CN105780717B - 一种用于多沙渠道的闸门量水方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多沙渠道的闸门量水方法，本发明的方法通过超声波水位传感器和温度传感器获取闸门上下游水位，通过超声波泥位传感器获取闸底板淤积泥沙厚度及水位，通过编码器获取闸门开度大小，然后将量水闸门建筑物尺寸结构与泥沙淤积情况结合，修正闸门量水建筑物参数，得出闸门过水流量。本发明可以在水体含沙量大的条件下，以较高精度实现自动化闸门量水，同时为渠道清淤和闸门自动化启闭提供理论技术支撑。

Description

一种用于多沙渠道的闸门量水方法

技术领域

本发明涉及一种用于多沙渠道的闸门量水方法，属于水利技术领域，IPC国际专利分类号为E02B 1/00，E02B 5/08，E02B 13/02。

背景技术

量水是实现计划用水和执行最严格水资源管理制度的重要基础，是实施“总量控制、定额管理”及监测灌区各类节水措施切实发挥作用的重要手段。

目前，闸门量水方法一般是人工读取闸门上下游水位和闸门开启高度等参数，然后通过查表计算获得闸门过水流量。该方法费时费力，且不便于水利信息的实时采集。唐山现代工控技术有限公司发明了“一种无线闸门量水装置”(实用新型专利，申请号：201120448274.9)，提供了一种无线闸门量水装置，将水位传感器、现地和远程通讯模块集成在电子电路中，能够做到实时采集闸门上下游水位信息，实现精细化管理。但是未考虑具体引水环境对闸门量水的影响，如水体含沙量、渠道泥沙沉积量等，所采集的水位信息可能出现虚高的情况。对于引黄灌区，渠道引水含沙量大、沉积严重，不仅导致闸门无法按照预期的开合高度进行闭合，并且所测水位虚高，影响闸门量水精度。而且，在泥沙沉积量未知的情况下自动控制闸门闭合，极易损坏闸门结构。灌区引水口闸门启闭，通常采用人工实测的办法，进行闸门的开合控制，操作非常不便。因此，考虑引水渠泥沙淤积情况对闸门量水、自动化控制显得尤为重要。本发明的目的是设计了一种用于多沙渠道的闸门量水方法和装置，以解决背景技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明针对引黄灌区引水含沙量大、渠道淤积严重的特点，提供了一种用于多沙渠道的闸门量水方法。本发明的技术方案是：

一种用于多沙渠道的闸门量水方法，包括以下步骤：

一、设置量水装置：

所述量水装置包括无线采集终端、远程数据传输网关、电源模块及显示模块；其中，无线采集终端包括闸门上游信息采集节点、闸门开度信息采集节点、闸门后信息采集节点和闸门下游信息采集节点；远程数据传输网关包括网络协调器、应用处理器和GPRS模块；

闸门上游信息采集节点设置在闸门上游，与闸门的距离等于1/4单孔闸宽，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集上游水位；闸门下游信息采集节点设置在闸门下游，与闸门的距离等于1/4单孔闸宽，并且不超过0.4m，闸门下游信息采集节点通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集下游水位；所述闸门上游信息采集节点和闸门下游信息采集节点均包括超声波水位传感器和温度传感器A，所述超声波水位传感器的超声波发射接收探头通过固定在岸上的安装支架固定在水面上空，温度传感器A设置在所述超声波发射接收探头内，测量超声波发射返回时间间隔的同时测量环境温度，对声速进行修正；

所述闸门后信息采集节点设置在闸门后，与闸门的距离小于0.4m，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集闸门后水位和泥沙淤积厚度；闸门后信息采集节点包括超声波泥位传感器、温度传感器B和固定线，超声波泥位传感器的探头朝下，所述温度传感器B设置在所述超声波泥位传感器的探头内，所述固定线固定在闸门两侧，所述超声波泥位传感器安装在一个浮子上，浮子通过绳索固定在所述固定线上；

所述闸门开度信息采集节点包括闸门平板开度传感器，该闸门平板开度传感器采用编码器；

二、利用步骤一的量水装置进行信息采集、处理和流量计算：

(一)、信息采集和处理：

(1)利用闸门上游信息采集节点的超声波水位传感器对闸门上游水深H进行采集，并采用实测温度T对声速进行修正，声速v＝331.45+0.61T；然后根据采集到的时间差Δt得到超声波水位传感器的发射接收探头与液面的高度则闸门上游水深H＝H_a-h₁，其中H_a为超声波水位传感器的发射接收探头与渠道底部的距离；用同样的方法，利用闸门下游信息采集节点的超声波水位传感器测得闸门下游水深h_t＝H_a-h₁；

(2)利用编码器对闸门开度e进行采集，闸门丝杆导程为s，齿轮比为n，编码器线数为300，则闸门开度其中e_t为上一时刻闸门的开度，N_Pulse为编码器产生的脉冲数目；

(3)利用超声波泥位传感器对水中声速c进行实测，方法是：清除闸门下游信息采集节点所在处的渠道内的淤积泥沙，然后利用超声波泥位传感器对此处执行多次测量，得到平均发射返回时间差根据等式得出水中声速c，其中h₀为超声波泥位传感器的发射接收探头与水面的距离；

(4)选取一定周期N，多次测量得到发射接收时间差序列Δt₁…Δt_N，得到闸门底板淤积泥沙的厚度然后，得到修正后的闸门量水参数H′、e′、h_c′和h_t′：

修正后的闸门上游水深H′＝H-γh_s，其中γ为闸门上游淤积泥沙厚度修正系数，γ＝1.0-1.5；

修正后的闸门开度e′＝e-h_s

修正后的收缩断面水深h_c′＝h_c-h_s

式中，h_c＝eε

式中h_c为收缩断面水深，ε为垂向收缩系数；

修正后的闸门下游水位

(二)过闸水流流态判断：

如果e′/H′＞0.65，则属于平底坎堰流，否则判断h_c″-h_t′＞0是否成立，若成立则属于平板闸孔自由流，若不成立则属于平板闸孔淹没流；

收缩断面的跃后共轭水深为

其中

式中F_rc ²为收缩断面的佛氏数，为流速系数，的取值范围为0.95-1.00；

(三)流量计算：

根据过闸水流流态，计算闸门过水流量：

(1)闸孔自由出流状态的流量

其中

μ₀＝0.60-0.18e′/H′

式中μ₀为闸孔自由出流的流量系数，b为闸门宽度，v₀为水流流速；

(2)闸孔淹没出流状态下的流量

其中

(3)堰流出流状态下的流量

其中

h_a＝H′-a

式中h_a为堰上水头，σ为淹没系数，m₀为流量系数，a为堰高，闸门安装后a为一个确定值。

本发明提供的多沙渠道的闸门量水方法，充分考虑到泥沙淤积对于闸门引水流量的影响，综合考虑各种参数及其影响因素，如温度、密度、与闸门的距离等对参数的影响，并通过巧妙布置各种测量装置，建立了数学模型组，可实现多沙河流灌区引水流量的准确计量，并根据水资源管理需求，实现灌溉引水及城镇供水的准确计量和量化控制，同时为渠道清淤和闸门自动化启闭提供了精准的参考。

附图说明

图1为闸孔出流方式及泥沙淤积示意图。

图2为平板闸门传感器布置平面图。

图3为闸门量水装置的组成关系图。

图4为闸门闭合纵向剖面图。

图5为超声波泥位计安装纵向剖面图。

图6为超声波水位传感器安装图。

图7为无线采集终端原理图。

图8为远程数据传输网关框图。

图9为过水流态判断流程图。

图中，1为闸门，2为水跃，3为淤积泥沙，H为闸门上游水深，e为闸门开度，h_t为闸门下游水深，h_s为淤积泥沙的厚度，h_c为收缩断面水深，H′为修正后的闸门上游水深，e′为修正后的闸门开度，h_t′为修正后的闸门下游水深，h_c′为修正后的收缩断面水深，v₀为水流流速，h₀为超声波水位传感器发射接收探头与水面的距离，H_a为超声波水位传感器发射接收探头与渠道底部的距离；11为渠道边坡线，12为闸门下游信息采集点，13为闸门后信息采集点，15为闸门上游信息采集点，16为固定线，17为远程数据传输网关；21为编码器，22为闸门升降轴，23为闸门建筑孔洞边线，25为淤积泥沙，26为齿轮，27为污泥界面线，28为闸门建筑水平基准面；31为超声波泥位传感器，32为水面基准线，41为安装支架，42为超声波水位传感器发射接收探头，43为水平面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的描述。

一种用于多沙渠道的闸门量水方法，首先是设置量水装置，如图3所示，量水装置包括无线采集终端、远程数据传输网关17、电源模块及显示模块。其中，无线采集终端包括闸门上游信息采集节点15、闸门开度信息采集节点、闸门后信息采集节点13和闸门下游信息采集节点12。所述无线采集终端负责各个单点信息的采集，包括闸门孔洞开度、闸门上下游水位、闸门底板泥沙淤积厚度、相应温度等信息。远程数据传输网关17包括网络协调器、应用处理器和GPRS模块。远程数据传输网关17能够管理所有信息采集节点，负责建立与维护无线传感网络，控制数据采集的进行和数据的传输，同时将各个采集节点的信息汇集、处理并通过GPRS模块传输到监控中心。电源模块为整个系统提供电能，分为24V、5V和3.3V，保证系统稳定运行。

图2、图4、图5和图6给出了平板闸门无线采集终端的布置方式示意图。闸门上游信息采集节点15设置在闸门上游，与闸门的距离等于1/4单孔闸宽，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集上游水位。闸门下游信息采集节点12设置在闸门下游，与闸门的距离等于1/4单孔闸宽，并且不超过0.4m，即单孔闸门宽度超过1.6m时，闸门下游信息采集节点12与闸门的距离等于0.4m，闸门下游信息采集节点12通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集下游水位。所述闸门上游信息采集节点15和闸门下游信息采集节点12均包括超声波水位传感器和温度传感器A，所述超声波水位传感器的超声波发射接收探头42通过固定在岸上的安装支架41固定在水面上空，温度传感器A设置在所述超声波发射接收探头42内，测量超声波发射返回时间间隔的同时测量环境温度，对声速进行修正。

所述闸门后信息采集节点13设置在闸门后，与闸门的距离小于0.4m，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集闸门后水位和泥沙淤积厚度；闸门后信息采集节点13包括超声波泥位传感器31、温度传感器B和固定线16，超声波泥位传感器31的探头朝下，所述温度传感器B设置在探头内，所述固定线16固定在闸门两侧，所述超声波泥位传感器31安装在一个浮子上，浮子通过绳索固定在所述固定线16上，浮子能够随着水流有一定的自由波动，可测得一定广度的泥沙厚度。

所述闸门开度信息采集节点包括闸门平板开度传感器，该闸门平板开度传感器采用编码器21。闸门1开合时，闸门升降轴22上升或者下降，运动通过齿轮26传递到编码器21，记录编码器21输出脉冲数和已知闸门1初始高度就可以得到闸门1开启高度。当自动闸门向下闭合时，根据所测得的闸门底板淤积泥沙25的厚度，能够提供一个修正后的准确的基准面，从而避免闸门1与淤积泥沙25发生挤压而损坏。

图7为无线采集终端原理图，通过ModBus协议读取连接在485总线上的设备(超声波水位传感器、超声波泥位传感器和温度传感器)采集的数据，并通过射频电路发送到无线传感网络协调器。对于闸门开度测量，则是通过外部管脚中断触发，计算编码器产生的脉冲数目，从而转化为闸门启闭的高度。U1为CC2530最小系统电路，U2为标准的RS485收发器。R7与RBIAS相连，为内部偏压电阻。C14-C22一端接地，另一端连接AVDD1-6、VDD_3.3和DVDD1-2，为电源去耦电容。L4一端接VCC_3.3，另一端接AVDD1-6、VDD_3.3。C1一端接地，另一端接RESET_N，复位开关RST一端接地，一端接RESET_N，R6一端接VCC3.3，另一端接RESET_N，组成上电复位和按键复位。C2、C3一端连接地，另一端接在晶振Y1两端，晶振两端与XOSC_Q1、XOSC_Q12连接，为芯片提供外部高速时钟。C4、C5一端连接地，另一端接在晶振Y2两端，晶振两端与XOSC32K_Q1、XOSC32K_Q12连接，为芯片实时时钟提供时钟。C6-9、C11-12、L1-3组成单极天线平衡不平衡转换电路，提高天线性能。C13一端接地，另一端接DCOUPL，为内部数字调节器去耦电容。U1的P1_2与U2的DE管脚连接，用以控制数据流方向。U1的P0_3与U2的R0管脚连接，U1的P0_2与U2的DI管脚连接，U2的A、B与传感器的485总线连接。

图8为远程数据传输网关框图，包括无线传感网络网关、应用处理器、GPRS模块及必要外设。协调器负责网络的建立，管理终端采集节点并加入到网络中。依次获取闸门上游水深H、闸门开度e、收缩断面水深h_c、闸门下游水位h_t和泥沙的厚度h_s，并将其汇集到应用处理器，通过GPRS上传至监控测量中心。同时Lcd显示屏可以用来显示各个传感器感知信息和闸门过水流量。

图1给出了闸孔出流方式及泥沙淤积示意图。1为闸门；2为水跃；3为淤积泥沙。为计算过流流量，需要区分不同过闸水流流态，以及渠道泥沙含量，故需要测量闸门上游水位H、闸门开度e、闸门下游水位h_t和泥沙的厚度h_s。

然后，利用设置完成的量水装置进行信息采集、处理和流量计算，如图9所示，包括如下步骤：

(一)、信息采集和处理：

采集闸门上游水深H、闸门下游水深h_t、闸门开度e、闸门底板淤积泥沙的厚度h_s及用作参数修正的温度信息T；采用温度对声速进行修正处理，然后根据采集回的闸门底板淤积泥沙厚度h_s和渠道自身几何尺寸，修正闸门量水建筑物参数，减小泥沙淤积对闸门量水的影响。具体方法为：

(1)利用闸门上游信息采集节点15的超声波水位传感器对闸门上游水深H进行采集，由于超声波在空气中传播主要受温度影响，故采用实测温度T对声速进行修正，空气中的声速v＝331.45+0.61T。然后根据采集到的时间差Δt得到超声波水位传感器的发射接收探头与液面的高度则闸门上游水深H＝H_a-h₁，其中H_a为超声波水位传感器的发射接收探头与渠道底部的距离，安装完成后为固定值。用同样的方法，利用闸门下游信息采集节点12的超声波水位传感器测得闸门下游水深h_t＝H_a-h₁。闸门上游信息采集节点15和闸门下游信息采集节点12的超声波水位传感器的发射接收探头与渠道底部的距离H_a，可以相同，也可以不同，本发明用同样的字母H_a表示，是因为两者的含义、设置方式相同。

(2)利用编码器21对闸门开度e进行采集，闸门丝杆导程为s，齿轮比为n，编码器21线数为300，则闸门开度其中e_t为上一时刻闸门的开度，N_Pulse为编码器产生的脉冲数目，等式中的±由编码器21的旋转方向决定。

(3)采用超声波泥位传感器31对闸门1后侧泥位进行测量，超声波泥位传感器31的发射接收探头固定在浮子上，浮子能随水流一定范围内浮动。由于声音在水中的传播速度与液体的密度有关，在不同密度的水体中的声速不同，因此，在系统初始化时，需要对声速c进行实测，方法是：清除闸门下游信息采集节点12所在处的渠道内的淤积泥沙25，然后利用超声波泥位传感器31对此处执行多次测量，得到平均发射返回时间差根据等式得出声速c，其中h₀为超声波泥位传感器31的发射接收探头与水面的距离(由于超声波泥位传感器31的发射接收探头有一定的重量，导致该探头处于水面以下一定的距离，该距离即h₀)。

(4)选取一定周期N，多次测量得到发射接收时间差序列Δt₁…Δt_N，得到闸门底板淤积泥沙的厚度然后，得到修正后的闸门量水参数H′、e′、h_c′和h_t′：

修正后的闸门上游水深H′＝H-γh_s，其中γ为闸门上游淤积泥沙厚度修正系数，经过大量室内模型实验，并经过对黄河下游多个引黄灌区的实际验证，本发明中，γ＝1.0-1.5。

修正后的闸门开度e′＝e-h_s

修正后的收缩断面水深h_c′＝h_c-h_s

h_c＝eε

式中h_c为收缩断面水深，ε为垂向收缩系数；

修正后的闸门下游水位

(二)过闸水流流态判断：

根据修正后的闸门上游水深H′、收缩断面水深h_c′、闸门下游水深h_t′和闸门平板开度e′，判断闸门水流流态。如图9所示，如果e′/H′＞0.65，则属于平底坎堰流，否则判断h_c″-h_t′＞0是否成立，若成立则属于平板闸孔自由流，若不成立则属于平板闸孔淹没流。

收缩断面的跃后共轭水深为

其中

式中F_rc ²为收缩断面的佛氏数，为流速系数，的取值范围为0.95-1.00。

(三)流量计算：

在判断闸门过水流态之后，采用修正后的闸门量水建筑物参数，按照下述三种情况，计算闸门过水流量。

1)闸孔自由出流状态的流量

其中

μ₀＝0.60-0.18e′/H′

式中μ₀为闸孔自由出流的流量系数，b为闸门宽度，v₀为水流流速。

2)闸孔淹没出流状态下的流量

其中

3)堰流出流状态下的流量

其中

h_a＝H′-a

式中h_a为堰上水头，σ为淹没系数，m₀为流量系数，a为堰高，闸门安装后a为一个确定值。

Claims (1)

1.一种用于多沙渠道的闸门量水方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、设置量水装置：

所述量水装置包括无线采集终端、远程数据传输网关(17)、电源模块及显示模块；其中，无线采集终端包括闸门上游信息采集节点(15)、闸门开度信息采集节点、闸门后信息采集节点(13)和闸门下游信息采集节点(12)；远程数据传输网关(17)包括网络协调器、应用处理器和GPRS模块；

闸门上游信息采集节点(15)设置在闸门(1)上游，与闸门(1)的距离等于1/4单孔闸宽，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集上游水位；闸门下游信息采集节点(12)设置在闸门(1)下游，与闸门(1)的距离等于1/4单孔闸宽，并且不超过0.4m，闸门下游信息采集节点(12)通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集下游水位；所述闸门上游信息采集节点(15)和闸门下游信息采集节点(12)均包括超声波水位传感器和温度传感器A，所述超声波水位传感器的超声波发射接收探头(42)通过固定在岸上的安装支架(41)固定在水面上空，温度传感器A设置在所述超声波发射接收探头(42)内，测量超声波发射返回时间间隔的同时测量环境温度，对声速进行修正；

所述闸门后信息采集节点(13)设置在闸门(1)后，与闸门(1)的距离小于0.4m，通过获取超声波发射返回时间间隔和温度，采集闸门后水位和泥沙淤积厚度；闸门后信息采集节点(13)包括超声波泥位传感器(31)、温度传感器B和固定线(16)，超声波泥位传感器(31)的探头朝下，所述温度传感器B设置在所述超声波泥位传感器(31)的探头内，所述固定线(16)固定在闸门(1)两侧，所述超声波泥位传感器(31)安装在一个浮子上，浮子通过绳索固定在所述固定线(16)上；

所述闸门开度信息采集节点包括闸门平板开度传感器，该闸门平板开度传感器采用编码器(21)；

二、利用步骤一的量水装置进行信息采集、处理和流量计算：

(一)、信息采集和处理：

(1)利用闸门上游信息采集节点(15)的超声波水位传感器对闸门上游水深H进行采集，并采用实测温度T对声速进行修正，声速v＝331.45+0.61T；然后根据采集到的时间差Δt得到超声波水位传感器的发射接收探头与液面的高度则闸门上游水深H＝H_a-h₁，其中H_a为超声波水位传感器的发射接收探头与渠道底部的距离；用同样的方法，利用闸门下游信息采集节点(12)的超声波水位传感器测得闸门下游水深h_t＝H_a-h₁；

(2)利用编码器(21)对闸门开度e进行采集，闸门丝杆导程为s，齿轮比为n，编码器(21)线数为300，则闸门开度其中e_t为上一时刻闸门的开度，N_Pulse为编码器(21)产生的脉冲数目；

(3)利用超声波泥位传感器(31)对水中声速c进行实测，方法是：清除闸门下游信息采集节点(12)所在处的渠道内的淤积泥沙(25)，然后利用超声波泥位传感器(31)对此处执行多次测量，得到平均发射返回时间差根据等式得出水中声速c，其中h₀为超声波泥位传感器(31)的发射接收探头与水面的距离；

(4)选取一定周期N，多次测量得到发射接收时间差序列Δt₁…Δt_N，得到闸门底板淤积泥沙的厚度然后，得到修正后的闸门量水参数H′、e′、h_c′和h_t′：

修正后的闸门上游水深H′＝H-γh_s，其中γ为闸门上游淤积泥沙厚度修正系数，γ＝1.0-1.5；

修正后的闸门开度e′＝e-h_s

修正后的收缩断面水深h_c′＝h_c-h_s

h_c＝eε

<mrow> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>=</mo> <mn>0.6159</mn> <mo>-</mo> <mn>0.0343</mn> <mfrac> <mi>e</mi> <mi>H</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>0.1923</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>e</mi> <mi>H</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>

式中h_c为收缩断面水深，ε为垂向收缩系数；

修正后的闸门下游水位

(二)过闸水流流态判断：

如果e′/H′＞0.65，则属于平底坎堰流，否则判断h_c″-h_t′＞0是否成立，若成立则属于平板闸孔自由流，若不成立则属于平板闸孔淹没流；

收缩断面的跃后共轭水深为

其中

式中F_rc ²为收缩断面的佛氏数，为流速系数，的取值范围为0.95-1.00；

(三)流量计算：

根据过闸水流流态，计算闸门过水流量：

(1)闸孔自由出流状态的流量

其中

μ₀＝0.60-0.18e′/H′

式中μ₀为闸孔自由出流的流量系数，b为闸门宽度，v₀为水流流速；

(2)闸孔淹没出流状态下的流量

其中

<mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mn>4</mn> <msup> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>e</mi> <mn>2</mn> </msup> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <msup> <msub> <mi>h</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

(3)堰流出流状态下的流量

其中

h_a＝H′-a

<mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.4034</mn> <mo>+</mo> <mn>0.0534</mn> <mfrac> <msub> <mi>h</mi> <mi>a</mi> </msub> <mi>a</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1610</mn> <msub> <mi>h</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>4.5</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中h_a为堰上水头，σ为淹没系数，m₀为流量系数，a为堰高。