2019年度信息化及测水量水设施建设项目实施方案00(19.9.11)

I灌区2019年度信息化及测水量水设施建设项目实施方案2一、灌区明渠测流方案为加快推进农业水价综合改革实施进程，解决莒县灌区明渠量测水自动化技术应用存在的问题难点，实现灌区量测水自动化，推荐测流方案如下：1、量测水方案比选对于明渠测流方法，主要有水力学法、流速面积法、容积法和示踪剂法。水力学法可分为：堰槽法测流；水工建筑物测流；比降法测流。流速面积法可以分为：测量点流速的流速面积法；测量剖面流速的流速面积法；测量表面流速的流速面积法。容积法是指在部分潮汛影响河流河段内，用河道槽蓄量的变化推算潮流量的方法。容积法应用较少。示踪剂法用于较小流量测量，国内基本不使用。明渠渠道量测水常用方法主要有水位-流量关系法和流速-面积法。水位-流量关系法利用水工建筑物，如测流计量渠、堰、槽，将水位与流量的关系公式或数表作为依据，通过测量水位算出瞬时流量和累积流量。流速-面积法则是通过已知渠道断面测量水位计算有效输水断面，并与所测流速相乘得到瞬时流量，再经时间积分即得出累积流量。流速面积法：声学法测流（超声波时差法、超声波多普勒法、雷达波表面测流法等）。水力学法：水工建筑物、堰槽、比降面积等测流方法。3（1）超声波时差法超声波时差法是采用声学时差法流速仪测流，其原理是在河道两岸与流速方向成一定的夹角（通常45度）安装一对换能器，一个换能器发射超声波，另一个换能器接受超声波（超声波传输路线称为声路），通过声学时差法流速仪测得顺、逆流方向的超声波传输时间差计算出测线平均流速，必须通过现场率定获得率定测线平均流速与断面平均流速的相关系数，并根据现场断面测量获取的水位与断面面积关系计算断面和流量。必要时同一测流断面可安装多对换能器，以便提高流量测验精度。超声波时差法流速仪发射频率较低，传感器发射角较窄，适合于渠道较宽，水位变幅不大的河流。（2）多普勒流速仪（ADCP）法利用多普勒效应原理进行流速测量。用声波换能器作为传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出测线范围内若干点流速，采用相关方法计算测线平均流速，必须通过现场率定获得测线平均流速与断面平均流速的相关系数，根据现场断面测量获取的水位与断面面积关系计算断面面积和流量。声学多普勒流速仪发射频率较高，适合于中型、水位变幅不大的河道，由于受传感器发射角的限制，不同的河宽对水深有对4应的要求。（3）雷达波表面测流法雷达波表面测流法在流量传感器内部集成了一个雷达水位传感器和一个多普勒雷达流量传感器。流速数据由侧面的平面雷达流量传感器测量，水位数据由设备底部的雷达水位传感器测量。雷达主机内随机自带软件模型，录入测量点所在渠道相关信息，结合水力模型的断面设置，从而精确计算出流量值，形成自动实时流量参数输出。表5.3-1常用声学法在线测流技术对比分析表方法技术参数雷达波表面测流法声学多普勒超声波时差法频率24GHz300、600、1200KHz200KHz剖面距离测量表面流速5m1-10m流速测量范围0.1～18米/秒±5m/s±10m/s安装方式固定非接触式安装河流边壁单侧或底部安装（接触式）河流边壁两侧及河底安装（接触式）水深要求无1.2米以上需淹没探头外界影响受风速、降雨影响，在模型中进行校正受水中杂质、水质、水温、含沙量影响，淤积、漫滩阻挡声道受水中杂质、水质、水温、含沙量影响，淤积、漫滩阻挡声道维护频率很少较频繁较频繁（4）水工建筑物法利用河、渠、湖、库上已有的堰闸、涵洞、抽水站、水电站等水工泄水建筑物，通过实测水头（水头差）、闸门开启高度等水力因素，经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算得到流量（参考SL537－2011）。启闭式水闸、涵洞放水口、叠梁式闸门、跌水、倒虹吸、渡5槽、小水库台阶式卧管等均可用于流量测量，且无附加水头损失。用于测流的水工建筑物应满足一定的边界条件和水力条件，可以通过现场率定、模型实验、同类综合和经验系数等方法来确定流量系数。它既可以减少因灌溉系统设置其他量水设施产生水头损失，又可以节省大量建设费用。采用水工建筑物测流的测站，测验精度应满足GB50179的要求。水工建筑物法测流适用于建筑物配套标准较高的渠首及干、支渠的量水，若配以水位传感器及数据采集系统，可实现水量的自动量测和控制。（5）比降面积法比降面积法是依据水文测验河段实测的水位、断面等资料，用水力学公式计算河道瞬时流量的一种方法。当水文测站测验条件满足比降面积法要求时，该法可作为一种常规流量测验方法；水文测站测验条件不完全满足时，该法可作为特殊情况下的一种流量测验方法。比降面积法可作为测站常规流量测验方法时，应满足下列条件：1）测验河段基本顺直，无明显收缩或扩散；2）河床稳定，无冲淤变化；3）水位等要素与糙率有较好的相关关系，且有3年以上糙率实测资料。6标准断面水位流量关系法是比降面积法的简化方法，是指测流断面的水位与通过该断面的流量之间存在稳定关系，通过测量断面水位推算流量的方法。要使渠道水位流量关系保持稳定，必须在同一水位下，断面面积、水力半径、渠床糙率、水面比降等因素均保持不变，这样，同一个水位，就只有一个相应的流量，水位-流量关系就成为一条单一的曲线。在天然河道中，能够长期的维持稳定的情况是很少的。只有在人工渠道中，可以通过工程措施实现水位流量关系的稳定，这就是所谓的标准断面。（6）堰槽法测流堰槽法测流是典型的应用水位流量关系的测流方法。测流堰槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成，通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使得上、下游形成一定的水头落差，即可得到较为稳定的水位与流量关系。堰槽法测流时，一般只需测量上游水位，得到堰上水头，即可计算流量。如果呈“淹没”状态，需要同时测量上、下游水位，再推算流量。测流堰槽量水的结果比较准确，但要增加设备费用，量水堰槽一般在没有水工建筑物或现有水工建筑物不能用以量水时，或是要求的量水精度超过水工建筑物量水能达到的精度时，可采用。按照结构形式，现有的设施主要有量水堰、测流槽等。明渠堰槽流量计由符合技术要求的堰体（或槽体）和水位计7构成。在明渠中安装堰槽流量计，利用水位计测定规定位置的水位，根据流过堰槽的流量与水位呈单值关系，依据相应的流量公式或经验关系式将测出的水位值换算成流过堰槽的流量。表5.3-2明渠水位/流量关系法量测水位常用方法比选表水位传感器安装设施使用环境压力投入式测井测井内安装，受外界环境影响较小。但对于渠道水质含沙量较高时容易淤积，无法长期使用。磁浮子式测井浮子式测井或井房超声波立杆或支架非接触式测量，对水质无要求。易受水面波浪和漂浮物影响。雷达式立杆或支架（7）测流方案选定根据上表的各类测流方式的应用场景，压力投入式、磁浮子式、浮子式等水位测量方式和超声波时差法、ADCP法等测流方式均有一定使用条件限制。因此利用流速/面积法测流建议选用雷达波表面测流法；利用水位/流量关系法测流则建议选用非接触水位传感器换算流量。2、干、支渠测流方案（1）测流方式莒县灌区的干、支渠大多为衬砌防渗矩形渠道，且渠道断面中可找到规整断面。在需要测流的干渠中可选择顺直段采用水位/流量关系法测流。由于莒县灌区渠道水中泥沙较多，因此选用非接触水位传感器。为了得到更好的稳定性和测量精度，建议选8用雷达明渠流量计。非接触式雷达波流量计其内部集成了一个雷达水位传感器和一个多普勒雷达波测速传感器，可以通过随机自带软件，录入测量点所在渠道相关信息，从而精确计算出流量值。图5.3-1：雷达波表面测流法系统监测站9（2）雷达波表面测流法监测站设备组成雷达波表面测流法测流需要在渠道出水口选择顺直的渠段上安装雷达波流量计。采用1台雷达明渠流量计、遥测终端机，通信方式采用4G无线传输方式。雷达波表面测流法监测站主要由雷达流量计主机、遥测终端机、4G通讯模块、防雷器以及保护箱等组成。单站典型雷达波表面测流法设备配置见表5.3-3。表5.3-3单站典型雷达波表面测流法设备配置表序号产品名称设备参数要求单位数量1雷达明渠流量计主机24G固定式流速、水位二合一传感器，用于明渠测流台12数据遥测终端机包括RTU、4G通讯模块台13太阳能供电系统包含太阳能光伏板、太阳能控制器和24Ah蓄电池套14雷达流量计立杆包含3.5米立杆、4米横臂、斜拉支撑、地笼、基础等。套15信号及控制电缆RVVP4*1.0套16电源线电缆RVVP2*1.0套17线缆铺设费含走线管、卡子、辅材等套18户外机箱定制加工，参考材质及尺寸：不锈钢材质500*600*200套19数据卡运行费3年处110施工费含现场施工、布线等宗111调试费宗13、支斗渠测流（1）测流方式《灌溉渠道系统量水规范》推荐的巴歇尔量水槽、机翼型量水槽、薄壁堰中，巴歇尔量水槽易产生下游淤积，机翼型量水槽10几何结构较为复杂，施工困难。因此，薄壁堰比较适合本项目的支、斗渠量水。需要注意的是，由于薄壁堰过水断面缩小，会导致上游雍水，为了保证上游用水不影响支渠口分水闸的过水量，薄壁堰应选择在平直、流态较接近均匀流的渠段上，且与分水闸的距离控制在5-15倍渠宽。莒县的支斗渠大多为衬砌矩形渠道，从建设成本及适应性方面考虑，采用矩形薄壁堰板测流比较合适，由于在现场建设矩形薄壁堰板较复杂，因此建议根据不同的渠道宽度，在工厂内预加工不锈钢成品的各类尺寸规格的矩形薄壁堰板，运输至支渠量测水现场，进行吊装和拼接，这样既标准而且建设也方便。水位监测宜选用非接触式水位计，本项目支斗渠选用适用于淹没流状态下测流的双探头超声波液位式明渠流量计。超声波探头内自带温度传感器，可以根据当前环境温度自动修正补偿测量水位参数，保证测量准确性。11图5.3-2：超声波液位式明渠流量计系统监测站（2）矩形薄壁堰板说明矩形薄壁堰板通过测量水位，通过水力计算对流量进行计量。矩形薄壁堰板测量法具有准确性、简单性、无扰性和快速性等优点。矩形堰的堰口应制成锐缘,倾斜面指向下游；缘口要平直；矩形缺口两个竖缘与下缘夹角要成90°C；堰板要平整，堰板靠上游一面要平滑。下图为矩形薄壁堰板的构造图。堰板材料可以用不锈钢板、玻璃钢板或PVC，要耐腐蚀，不易变形。厚度要保证在水流冲击下，不变形，一般应在15～20毫米之间。矩形堰的水位测量点在渠道上游距堰板3～4倍最大过堰水深处，一般在0.6米～1米范围内，超声探头用横梁架在渠道上方。矩形堰的水位零点在与矩形堰下堰缘平齐的水平面上。12图5.3-3：矩形堰板的构造图表:5.3-4至表5.3-7给出图5.3-3所示的矩形堰的水位-流量关系。当渠道宽度或缺口下缘到渠底距离不同时，水位-流量关系会有约百分之几的偏差，需参照《检定规程》另行计算。13表5.3-40.25米堰口宽矩形堰的水位-流量关系（液位单位：米，流量单位：升/秒）液位00.010.020.030.040.050.060.070.080.09流量00.43760.23972.23183.51814.9256.48468.185610.01811.973液位0.10.110.120.130.140.150.160.170.180.19流量14.04716.23218.52620.92423.42326.0228.71231.49734.37337.338液位0.20.210.220.23.0.240.250.260.270.280.29流量40.3943.52846.7550.05553.44156.90860.45464.07967.78171.559表5.3-50.5米堰口宽矩形堰的水位-流量关系（液位单位：米，流量单位：升/秒）液位00.010.020.030.040.050.060.070.080.09流量00.87692.48524.57487.05759.88313.01816.43720.12224.058液位0.10.110.120.130.140.150.160.170.180.19流量28.23332.63737.26142.09747.1452.38257.826