的測量方法是采用部分面積和部分流速計算法。先根據(jù)要求將斷面分為若干條垂線, 每兩條垂線間的面積為部分面積, 由相鄰兩條垂線上所測各點流速計算出部分面積的平均流速。要測量一斷面流量就必須測量所有斷面垂線上的各條垂線水深、各垂線的起點距。

通過計算得到部分面積流速, 計算出部分流量，斷面流量則為部分流量的總和。由此可見, 目前所使用的流速面積法, 施測斷面流量的過程是非常復雜的, 且對測量設備有較高的要求。水文纜道測流, 已作為安全可靠的測流設備在水文部門廣泛使用。其基本結構如圖3.2.2.2所示。

圖2.2.2.2 纜道基本結構圖

在啟動鉛魚自動測量方式前需要進入?yún)?shù)設定畫面進行參數(shù)設置（如圖2.2.2.3所示），參數(shù)包括計算參數(shù)：由所選傳感器等設備的特性決定，在不更換硬件設備的情況下只需設定一次。運行參數(shù)：設定運行速度及限位報警值。

測量設置：包括實測/借用斷面測量選擇（借用斷面測量不進行每一條垂線上的實際深度測量，借用上一次實測的垂線深度），測量垂線的數(shù)量，測量垂線起點距設置，垂線上的測速方法選擇（一點法、二點發(fā)、三點法、五點法、一點法測水面、一點法測水深一半位置）。

圖2.2.2.3 鉛魚測量參數(shù)設定界面

完成設置后即可起動測量，系統(tǒng)根據(jù)設置控制纜道使鉛魚從水邊點出發(fā)測量設定垂線上的深度及速度，測量過程中把測量結果存儲在SQL數(shù)據(jù)庫中并在人機界面上實時繪制河道斷面圖，測量完最后一條垂線后自動返回初始位置，運行界面如圖2.2.2.4。

圖2.2.2.4 鉛魚自動測量界面

鉛魚自動測流完成后，利用VB編寫的應用程序可以按人工輸入的時間在SQL數(shù)據(jù)庫中進行歷史測量查詢，查詢結果顯示在“測量查詢”界面（見圖2.2.2.5）并可以輸出為Excel格式的標準報表。

圖2.2.2.5 測量結果查詢

2.2.2 自動鉛魚測量方式

使用走航（或固定）式ADCP（超聲多普勒流速剖面儀）進行流量測驗的現(xiàn)代方法；其原理為：超聲波發(fā)出的聲波被另一個接收體（水中的懸浮物）反射，如果該聲源相對于接收體是移動的，接收體接收到的聲波頻率將會與聲源的發(fā)射頻率有差異，測量頻差，可計算得到水流的速度及面積。

ADCP盲區(qū)：測量的最小距離，當目標與ADCP探頭距離小于盲區(qū)時測量不準確。

左(右)水邊點：左(右)岸邊水深大于測量盲區(qū)的起點，即為ADPC走航起(終)點。

三體船：裝載ADCP在河面上走航外形似船的載體。

底跟蹤法：ADCP在測量過程中假設河底為沒有沙石移動的平面，通過發(fā)射與接收聲波

的頻率差來計算相對位置及速度的方法。使ADCP平穩(wěn)的接近直線的運行可以減少底跟蹤測量產(chǎn)生的誤差。

由于河道寬纜道很長，必然導致纜道因為重力關系存在一個下垂弧度，使裝載ADCP的三體船在水流沖刷的作用下走出一條弧線軌跡（理想狀態(tài)下是一條垂直于河道的直線）而且容易使船身搖晃帶來較大誤差。

為了減少測量誤差，系統(tǒng)提供了邊水平走航邊修正纜道垂度的功能，其原理為：使用全站儀測量得纜道每隔10米處的垂度并輸入到系統(tǒng)中，假設每10米內(nèi)的垂度是均勻分布的，在ADCP走航過程中實時計算纜道垂度，控制垂直起降電機的轉向和速度來抵消纜道垂度。設置界面如圖3.2.2.6 所示。

圖 2.2.2.6 ADCP走航設置界面

啟動ADPC走航時系統(tǒng)首先根據(jù)ADPC盲區(qū)、當前水位高程和最近一次實測斷面圖自動計算走航的左、右水邊點，然后自動將三體船放置于右水邊點水面(本項目中右水邊點為起點，左水邊點為終點)水面按設定的速度進行對纜道垂度有補償?shù)淖吆绞綔y量，使ADCP盡可能平穩(wěn)的走航至左水邊點后自動返回完成一次走航測量，走航過程中可以設置任意位置暫停，進行ADCP的定點方式測量后繼續(xù)走航。測量結果如圖 2.2.2.7。

圖 2.2.2.7 ADCP 走航測量結果

3、系統(tǒng)特點及運行現(xiàn)狀

系統(tǒng)綜合應用了電工技術、PLC(可編程邏輯控制器)控制理論、現(xiàn)場總線、SQL數(shù)據(jù)庫、VB編程、計算機組態(tài)監(jiān)控等多種先進技術，在不斷的調試、改進中使系統(tǒng)具備了以下特點：

⑴ 測流系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度較老系統(tǒng)均有提高。

⑵ 即能實現(xiàn)鉛魚自動測流也能控制ADCP自動走行，具備手動、半自動、自動三種控制模式，實測水深、借用斷面、固定垂線上多點測量、任意點測量等測量方法。

⑶ 動態(tài)跟蹤鉛魚(三體船)，實時繪制測量斷面，自動根據(jù)水位計算ADCP走航起(終)點，走航過程中對纜道下垂弧度進行了修正。

⑷ 系統(tǒng)擴展能力及通用性強—預留了多種接口可擴展接入各類型的傳感器并可以在人機界面實時顯示，利用SQL數(shù)據(jù)庫使測量數(shù)據(jù)管理方便，運算速度快，可靠性高，安全保密。

⑸ VB編程實現(xiàn)標準格式的報表生成及打印，無需再由人工填寫報表。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“新型纜道式江河水情測驗控制系統(tǒng)”，作者為何博、吳彥文等。）