万家寨引黄工程水力量测系统建设及其运行

万家寨引黄工程水力量测系统建设及其运行张利刚赵志良（山西省万家寨引黄工程管理局，山西太原030012）[摘要]水力量测系统是大型引水工程实现监测控制及调度运行自动化管理的重要组成部分。文中以山西省万家寨引黄一期工程为例，详细介绍了水力量测系统的硬件设备选型、量测站点布设和数据采集传输，并基于统计学原理和数据库技术建立相应的数据分析模型，利用VisualBasic语言和SQLserver数据库技术混合编程，对水力量测系统的监测数据进行分析。结果表明,开发数据分析计算机系统可以实时、动态查询分析水力量测系统的运行状态并为运行调度提供科学依据,这对于实现大型引水工程运行管理由经验型决策向科学化决策的转变具有现实意义。[关键词]水力量测系统；数据分析；数据库；运行管理中图分类号：TV698文献标识码：BOnConstructingandRunningofHydraulicMeasureSystemofShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProjectZhangLi-gangZhaoZhi-liang[Abstract]:HydraulicMeasureSystemisanimportantpartforlarge-scalewatersupplyprojecttorealizeautomatizationmanagementofcontrolandrunning.ThispapertakesShanxiWanjiazhaiYellowRiverDiversionProjectforanexampletointroducethechoiceofhardwareequipment,thedisposalofmeasurestationandthetransmissionofdataaboutHydraulicMeasureSystem.Basedonthestatisticstheoryanddatawarehousetechniquetobuilddataanalysismodel,usingVisualBasicandSQLservercombinedprogrammethodtoanalyzethedataofhydraulicmeasuresystem.Asaresult,empolderingcomputersystemofdataanalysismayinquireabouttherunningstateofHydraulicMeasureSysteminstantlyanddynamicly,anditmayofferscientificbasisforrunning.Therefore,thisisprovidedwithrealismmeaningforlarge-scalewaterdiversionprojectmanagementdecisionchangingformexperiencetoscience.[keywords]:HydraulicMeasureSystem;dataanalysis;database;runningmanagement1国内外引水工程水力量测系统建设概述长距离输水工程的建设已经成为确保国民经济持续发展的必然选择。随着人口增长和社会经济的发展,水的需求量日益增大,可利用水资源量的多少愈加成为制约一个城市、一个地区乃至一个国家经济可持续发展的关键因素。为解决水资源的时空分布不均问题以及缓解由于用水量的增加而产生的供需矛盾，人们兴建了许多跨流域、长距离的大型引水工程。例如，我国建于2200多年前的四川都江堰工程、1985年建成的引滦入津工程、1989年建成的引黄济青工程、2002年建成的万家寨引黄工程以及目前正在建设的南水北调工程等；美国在20世纪40年代建成的“中央河谷工程”、70年代建成的“加州水工程”；澳大利亚在50～60年代建成的“雪山工程”；巴基斯坦在60～70年代建成的西水东调工程等。这些大型引水工程运行复杂，水泵、阀门、隧洞、渡槽、涵管等设备和建筑物的运行状态直接关系到整个工程全线的协调、稳定、安全运行，而现代计算机技术和通信技术的迅猛发展为现代大型引水工程实现自动化调度控制提供了保证。水力量测系统作为引水工程全线自动化调控系统的一部分，其主要任务是：⑴对提水泵站的运行参数（如压力、扬程、流量、泵转速、电功率等项）进行监测；⑵对输水系统水力参数的量测，一般包括水位、流量、流速、压力、水温、水质和含沙量等。从引水工程的调度管理角度来看，各项水力参数的监测量是全线自动化控制系统的核心部分之一，它为自动控制与调度运行提供最基本的数据。水力量测系统的建设主要包括量测设备的选型、测站布设以及数据采集与传输。而对其运行数据进行分析是实现运行管理、调度决策科学化的必要手段。纵观国内外引水工程水力量测情况，除万家寨引黄工程外，目前尚无完整的全线自动化监测控制系统的实例。京密引水工程为自流输水，共设24个水力参数测报站，由7条微波干线传输数据。监测项目有水位、流量、水质、水温、雨量等。主要量测仪器有：ORE7410超声波流量计、浮子水位计及超声波水位计等。该系统从1991年以来运行情况良好，各测站虽有自动监测，但仍有人工测读对比。景泰川引水工程主要在各泵站前池装设了拦污栅压差和水位变送器，传感器采用1151DP电容式差压计（西安仪表厂），仅在1号和7号泵站实验性的装了部分差压式流量计，该系统信号传输采用载波和微波干线。引黄济青工程采用程控电话进行调度运行，未建立全线自动化监测系统。引碧入连工程有6个分水口设流量计（超声波流量计或标准量水堰板），北段输水涵管首尾设ORE7500超声波流量计，北段沿程设120多个水位测点，采用振弦式渗压计测水深，全程设32个微波站传输信号。国外如美国亚利桑纳州和加州水道工程自动监控采用的量测仪器与国内情况相似，流量量测主要采用超声波流量计、水位量测采用振弦式或压阻式压力水位计。2万家寨引黄工程概况万家寨引黄工程是我国目前建成的一项长距离、高扬程、大流量的世界级跨流域引水工程，全长452.4km，由总干线(万家寨大坝向东至偏关县下土寨分水闸，全长44.4km)、北干线(下土寨分水闸向东和向东北至大同市赵家小村水库，全长166.9km)、南干线(下土寨分水闸向南至宁武县头马营，全长101.7km)和联接段(头马营向南至太原呼延净水厂，全长139.4km)组成。设有五座目前国内最大的梯级泵站，总扬程636m。总干线设计引水流量为48m3/s，年总供水量12亿m3，其中由南干线向太原市年供水6.4亿m3，由北干线向大同市、朔州市年供水5.6亿m3。3万家寨引黄工程水力量测系统万家寨引黄工程水力量测系统的建设主要是服务于全线水量调度和运行管理，为自动控制系统提供优化调度的依据，其中最重要的监测量是输水系统水力参数流量和水位，其次是水质和含沙量等。而泵站运行参数由泵站自备仪表监测，不在本系统建设之列。3.1水力量测设备选型3.1.1水力量测设备种类水力量测设备通常分为常规仪器和电子仪器两大类。测针、浮子、毕托管、量水堰板等属于量测水力学参数的传统式常规仪器；电子仪器是指利用近代发展起来的“非电量的电测法”实现无接触测量的设备，主要有三类：①超声波（声学式），②电波式（一般用雷达），③激光式（激光）。3.1.2水力量测设备选型原则分析对比两大类水力量测设备的优缺点，电子仪器在数据采集、传输和数据处理方面具有明显的优势，针对万家寨引黄工程，从运行安全、反映灵活、调度方便等方面考虑，要求对各水力参数实行实时监控，采用计算机网络系统进行调度。因此选型以电子仪器为主，辅以常规仪器验证。所选仪器应满足下列条件：①较好的稳定性和可靠性；②适于野外环境，具有较强的抗干扰和抗雷电能力；③在信号采集、传输、处理等方面应与计算机调度系统相适应；④安装、维护方便，运行经济；⑤价格适中。3.1.3流量量测设备万家寨引黄工程输水系统，实施等流量控制，需量测多处控制断面的流量值。目前常用直接法和间接法两种途径对流量进行量测。直接法有两种仪器：电磁流量计和超声波流量计；而通过测量当地水位（或压强）推算出流量的间接法则有多种水位计可选。为节省投资和便于维护,该系统除了在重要部位设超声波流量计之外，大量的中间监控断面采用了简单经济的水位量测方法间接显示流量。根据被测流道情况和技术性能要求，结合引黄一期工程野外、大尺度的运行条件以及目前测流仪器的开发情况和国内水力量测的成功实例，系统选用了美国ACCUSONIC公司的Model7500型超声波多声路流量计作为计费用流量计，选择了瑞士Rittmeyer公司的RISONIC2000型超声波流量计作为调度控制用流量计。瑞士Rittmeyer公司的流量计测量精度在有压管道中可达到±0.5%～±1%，在无压管道中可达到±1%～±5%。根据流道条件及对测量精度的要求并兼顾经济原则，采用4声路布置方案和内贴式换能器，而且为每台流量计配置两台独立水位计（一台超声波下视水位计，一台压力式水位计），进行水位的监测和传输。五级泵站的进出水管流量监测、联接段测站的检修阀和减压阀支管采用我国徐州科讯公司的UIF-9800型超声波流量计。3.1.4水位量测设备输水系统中水位的量测手段多种多样，可以适用于引黄工程的有水位尺法、浮子水位计、超声波水位计、压力传感器测水深（一般有电阻应变式压力传感器、固态压阻式压力传感器、振弦式压力传感器等）。考虑工程运行监控要求水位测报直接进入计算机自动监测网的需要，水力量测系统水位监测以非电量电测技术为主，同时兼顾运行、维护方便及其稳定性和可靠性，该工程选用：⑴德国VegaGrieshaber公司的VEGA52K型、VEGA53K型、VEGA56K型超声波水位计和VEGA86型、VEGA71X型压力式水位计；⑵瑞士Rittmeyer公司的高精度、高可靠W2Q型吹气式水位；⑶太原理工大学研制的MFC-3型感应式数字式水位传感器；⑷徐州科讯公司生产的WUX-2型压力式水位计。3.1.5含沙量量测设备引黄工程主要解决城市供水，原水水质的优劣至关重要。而引水含沙量不仅影响水质，而且过高的含沙量将威胁工程的安全正常运行。该工程共装有两套泥沙含量监测设备。一套原来安装于万家寨引黄取水口，现已转移至总干三级泵站监测站；一套安装于头马营输水终端。为保证测量范围及测量精度，选用HACH、0ptiQuant悬浊固体和浊度分析仪。3.2水力量测站点布设引黄工程水力量测测站布置主要考虑输水系统流量和水位测点的布置。布置范围是总干线及南干线、各级泵站前池、出水井（调压井）、申同嘴水库放水闸、输水隧洞、渡槽、埋涵等部位。不包括泵站内各项运行参数的监测点。3.2.1布设原则水力量测站点的布设要结合工程主体建筑物及输水线路进行总体布置。应以能够满足该工程全线等流量控制的运行要求及调度管理的需要为总的原则。⑴由于选用的超声波流量计造价高且需要特殊维护，故流量测站的布置应少而精；⑵在满足运行要求的条件下，全系统以水位监测站点的布置为主；⑶各测站的任务、仪器、工作环境各异，应分别考虑；⑷仪器测点与进行数据处理的转换器之间的连接电缆长度应不大于300m,且架设或埋设须符合有关规定；⑸量测仪器探头装设应满足厂家安装条件与工艺要求，以不干扰洞中正常水流并考虑检测、更换的方便为原则；⑹对于野外无人值守的测站，必需设有可靠的电源供应和通信系统接口并具有安全防护措施。3.2.2量测站点布置引黄工程流量监测点共计14个，其中总干线6个，南干线7个，联接段1个；水位监测点共计55个，其中总干线20个，南干线34个，联接段1个；含沙量监测点2个，其中总干线1个，原设在万家寨取水口，现已转移至总干三级泵站监测站；南干线1个。设在头马营汾河入口。3.3水力量测数据采集传输引黄一期工程所设置的流量计、水位计、测沙仪等水力量测设备分布于输水全线，量测数据的的采集信号最终需要送到调度中心。为此，根据地理状况，在工程沿线设置了16个数据采集点，将分散的信号通过电缆连接到采