雷达流量计在灌区渠首在线计量中的应用

张贵芳

（河南省水文水资源测报中心，河南 郑州 450003）

0 引言

根据水利部对取水监测计量体系建设要求，0.30万hm2以上大中型灌区渠首取水口在线计量实现全覆盖，一般中型灌区渠首取水口若符合安装在线计量设施的应实现在线计量，不符合安装在线计量的可采用推算或折算的方式计量。对在渠首取水口安装在线计量设施，对灌区取水量进行实时在线监测，可实时掌握农业灌溉用水量的大概情况。文章以灌区渠首取水口安装雷达流量计，采用流速面积法，实时监测灌溉用水量作为案例，阐述灌区取水量在线监测的实现。

1 测流方式选择

目前测流传感器主要分为两大类：接触式和非接触式。其中接触式测流传感器有多普勒超声波流量计、V-ADCP、H-ADCP等，非接触式测流传感器主要使用是雷达流量计。虽然测流方法多种多样，但从原理上概括起来主要分为两大类：水位流量关系法、流速面积法。雷达流量计监测优势主要在于它是非接触监测，易于运维，可实现24 h对流速、水位、流量监测，且安装施工简单，汛期和非汛期均可安装。从河南省大中型灌区渠首安装在线计量设施的实际情况来看，大部分采用流速面积法，使用的监测设备主要是雷达流量计。

2 监测断面选址

渠道型监测的监测断面的选址非常重要，不宜选取在弯道、流态不稳、有沙洲崩岸、死水的断面处、也不宜选取在水工建筑物上游处。选择这样的监测断面，一般会流速不稳，监测到的水位、流速值会发生跳变，监测数据无法代表真实情况，无法满足测量精度要求。雷达流量计安装位置应距离渠首出水口一定距离，监测设备上游顺直段应满足10倍渠宽，下游顺直段应满足5 倍渠宽。同时也应考虑所选择的位置后期是否适宜水位、流速的人工实测。为保证取水计量精度，每年应开展流量率定、水位-流量关系率定。

3 监测设备安装调试与数据接入应用

3.1 监测设备安装

安装前准备：仪器设备安装前需要现场工程师进行现场测量，并定制仪器设备的立杆及支架，目的是确保传感器所在测流垂线为渠道中线位置。

安装基础及防雷接地制作：安装基础尺寸一般为0.80 m×0.80 m×0.80 m，防雷接地要求为接地电阻<10 Ω。

立杆及保护箱安装：将提前定制好的立杆固定安装于混凝土基础，并将三防箱固定于立杆侧壁。三防箱材质应采用防锈材质。

安装时尽量使雷达流量计上盖平面与水面处于平行状态，从而保证测水位的雷达波束与水面垂直，即横滚角在±3°内；测流速雷达波束与水面间的夹角（即俯仰角）约55°，以保证测量的精度。

雷达流量计中的传感器通过通信电缆和485 转USB 接口与电脑连接，并连接电源。

3.2 参数配置

雷达流量计可通过专用的上位机软件进行相关参数设置。

3.2.1 设置安装高度参数

设置“设备参数1”区域的参数时，填写安装高度，然后对应点击“设置”，显示设置成功即完成安装高度的设置。

3.2.2 设置断面形状参数

现场安装人员根据监测断面的测量结果，设置对应的尺寸参数。现场常见结构形状有梯形、矩形、圆形和不规则形状。①当监测断面结构形状为规则形状时，断面形状选择项可根据实际情况进行选择，输入对应的尺寸（如底宽、口宽、渠高等）参数，界面可自动显示断面形状剖面图，对比监测断面剖面图与实际形状无误后，点击“设置”即可。②当现场结构形状不在梯形、矩形、圆形结构范围之内时，监测断面形状应选择不规则，此时需要设置多组不同的结构尺寸参数。断面结构设置如下：点击“清空”，以左侧零点为源点，分别将1、2、3、4、5、6 点位相对于零点的距离输入坐标表格中。点击“设置”，显示监测断面的剖面图，即可设置成功。

3.3 遥测终端机调试

遥测终端机调试顺序一般为：①先接通电源。如果是交流电供电，首先应合上交流电源的空气开关，再合上数据采集终端的电源开关，完成供电；如果是太阳能（蓄电池）供电，则合上数据采集终端的电源开关，完成供电。②配置参数。配置内容包括站号、传感器类型、数据采集间隔、数据存储间隔等各项参数，具体需配置的参数应按照水资源数据传输规约中上传和存储要求进行配置。双击配置软件图标打开计算机USB参数配置软件，点击主界面上的“参数设置”，按照水资源数据传输规约进行RTU相关参数设置，见图1。然后根据监测数据接收端服务器IP及端口信息进行网络通信设置。③系统联调遥测终端机参数设置完毕后，需要手动遥测数据，并将数据上报至水资源监控平台，确保现场与监控平台数据一致。

图1 RTU参数配置图

3.4 比测数据要求

为确保监测数据准确可靠，还应开展监测断面测量、数据比测工作。监测断面的大断面测量应包括测量数据和大断面图，大断面图包括起点距和高程，同时应明确水位和流速测量设备的位置。

因为雷达流量计所采用的流量计算方法一般为流速面积法，其中流速由雷达流速仪测得，过水面积需要通过实测水深以及监测大断面实时计算。所以在监测站点建设的同时，需要进行详细的监测大断面测量工作，并将该大断面信息录入监测系统，以便实时计算过水面积，进而计算得出实时流量数据。渠道型监测管理系统根据所录监测大断面数据，可自动形成大断面横剖面图。

监测数据接入进水资源监控平台后，后期仍需人工对水位、流速、流量进行比测，并将比测数据录入渠道型监测站管理系统，计算出高中低水位对应的率定流量系数。

3.5 监测数据接入与水量计算

监测设备调试成功后，RTU通过网络将实时监测数据上报至水资源监控平台，然后渠道型监测站管理系统从水资源监测数据库获取解析后的监测数据，通过流速面积法自动对水量进行计算。

通过明渠在线流量监测站点的建设及运行，管理人员可随时在渠道型监测站管理系统查询灌区用水量情况，并且可根据年许可水量实现用水速率预警及用水量预警分析，为灌区管理者提供决策科学依据。

4 结语

通过灌区渠首取水口安装在线计量设施，实现了灌区用水量计量自动采集，为水行政主管部门对于农业用水总量指标控制、水资源优化配置与监管提供了基本数据支撑，为按水计量征收水费和经济用水管理提供较可靠的依据。