沿江感潮段闸站流量实时监测系统设计

钱福军，肖文仁，束长宝，包加桐，贾小网，唐鸿儒

(1.江苏省水文水资源勘测局泰州分局，江苏 泰州 225300； 2.扬州大学 电气与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引 言

水文工作是通过对水位、流量、降水量、水质、泥沙、蒸发、熵情等水文要素的监测与评价，并对水资源的量、质及时空分布变化规律进行研究，以及对洪水、旱情进行监测和预报，为区域水资源的配置、利用、节约、管理、保护以及防汛抗旱减灾提供基础信息、技术支撑与决策依据。水文监测是获取河道流量第一手资料的直接途径。传统流量测验以水文缆道、船测为主，测验强度大，间隔时间长，工作效率低，易受河道漂浮物影响，无法满足连续、实时、自动、在线监测的要求[1]。随着信息化与智能化的不断发展，充分利用现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关分析软件和通信网络技术进行各类闸站流量实时监测成为必然选择[2-3]。

目前，国内外学者应用于河道流量自动监测的方法有：水平ADCP法、超声波时差法、流速仪法、非接触式雷达波在线测流法等[4-6]。各种流量监测方法都有一些成功的案例，不同的流量监测方法均有其适用条件，不同的流量监测环境需要结合实际选择最优的监测方案[7-9]。本文考虑沿江闸站地理位置特殊，结合流量监测系统工程要求，依据水力因素法与一潮推流法等流量推算方法，以云平台为依托，开发沿江闸站流量实时监测系统。该监测系统能够在云平台将现场采集的闸门实时开启高度、宽度和从水情系统中获取的水位数据进行融合计算，从而得到过闸流量，实现集中监视、定时报汛、分类数据统计存储、资料整编，并在必要时进行人工报汛等功能，可以减少重复劳动，提高工作效率，保证水文数据的时效性。

1 监测概况

沿江闸站共有5座，水位站点18座、降雨量观测点16处、蒸发量观测点2处、地下水监测站28处、水土保持监测站1个，分布于高港、泰兴、靖江3个市区，具体如下。

(1) 高港枢纽工程。节制闸共5孔，设计流量440 m3/s，常年运行，单向引水；泵站装机9台，设计流量300 m3/s，可双向抽引、抽排；泵站底层流道可配合节制闸大流量引水，单向运行，设计流量160 m3/s；送水闸共3孔，设计流量100 m3/s，可往通南地区双向抽引、抽排水量。

(2) 马甸枢纽。节制闸共5孔，设计流量180 m3/s，双向引排水；泵站装机5台，设计流量60 m3/s，单向抽引水。

(3) 过船港闸。节制闸共5孔，设计流量110 m3/s，双向引排水。

(4) 夏仕港闸。节制闸共5孔，设计流量650 m3/s，双向引排水。

(5) 口岸闸。口岸闸共3孔，双向运用，引水设计流量72.0 m3/s，排水设计流量134 m3/s。

上述5个沿江节制闸站地处长江下游感潮河段，该段长江侧水位受潮汐影响起伏较大，致使沿江口门水闸及涵闸两侧水位差连续变化，当闸位一定时，过闸的流量会随水位差的变化而大幅变化。沿江闸站虽已基本实现对水位、降水量、蒸发量、地下水、水土保持监测的全自动实时测报与资料整编，但流量自动监测工作相对滞缓，仍采用传统的水文缆道测验[3]，不仅费工费时，而且不能实现连续在线监测，致使水文流量监测精准度不高；测量数据也不能自动读入水文数据库，报汛方式相对落后，增加了水文资料整编工作的难度；当河面存在大块漂浮物时，水文测量工作无法进行，影响测量精度和测量人员工作安全，已远不能满足水文信息化的要求。

2 系统总体框架

沿江闸站流量实时监测系统是在整合沿江闸站硬件设施和软件系统的基础上，依据沿江闸站工情等开发出的1套标准、结构化的平台。该系统由现场数据采集层、服务端数据处理层、功能服务层和应用界面层4个部分组成。系统的总体框架如图1所示。

(1) 现场数据采集层。安装在沿江闸站的现场闸站测量单元，自动采集并发送闸站水文数据给互联网云平台。

(2) 服务端数据处理层。在泰州水文分局的服务器端或互联网云端编有数据接口程序，接收沿江闸站现场测量单元发送的水文数据，并将实时水文数据插入到服务器的数据库中。

(3) 功能服务层。对接收的实时水情数据进行数据整编，汇集成水情发报、网页服务和手机APP服务需要的各类水情数据，以及将每日08：00报汛数据写入专有水情数据库。

图1 流量监测系统总体框架Fig.1 Overall framework of flow monitoring system

(4) 应用界面层。能在水利数字地图查看或展示沿江闸站的基本信息、实时雨水情信息；能够查询各个闸站相关水情的历史数据和变化曲线；能够进行人工报汛及相关水情数据的日旬月统计。

流量监测系统基于云平台，设计了一种用于感潮段闸站的流量实时监测方法，能实现流量计算、水情发报、信息展示等功能。

系统整体运行流程按照自下而上的模式：现场闸站测量单元通过TCP协议与云平台建立连接，将现场闸位数据发送到云平台；基于云平台的服务端数据处理软件对水位、闸位数据进行处理，计算成流量数据，然后对流量、水位等数据分类整编、发布；通过web网页应用服务或手机APP，能够对沿江闸站水位、流量等各类水情数据实时监测。

3 流量实时监测方法

流量实时监测系统以闸门限位开关、水闸开度仪和4G-RTU设备组成现场闸站测量单元，实时监测沿江闸站的闸位数据，结合水位-流量的率定经验关系[10-11]，根据水力因素法与一潮推流法流量计算方法进行推流，完成实时流量计算。

流量实时监测方法步骤如下：

(1) 对沿江闸站的所有监测站，根据不同的结构类型、工情，确定不同的流量计算方法；

(2) 基于不同类型闸站的流量计算公式，确定闸站实时流量计算需要监测的数据，由现场闸站测量单元完成监测数据的采集与传输；

(3) 确定流量实时监测系统的监测数据存储频率，以每5 min采集1次水位信息入库，同时以同频率采集计算流量所需的数据，同步计算流量入库，实现流量的实时监测。

3.1 现场闸站测量单元

根据每个闸站的实际工况、水情，研制沿江闸站现场测量单元，采集沿江闸站的闸位数据并发送给互联网云平台，提供完成水流量、引排水次数等其他水情数据的数据支撑。

如图2所示为沿江闸站现场测量单元结构框图。现场闸站测量单元由水闸开度仪、闸门限位开关和4G-RTU组成，完成对闸位数据的采集和发送。水闸开度仪和闸门限位开关负责采集现场水闸的闸位信号，4G-RTU把采集的闸位信号上传到互联网云平台，完成现场数据采集与传输功能。

图2 现场闸站测量单元结构示意Fig.2 Structural block diagram of field gate station measurement unit

3.2 流量计算方法

(1) 水力因素法[10]。① 对于闸孔流流态的闸站，采用淹没式孔流计算公式：Q=f(B，E，ΔZ)，即流量Q与闸门开启宽度B、闸门开启高度E以及上下游水位差ΔZ有关；② 对于闸堰流流态的闸站，采用淹没式堰流计算公式：Q=f(B，hu，ΔZ)，即流量Q与闸门开启宽度B、闸上游(下游)水头hu以及上下游水位差ΔZ有关；③ 对于抽水站，采用Q=f(N，ΔZ)的计算公式，即流量Q与抽水站开机功率N以及上下游水位差ΔZ有关。

(2) 一潮推流法[12]：当闸门平水开、平水关，且一次开启为堰流时，优先选择一潮推流法进行一潮最大流量或平均流量计算，计算公式为：Q=f(ΔZ，H)，即流量Q与上下游水位差ΔZ以及开闸前稳定水头H有关。

因此，对沿江闸站流量推算时，首先要对沿江闸站的各个监测站，根据不同的结构类型、工情，确定不同的流量计算方法。如表1所示。

表1 闸站流量计算方法

3.3 监测参数

对所有闸站，普遍设计水力因素法计算流量。高港节制闸、底层流道属闸孔流流态，口岸闸、马甸闸、过船港闸、夏仕港闸属闸堰流流态，高港抽水站、送水闸属抽水站闸站类型；特别当监测站的闸门平水开、平水关，且闸站类型为闸堰流流态，采用一潮推流法计算流量。

根据不同类型闸站的流量计算公式，确定需要监测的参数，提供完成实时流量计算的数据支撑。

采用水力因素法时，需要监测的参数如下：

(1) 对于闸孔流流态的水闸，需要监测闸门开启宽度B、闸门开启高度E、以及上下游水位差ΔZ参数；

(2) 对于闸堰流流态的闸站，需要监测闸门开启宽度B、闸上下游水头hu、以及上下游水位差ΔZ参数；

(3) 对于抽水站，需要监测抽水站开机功率N以及上下游水位差ΔZ参数。

采用一潮推流法时，需要监测闸堰流流态闸站的上下游水位差ΔZ与开闸前稳定水头H参数。

3.4 数据存储要求

(1) 按照SL 323-2005《实时雨水情数据库表结构与标识符标准》建立相应的数据库并存储。

(2) 确定系统监测参数的存储频率，实时信息数据以每5 min读取1次。其中，开关闸、闸门变动情况下按实际发生时刻读取时间与闸位，相应水位采用遥测库水位内插。如开闸时间为09：03，但上下游水位是09：00和09：05的数据，这时需要插补09：03的上下游水位，降低实时流量的计算误差。

(3) 因种种原因导致闸位数据不能读取或闸位信息有误不能使用时，增加人工录入通道，通过手机APP或其他客户端授权实现闸位信息录入。

4 监测系统开发

4.1 系统开发方法

沿江闸站流量实时监测系统基于SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)开发框架进行开发。采用MVC(模型-视图-控制器)设计模式，将系统进行功能解耦，通过业务逻辑、数据、界面显示分离的办法来组织代码，各功能模块可独立开发，大大降低了程序的耦合性。在SSM框架下用户请求服务器流程如图3所示。首先用户通过浏览器请求服务器，服务器拦截请求后，交由后台Controller层处理，Controller层将请求任务交给业务层的Service实现，Service调用持久层中的DAO接口，DAO将完成对数据库的具体操作任务。DAO得到数据库数据后返回给Service层，Service层将数据传递给Controller层，Controller层再将获取到的数据给前端(JSP/HTML)显示，即完成了用户请求、响应的过程。

图3 用户请求服务器流程Fig.3 User request server process

4.2 服务端数据处理软件

基于云平台的服务端数据处理软件主要包括闸位数据接收与流量实时在线处理软件两部分。服务端数据处理软件采用C++语言编写，后台数据库使用Mysql关系型数据库进行沿江闸站各类水情数据存储。

闸位数据接收软件主要用于接收沿江闸站现场测量单元发送的实时闸位数据与读取水情系统中的实时水位数据，并对数据进行解析，写入自定义的数据库表中。

流量实时在线处理软件主要功能是将现场闸站测量单元采集的闸位数据，结合对应时刻的闸站水位数据，利用水力因素法与一潮推流法的流量计算方法，计算出闸站的实时流量，同时可对流量、引排水潮次等水情数据进行日旬月时间段统计，并同步存入数据库中。此外，将水情数据整编分类，定时报汛，于每日08：00发送到“水情数据库”中，缩短水文资料整编时间。

4.3 监测系统软件结构

沿江闸站流量实时监测系统软件结构主要由实时数据模块、报汛模块、历史数据模块和基础设置模块构成。实时数据模块中主要是在水利地图上显示沿江闸站基本信息、实时雨水情信息，能查看沿江闸站的开关闸信息数据，能查询各个闸站指定时段上下游水位变化趋势和水流量数据信息；报汛模块分为每日08：00报汛和历史08：00报汛信息展示，可将沿江闸站的流量、水势、上下游水位等水情信息进行人工报汛，对错误信息进行修改，从外网写入内网水情数据库；历史数据模块是将相关水情数据按日、旬、月、年的时间段进行统计；基础设置模块对整个流量实时监测系统的用户、权限、菜单等基础信息进行管理配置。流量监测系统软件结构如图4所示。

图4 流量监测系统软件结构Fig.4 Software structure of flow monitoring system

4.4 流量监测系统功能

(1) 实时数据模块。图5所示为沿江闸站水利地图集成信息展示界面，在地图上标记各个站点地理位置，展示区域内水位、雨量、流量等实时数据。图6所示为沿江闸站的开关闸信息界面，显示沿江闸站各站点开关闸事件记录，包括水位、水势、开高、测流方法和水流量计算依据等信息。图7所示为沿江闸站水位趋势界面，能够显示和查询各站点指定时段的上下游水位、引排水流量的数据信息，可直观反映一段时间内闸站涨潮、落潮的趋势，为闸站开关闸提供决策依据。

图5 沿江闸站水利地图集成信息展示Fig.5 Integrated information display of Yanjiang sluice station water conservancy map

图6 沿江闸站开关闸信息界面Fig.6 Switch information interface of Yanjiang gate station

图7 沿江闸站水位趋势界面Fig.7 Water level trend interface of Yanjiang sluice station

(2) 报汛模块。每日08：00流量实时监测系统进行自动报汛，即依据《水情信息编码标准》相关要求，于每日08：00将沿江闸站流量、开关闸时间、上下游水位等水情信息从外网数据库写入水利专网水情数据库。可实现报汛数据直接用于水文资料整编，减少人工重复劳动。系统每日08：00报汛模块界面如图8所示。

图8 每日08：00报汛模块界面Fig.8 Daily module interface at 08：00

(3) 历史数据统计模块。该模块中主要是对沿江闸站引排水量数据、潮汐水情数据、闸泵水情数据按日、旬、月、年的时间段进行分类统计，可直观看出沿江闸站不同时期引水量、排水量、引水次数、排水次数、最高潮位和最低潮位发生时间、上游水位、下游水位、过闸流量数据的相关水情变化趋势。图9～11分别为沿江闸站的日引排水量统计界面、日潮汐水情统计界面、日闸泵水情统计界面。

图9 日引排水量统计界面Fig.9 Daily water diversion and drainage statistics interface

图10 日潮汐水情统计界面Fig.10 Daily tide hydrological statistics interface

图11 日闸泵水情统计界面Fig.11 Daily gate pump water regime statistics interface

5 结 语

本文设计了用于感潮段的沿江闸站流量实时监测系统，不仅可对沿江闸站上下游水位、上下游水势、流量、开启孔数、开机功率、引排水潮次等水情数据进行实时监测和分类统计，还能进行各类水情数据自动报汛，并写入水情数据库，保证水文数据的时效性。通过沿江闸站流量实时监测系统建设，为沿江闸站精准调度引、排水量提供了科学依据，提高了测量精度和安全可靠性，具有推广应用价值。鉴于河床冲刷会造成断面情况发生变化，为确保流量实时监测系统可靠运用，可利用原有水文缆道或走航式ADCP等测量仪器进行定期比测校验，及时修改流量计算公式，使流量推算更加精准。