灌区信息测报技术及运行维护管理

灌区信息测报技术及 运行维护管理陆云扬水利部南京水利水文自动化研究所 Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology Ministry of Water Resources P.R.C

目录南京水利水文自动化研究所介绍主要内容第一部分数字灌区及水文自动测报发展概述第二部分明渠水量计测方法及分析第三部分灌区水量计量测报系统建设第四部分灌区量水设施的计量检定及校准方法第五部分量水设施的运行管理及维护

第一部分数字灌区及水文自动测报发展概述

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所 “数字灌区”的建设是汇集了多种学科的多种技术，也是一个技术高度集成的信息化系统，“数字灌区”主要由实现灌区管理所需的水情、农作物、工情等信息的采集、传输、存储、分析处理与信息表示五部分组成。灌区现代化首先是灌区管理的现代化、而要实现灌区管理的现代化，就要十分注意利用先进意义的实现手段和途径。灌区信息化硬件建设软件建设灌区信息化主要包括两个方面：一是硬件建设，包括流量、水位、墒情、作物长势等的信息监测设备，渠系建筑物的监控设备等。二是软件建设，包括灌溉需配水模拟、渠系水流模拟、水费征收系统、办公自动化系统等。

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所数字灌区信息测报设施及其管护灌区信息采集系统主要完成水雨情、工情、墒情、旱情、灾情、水文地质、土地、种植、气象等信息采集和报送，为灌区的水资源合理配置、监控调度，提供准确、及时、可靠的基础信息服务。灌区的量水设施安装建成后，如何有效地使用和运行这些设施，乃至信息化建设作用能否充分发挥是重要的衡量标准。有效使用和持续运行主要依靠积极的维护措施（资金投入、技术力量等）。运行维护包括设备设施的管护、问题的发现和解决、人员培训、制度职责的制定和履行，这样才能保证量水设施保持生命力，长效应用。

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所数字灌区信息测报所涉及技术数字灌区信息测报系统建设是汇集了多种学科的多种技术，是一个技术高度集成的信息化系统，从信息流程出发，它主要由采集、传输、存储、分析处理与表示五部分组成。

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所灌区信息采集技术灌区信息采集由三部分组成，分别为灌区测量对象部分、各类传感器部分、灌区数据采集部分。根据灌区信息采集的需要，数据采集终端由数据采集子系统、数据预处理子系统和后备电源子系统构成，实现对现场数据的实时采集、处理、存储及保护。数据采集子系统由模拟量输入模块、数字量输入模块组成，实现现场数据的实时采集。数据预处理子系统是一包含数据采集控制、数据预处理、数据存储保护、数据通讯控制等模块的单片机应用系统，在数据采集终端允许的条件下，对采集到的数据做适当的运算处理，并对其进行可靠保护，为数据通讯做好准备。

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所灌区信息传输技术灌区信息传输技术用于灌区数据通信网络的建设。根据灌区信息化对通信网功能的要求，建立通信网时采用有线与无线相结合的方式进行。有线网采用专网与公网相结合的方式建立，无线网采用GSM（SMS/GPRS）、CDMA、超短波、北斗卫星、扩频微波、物联网等方式建立。

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所数据库存储技术对灌区的各类雨情、水情、工情、灾情及各种实时数据、预报数据，水资源遥感信息、地理数据信息的存取主要采用目前主流的关系型数据库管理系统，其技术比较成熟，比如：Oracle、Microsoft SQL Server、Sybase等大型数据库。根据现有灌区的组织体系，各部门除了有共同的数据之外，还有自己的数据，而且大部分的数据都是由各个监测站、测控站、管理站输入或上传，采用集中式数据库管理方式和分布式数据库管理方式。（1）集中式数据库管理技术（2）分布式数据库管理技术（3）数据库同步复制技术（4）数据库备份、恢复技术（5）数据库数据导入、导出技术（6）数据库安全技术

数字灌区概述 南京水利水文自动化研究所信息分析处理与表示技术信息分析技术体系是对采集的和已有的各类数据根据灌区的业务内容，并结合业务工作流程对数据进行分析、处理，并运用计算机技术把结果展现出来。（1）地理信息技术（2）多媒体仿真技术等

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所拥有近30年研制历史我国水文自动测报系统的研制始于1978 年，历经4个发展阶段，现正向第5阶段发展。 1977－1983年起步摸索阶段 • 第一阶段水文自动测报系统，是个探索者，开创性地实现了我国水文观测自动化； • 国产自制设备为主，采用分立元件和小规模集成电路； • 工作制式采用应答式；通讯均采用超短波电台组网。 • 浦阳江、拉林河、西枝江遥测系统是我国最早成功应用的水文自动测报系统；1981-1983年在黄河三花间建设的陆浑小区水文测报系统是最早引入我国的美国SM公司生产的水文自动测报系统。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所 1984－1990年研制定型阶段 • 第二阶段水文自动测报系统为研制定型阶段； • 系统工作制式有自报式、应答式、应答／自报兼容式； • 系统结构体积小，用单片机、大规模集成电路组成遥测站数传仪、中继仪和中心控制仪； • 以单片机为值班机，微型计算机为主计算机。 • 1984、1985年研制成功的天津市于桥水库、大连碧流河水库和海委官厅水库水文自动测报系统，以及1988年建成的黄龙滩水电站水文自动测报系统，系统采用自报应答兼容工作模式。云南鲁布革水电厂、山西天桥、丰满白山等水文自动测报系统都先后通过验收鉴定投产，并在生产中发挥了作用；丹江口、淮委等系统引进了意大利西亚普公司产品，丰满白山、长江陆水等系统引进了美国SM公司产品；大宁河、渔子溪等系统进行了卫星系统试验，丹江口系统进行了流星余迹通信系统试验。1985年水电部制定了《水文自动测报系统技术规范》SD159-85系统建设的标准。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所 1991－1999年推广应用阶段 • 第三阶段是水利、水电部门进入全面推广应用水文自动测报系统阶段，水情测报系统已经成为水库、水电厂、江河不可缺少的防洪报汛手段； • 1991年后陆续兴建了近千套水文自动测报系统，在建设新系统的同时，也对80年代的部分系统进行了改造更新。新安江、沙溪口、乌江渡、东风、水口、紧水滩、枫树坝、风滩、柘溪、柘林、漫湾、葛洲坝、碧口、龚嘴、宝珠寺、富春江、狮子滩、天生桥等大型水电厂建成了超短波、短波、通信卫星、海事卫星、有线电话或混合通信的国产化系统；并利用通信卫星实现了省级和流域梯级水情系统联网。 • 广东省北江、福建省闽江、江苏省苏北大运河、太湖流域、隔河岩水电厂、上海市防汛、三峡水电站等都引进了国外水文自动测报系统。 • 国产系统已经接近达到国际90年代先进水平，国产的雨量传感器已可小批量出口国外。 • 1994年水利部修订了《水文自动测报系统技术规范》SL61-94，电力部也相应制定了《水利水电工程水文自动测报系统设计规定》DT/T5051-1996成为系统建设的标准。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所 2000－2009年信息网络阶段 • 第四阶段是水文自动测报系统信息共享联网调度阶段，水情遥测所覆盖的站点现已基本覆盖了我国大部份流域和省、市、自治区的广大地区，取得了防洪及兴利调度的巨大效益； • 1999年以后，我国水利部门先后开展了水库除险加固工程综合自动化系统和国家防汛抗旱指挥系统水情分中心“示范区”项目建设； • 国家防办开展了全国水库防洪调度决策支持系统工程建设，初步建成了覆盖全国的防汛水情信息自动化网络，可使全国水情信息直通国家防办，实现资源全国共享。 • 国电总公司开展了已建和在建水电站水电系统实施厂、地、省局、网局、国调5级水调自动化系统及水文自动测报系统实用化验收项目建设； • 2003年，随着水文自动测报系统技术及需求的进一步拓展，水利部重新修订了《水文自动测报系统技术规范》为SL61-2003。2000年电力部国调中心为规范各级电力水调自动化系统制定了《电力系统水调自动化功能规定》及《水电厂水文自动测报系统管理办法》，并于2008年出台了《水文自动测报系统技术条件》DT/1085-2008。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所 2010开始，物联网及智慧水务应用阶段 • 第五阶段融入了人工智能和云计算平台，水文自动测报实现物联网化及智慧水务化； • 进入本世纪后，开始研制多种新型的自动水文遥测站，这些水文遥测的共同点是在嵌入式计算机的平台上融入了专家知识和云计算平台，对水文观测数据具有分析、比较、推理、判断等人工智能的功能，用于观测数据实时质量控制和水文条件分析等，可称智慧型水文遥测站。 • 2012年，随着水文自动测报系统技术及产品技术性能的统一的实际生产需求，水利部重新修订了和制订了《水文自动测报系统技术规范》及《水文监测数据通信规约》（正在报批中）。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所近30年来的发展历程综述第1代水文自动测报系统是个探索者，开创性地实现了我国水文观测自动化；第2代水文自动测报系统设计了水文数据采集记录器，形成基本完整的体系结构，并投入业务试运行；第3代水文自动测报系统嵌入了计算机业务系统，我国水文观测自动化便进入快速发展的轨道；第4代水文自动测报系统采用计算机数字网络技术，实现了全国、流域或梯级和省、市、自治区系统的联网和整合；第5代水文自动测报系统融入了人工智能和云计算平台，向全面替代人工观测迈进，水文测报趋向物联网化及智慧水务化。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所从硬件角度看，第1代采用以国产自制设备为主，采用分立元件和小规模集成电路；第2代采用8039、8031、8051单片机、大规模集成电路组成遥测站数传仪、中继仪和中心控制仪，以单片机为值班机，微型计算机为主计算机。第3代采用ARM7、ARM9、LP3500模块及嵌入式操作系统和网络结构，前置机计算机及服务器互为备用工作机。从工作制式和通信方式看，第1阶段采用应答式工作制式，通讯均采用超短波电台组网；第2、3阶段工作制式采用有自报式、应答式、应答／自报兼容式3种，通讯以超短波为主，短波及海事卫星通信为辅；第4阶段采用混合式工作制式，通讯以公网(GPRS、CDMA)为主，北斗及水利通信卫星为辅进行组网。从数据采集记录器结构看，由单个式数据采集记录器（基于1个微控制器完成数据采集记录及传输功能）发展为分布式数据采集记录器（基于多个微控制器完成数据采集记录及传输功能），并呈大板结构——总线——小板结构发展趋势，并可实现远程下载、查询及监控功能。

水文自动测报发展历史概况 南京水利水文自动化研究所从实现功能上看，为提高通信传输的有效性，扩展了主备信道自动切换、自动补报、长期自记和远程下载等功能。为保证采集数据的准确和系统的连续运行，系统增加了系统测试、校准与运行状态自动切换及甄别功能，并开展了测站进入退出机制下系统面雨量自动计算修正方法等技术研究。特别需在新的通信方式、计算机网络及传感器技术发展条件下不断开展水文自动测报新技术、新方法的研究，还要针对不同应用业务系统研究其集成技术等。目前急需解决的主要问题： 1、高含沙河流流量自动监测技术研究解决含沙量影响、河床变化和水位流量多相关关系曲线的测流技术。 2、梯级水电站淹没出流流量自动监测技术研究 3、北方冰封期和凌讯期水位及流量自动监测技术研究 4、堰塞湖水位及溃决口流速流量监测技术研究 5、突发超历史暴雨洪水条件下雨量自动监测技术研究等等。

第二部分明渠水量计测方法及分析

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所数字灌区水管理基础信息监测内容灌区的信息采集系统主要是灌区水源地及渠道水情、气象（包括雨情）、田间水情（墒情）、作物长势等要素的采集系统。因此灌区基础信息采集主要包括以下内容：雨量测量、水位观测、流速及流量测验、墒情（旱情）监测、气象观测、水环境监测和工情（闸门、堤、坝、渠等）监测等。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所明渠流量测量的方法流量量测（主要讨论明渠流量的量测，管道流量的量测比较成熟）是灌区信息采集的一个重点，也是最难点。目前除了桥测和人工测流外，目前国内外可进行河道或明渠流量测量的方式有以下七种： 1、水文缆道自动化测流（需人工操作）； 2、电磁流量及浑水流量计计量（长期自记）； 3、超声波时差法测流（可自动工作）； 4、横向超声波多普勒测流（可自动工作）； 5、垂向超声波多普勒测流（又称走航法式测流，需人工操作）； 6、水位流量关系推算流量（可自动测量推算）； 7、量水建筑物（水位）自动流量测量（可自动工作，包括堰槽法测流等）。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所流速面积法流速测量精度取决于测速仪器和测速方法，最常用的转子式流速仪被认为是最准确的流速测量仪器。不论是旋桨还是旋杯式流速仪，其本身的测速精度都可以达到1.5％。浮标法和少量使用的电波流速仪法，都要和流速仪法相比测，它们的流量测量误差还要稍大些，流量测验误差要求为±5％。以上方法基本上能达到精度要求，但是，由于没有更好的方法，使用流速仪测量流速的流速面积法(通称流速仪法)被认为是最准确的明渠流量测量方法，一直被认为是明渠流量信息的最准确来源。所有新的明渠流量测量方法都要与它作比测，以此判定新方法新仪器的优劣。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所堰槽法这是一种传统的成熟方法，可以使用的堰槽主要有三角形薄壁堰、矩形薄壁堰、宽顶堰、巴歇尔槽等，真正能实际使用的用于小流量的测量有三角形薄壁堰和巴歇尔槽。该法只要测得水位，就可以用较稳定的转换公式计算得到流量，而水位是比较容易自动测量的，故这种方法简单易行，并有各种自记水位计可供选择。使用堰槽法测流，虽然水位流量关系较为稳定，但为了适应实际环境的变化，提高流量测量精度，还是要用流速仪法测得的流量对堰槽法的水位流量关系进行校核。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所水位流量关系法在一些标准测流断面上，经实测证明具有稳定的水位流量关系。一些闸门、涵洞的上游水位和流量关系也很稳定，就可以直接用测量水位的方法测量流量。使用水位流量关系法测流，需要考虑到渠道淤积和含沙量变化所引起水位流量关系变化，必要时为提高流量测量精度，还需用流速仪法测得的流量对渠道水位流量关系进行校核。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所水工建筑物流量关系法随着灌区信息化建设的需要，需要监测涵闸的过水水量越来越迫切，这对灌区的水量调度，做好引水涵闸引水流量的控制是非常必要的。长期以来，引水流量的测量一直采用传统的人工测流方法，每天测量一次。这种测量方法不但存在一些人为和测流设备的影响因素，而且水位变化、渠道冲淤引起的流量变化也难以及时掌握。目前我国引水涵闸测流方法主要是利用原有水工建筑物（引水闸、分水闸、节制闸和退水闸）闸前后水位、闸门开度等参量监测，结合原有建筑物水工模型换算过闸流量，由于设计模型与引、退水实际有一定的差距，为提高测流精度，往往采用在闸前后增设人工监测断面，并进行人工测流以进行人工复核。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所常规应用于明渠的流量测验仪器自动流量测验仪器应该能够在无人值守或者无人操作的情况下，长期自动工作，自动测量能转换为流量的有关数据，而所得到的流量数据应该能够达到准确度要求。除了水位流量关系法外，近年来国内比较成熟的新仪器设备开始出现，在不同程度和不同使用场合解决了流量自动测量问题，典型的有水位流量关系推流（量）、巴歇尔槽流量计、量水建筑物测流的自动流量测量（包括堰闸法测流等）、电磁流量及浑水流量计、几种声学流量计、自动缆道测流。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所流速流量测验技术目前国内外进行灌区流量测量的方法大致有：（1）、缆道测流、巡测车测流（旋杯、旋浆）（2）、超声波时差法测流（3）、超声波多普勒侧视测流（4）、超声波走航法测流（5）、电波流速仪测流（6）、超声波明渠流量计（7）、其他：电磁流量计、翻板靶式流量计等

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所缆道测流、巡测车测流缆道测流是根据我国国情独创的一种测流方式，已发展了五十多年，其技术、设备较为成熟。由于缆道测流的测量精度较高，且不需要进行率定，在工程中主要是用于不规则断面的流量测量。利用缆道测流目前尚无法实现流量的实时自动监测。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所旋杯、旋桨式流速仪

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 LS20B型旋桨式流速仪 LS1206B型旋桨式流速仪

EKL-3型全自动缆道测流系统装置 • 水文缆道测流控制台（含缆道测距定位仪、缆道流速测算仪、交流变频调控装置） • 水面、河底、流速综合信号源，计算机及全自动系统处理软件等 • 选配：水文电动绞车、测流铅鱼、缆道采样器、缆道超声波测深仪、夜间照明图象监控装置等

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 EKL-3型全自动缆道测流系统装置

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所超声波时差法测流美国、德国等国家利用电脑技术将超声波时差法测流、超声或压力水位计和预置河床断面等技术集于一体，构成了实时在线流量测量系统。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所超声波时差法测流本方法只适用于断面较稳定、有一定水深的断面，另外需借用断面面积参数（另用人工方法测量）和用流速仪等标准测流设备标定流量计算模型后，才能正常启用，其建站总投资大于缆道测流站。在断面较宽、水浅和含沙量较高的条件下无法使用。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所超声波多普勒侧视流速流量测验美国SonTek水文仪器公司和美国RDI公司的 “淘金者—SL” 型和H-ADCP系列产品自1998年问世以来，已在国际上广泛使用，它具有安装容易、操作简便，不易受生物附着影响，且价格低等优点。但不适宜在大跨度河道以及含沙量较大、水深较浅的河床。

超声波多普勒侧视流速流量测验 • 该仪器采用最新的声学多普勒技术，具有结构简单，安装方便（所有设备集中在河流、大型渠道一边），再加上水利部门对其管辖河流、明渠的动态流量分布有较深的了解并积累大量的试验数据，因此受到水文、水利管理部门的欢迎。 • 超声波多普勒侧视测流仪最大优点是安装方便，可靠性高，价格低廉，比较适合中国国情。可检测过流断面,检测断面流速，使用方便,精度高特点不适合长时期监测，泥沙对测试距离有影响。要注意使用条件，精度要率定提示

明渠水量计测方法及分析 OTT SLD固定式声学多普勒流量计 OTT SLD采用超声波多普勒原理测量流速。仪器沿水平方向发射两束超声波，超声波遇到水中的颗粒物会发生反射，反射波的频率F2与原始声波频率F1之间存在一定的偏移，该偏移的大小与声源和颗粒物之间的相对速度有关。利用测量得到的反射波频率和发射波频率即可求得反射颗粒的运动速度，再将大量颗粒物的运动速度合并计算为水流流速。OTT SLD内置超声波传感器用于测量水位，仪器自带一个竖直向上的超声波探头向水面发射超声波，利用超声波发射和接收的时间差计算水面所在的高度。不受外界气压影响，水位测量精度高达3mm。OTT SLD适用于小型和中型天然河流、人工渠道等流量的在线监测。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所水平-ADCP（H-ADCP）传感器

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所利用H-ADCP超声波横向测流仪建成的自动测流站

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所超声波走航法测流超声波多普勒水流剖面仪（ADP或ADCP）是一种需渡越载体（如小船）的游动式测流设备，因为它一次能同时测出河床的断面形状、水深、流速和流量，适用面宽、精度高。我国的水利和环保部门已从国外进口多套，用于大江大河的流量监测。超声波多普勒水流剖面仪是一种移动式流速仪，测量精度较高，使用方便，主要用于大江大河、各种泵站、涵闸流量关系曲线的率定设备。 OTT Qliner2 走航式超声波多普勒流量计

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所垂向ADCP测流

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所带无线遥测的ADCP自动测流仪器 ADCP 数传电台电池

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 OTT Qliner2适用于测量小型和中型天然河流以及人工渠道。通过PDA进行方便有效的控制，可以迅速测量河流定点流速、断面流速分布以及断面流量。 Qliner2本身作为一个小型声学多普勒测流系统，通过小船上的超声波传感器在河道中进行断面流速测量，操作人员使用PDA通过蓝牙连接传感器，数据可以即时分析并存储。传感器采用四个声学波束进行断面流量的监测。如下图所示，波束1和波束2分别与竖直方向成25度夹角，用于测定垂线上的流速，波束4竖直向下，用于测定底床所在位置及水深；波束3用于浅水流速的补偿。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 ADCP流量测量与航迹无关航迹 n 0 / V b V f

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 ADCP走航测量 ADCP在走航测量中测量如下数据：水的相对速度（相对于船的速度，由“水跟踪”测出）船速(由“底跟踪”测出, 或由GPS算出) 水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS算出）

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 Qliner2使用过程中，用户需要首先确定河流断面的垂线，利用绳索拖动小船沿确定的路线行驶，并在每条垂线停留30秒至1分钟，以便得到稳定准确的测量结果，通常的断面测量可以在5－20分钟内完成，精度高于1％。中、小型河流的流量测量明渠流量测量有桥梁的断面流量测量传统测流方法的的替换在线流量监测系统的律定

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所巡测、桥测及电波流速仪法电波流速仪是利用雷达多普勒效应测量水面点流速的非接触式流速仪。电波流速仪测速范围：0.515m/s。由于采用无接触远距离实现流速测量，不接触水体，不受含沙量、水草等影响，特别适合于高流速测验、桥上测流;加上整套仪器体积小、功耗低，还非常适合于随小型车船进行巡测等野外作业。它已在我国多个灌区中使用，该仪器可作为灌区信息化设计中在具有桥上测流条件的测站高流速测验拟采用的先进仪器之一。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所 LD15-1型电波流速仪用于高洪测流精度不高，价格较贵特点提示主要用于桥测加测水位后可测流量

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所其他测流仪器超声波明渠流量计、暗涵浑（污）水流量计、电磁流量计、翻板靶式流量计等。

明渠水量计测方法及分析 南京水利水文自动化研究所灌区流量的监测主要是小流量和口门测流分类堰槽测流等截面流速流量计特点简单，方便，经济精度较高，可接入自动化系统提示等截面流速流量计要定期清洗

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