CN108716213A - 一种适用于多沙渠道的量水装置、方法及清淤方法 - Google Patents

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    • Y02A10/30—Flood prevention; Flood or storm water management, e.g. using flood barriers

Abstract

本发明公开了一种适用于多沙渠道的量水装置、方法及清淤方法，它解决了现有技术中测量方法运行不便，消耗大量人力物力的问题，具有改善了多泥沙灌渠受渠底淤积所限不能实现精准测量的不足，为灌区全自动化实时精准量测提供了便利条件的有益效果，其方案如下：一种适用于多沙渠道的量水装置，包括设于渠道一侧的包杆和清淤部件，包杆设置副包杆，副包杆两侧各设置水位计，水位计设于测流堰堰前和堰顶的上方，以用于分别测量渠道测流堰上游水位和下游水位，清淤部件设于测流堰上游渠道岸坡底部，清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接。

Description

一种适用于多沙渠道的量水装置、方法及清淤方法
技术领域
本发明涉及引黄灌渠领域，特别是涉及一种适用于多沙渠道的量水装置、方法及清淤方法。
背景技术
随着现代化灌区的大力发展，灌区用水量测设备正在逐步趋于高精度，全自动化量测，但由于灌区特点及现有结构所限，并没有形成能适用于所有灌区的量测设施，而且现有量测方法具有如下不足之处：
1)在明渠中设置堰槽产生流动阻力，抬高了上游水位，在堰的上游测易产生固态沉积；
2)引黄灌渠含沙量较高，目前对于此类灌渠并无统一的测流方式，常用的接触式超声波多普勒测流法易受泥沙颗粒影响，从而对测量精度造成不利偏差；加之此类设备虽投入较高，且不易看管，设备丢失现象屡有发生。
3)利用堰槽等水工建筑物量水的方法简单易行，但现有的堰槽测量需要人工操作，多采用人工测量或电子水尺，操作不便且精度不高，无法直接测得瞬时流量或累计流量，不便于水量信息的实时监测。
4)常用的超声波水位支架只能量测一个断面位置，无法满足堰槽上下游断面同时量测要求，而且量水方法较为复杂。
4)针对不同类型的测流堰槽，其具体测量位置有不同的要求，实际运行操作不便；
5)现有的三角形剖面堰多应用于含沙量不大的陡坡较缓的渠道中，实际中仅应用于支渠中段和水头损失较小的斗渠量水；
6)多年运行的灌区特别是引黄灌渠，渠底易存在淤积，淤积的存在影响到量水精度较低，为了保证量水精度现有办法是定期人工清淤，消耗大量人力物力，提高了人力成本，消耗时间较长。
因此，需要对一种适用于多沙渠道的量水装置进行新的研究设计。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于多沙渠道的量水装置，该装置通过清淤部件的设置，避免在多泥沙环境下堰槽上游产生的淤积对于测量精度的影响，通过渠底的泥沙含量传感器检测泥沙含量，当泥沙含量达到一定值时提醒需要进行泥沙抽排。而且通过双探头式水位计同时对测流堰上游和下游水位进行量测，可精准得到断面实时水位，提高测量结果的精度，克服了传统测流方法量水精度低、不能实时连续记录过程、劳动强度大、资料统计麻烦等诸多局限性,具有独特的优点。
一种适用于多沙渠道的量水装置的具体方案如下：
一种适用于多沙渠道的量水装置，包括设于渠道一侧的包杆和清淤部件，包杆设置副包杆，副包杆两侧各设置水位计，水位计设于测流堰堰前和堰顶的上方，以用于分别测量渠道测流堰上游水位和下游水位，清淤部件设于测流堰上游渠道岸坡底部，因为堰前为泥沙多淤积处，清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接。
上述量水装置，通过分别测量溢流堰上游水位和下游水位，可判断出流条件，有利于提高测量精度，通过测流堰堰前清淤部件的设置，可有效对测流堰堰前淤积进行清理，防止其对渠道测流产生影响，进一步提高了测量的精度。
进一步地，为了实现抽沙，在渠道测流堰上游底部设置泥沙含量传感器，通过不同类别的悬浮固体减弱红外光强度能力的不同，得到浊度-悬浮泥沙含量，从而探知泥沙淤积情况，进而合理安排抽沙时间，该传感器与控制器连接，控制器控制泥沙泵的动作，所述空心管与所述泥沙泵之间竖直设置抽沙井，空心管的尾端与抽沙井连通，且抽沙井顶部通过管路与泥沙泵连接，该传感器设于空心管圆周以与泥沙接触，提高测量的准确性。
进一步地，所述空心管包括相互连接的第一段和第二段，所述拍门设于第一段端部，第一段直径从所述拍门端到第二段逐渐增大，这样的结构方便对淤积的抽吸，淤积通过空心管的第一段进入第二段，再进入到抽沙井中。
此外，上述的清淤部件也可用于其他测流方式中，实现及时排沙。
进一步地，所述第一段内顶部设有用于吸附所述拍门的电磁吸盘。电磁吸盘为吊式电磁吸盘，在供水结束时，淤积在堰前的泥沙与部分水通过泥沙泵从井内抽出，抽水时反向拍门被管壁顶部的电磁吸盘吸附，实现抽水时拍门的自动开启；当抽水结束时，断开电磁吸盘连通电源，反向拍门自动闭合。此处电磁吸盘表面做塘瓷处理，防止金属离子与水发生电极效应。
进一步地，为了方便拍门的打开或闭合，所述拍门通过转轴与所述空心管连接，转轴设于空心管第一段内顶部。
进一步地，所述包杆顶部设置风力发电机构，该机构与设于所述包杆的太阳能电池板连接，太阳能电池板与水位计连接，且与设于所述包杆的控制器连接，控制器与泥沙泵连接，太阳能电池板低于风力发电机构设置，太阳能电池板用于向水位计、泥沙泵和控制器供电，且风力发电机与太阳能电池板连接，太阳能电池板用于电能储存；
进一步地，所述水位计的高度低于所述太阳能电池板设置，且太阳能电池板相对于包杆倾斜设置以充分利用太阳能，太阳能电池板设于太阳能支架一端部，太阳能支架另一端部通过卡箍固定于所述的包杆，水位计设于渠道中心位置的正上方，空心管与渠道的输水方向垂直设置。
而且，副包杆端侧设置两支杆，副包杆插接设于包杆侧部的开孔内，所述的水位计设于支杆端部，且包杆与副包杆之间设置辅助支架，控制器设于控制盒内，且控制器为PLC可编程控制器，具体型号为西门子S7-200，该控制器通过无线设备与远程终端如电脑计算机或手机连接，通过远程实现泥沙泵、水位计的开关，控制盒设于辅助支架下方，辅助支架附有GPRS天线，且天线与控制器连接，实现控制器数据的远程发送，水位计为超声波水位计，该水位计带有自动实时全变量温度补偿功能和声波校准功能，可实时对检测结果进行校正。
进一步地，所述包杆底部与设于渠道一侧地基内的底座连接，所述风力发电机构、太阳能电池板与所述水位计的线缆通过所述包杆内部设于地基内与市政用电连接，市政用电线路与太阳能电池板供电线路并联设置，在各个线路上分别设置与控制器连接的开关。
进一步地，所述底座内设置定位盘，所述定位盘设置开孔，线缆穿过开孔设置，底座为圆柱形状，底座周侧设置斜向加劲肋，且底座与包杆通过法兰连接。
本发明提供了一种多沙渠道的量水方法，具体步骤如下：
1)在需要量水的渠道处设置所述的一种适用于多沙渠道的量水装置；
2)同时测量堰上游水位H1和下游水位H2；
3)将所测得的值分别减去堰高度P得到上游有效水头h和下游有效水头hp；
4)根据上游有效水头h和下游有效水头hp判断出流状态,确定流量系数CD，行近流速Cv和淹没系数Cf；
5)依据上游有效水头h采用堰流公式计算渠道流量；
6)在量水过程中，当泥沙含量传感器测得渠底泥沙浓度达到设定阈值时即向终端传输信号；
7)控制器控制暂停量水装置，并启动泥沙泵及电磁拍门进行抽沙(抽沙持续时间不超过2分钟，两次抽沙间隔不低于2小时)；
8)待抽沙结束且水流稳定后(停止抽沙后1分钟)，启动量水系统继续测流；
所述步骤4)中具体判别条件如下：矩形渠道下游有效水头hp和上游有效水头h之比大于0.24为淹没出流，小于0.24为自由出流，
所述步骤5)中堰流量Q的计算公式如下：
式中g—重力加速度(m/s2)；
h—上游有效水头(m)
b—堰顶宽度(m)
Cf—淹没系数
CD—流量系数
Cv—行近流速
若为自由出流，流量系数CD可近似采用0.633，若为淹没出流，流量系数CD可按下式计算：
若为自由出流，则Cf＝1，若为淹没出流，则根据查阅得行近流速Cv和淹没系数Cf的合并值Cv Cf。
此外，本发明还提供了一种多沙渠道的清淤方法，在测流堰上游渠底渠壁设置清淤部件，因为堰前为泥沙多淤积处；清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接；所述空心管包括相互连接的第一段和第二段，所述拍门设于第一段端部，第一段直径从所述拍门端到第二段逐渐增大，所述第一段内顶部设有用于吸附所述拍门的电磁吸盘；
而且，为了提高抽沙的准确性，在空心管圆周设置泥沙含量传感器，该传感器、泥沙泵、电磁吸盘分别与控制器连接，控制器根据传感器传送的信号，控制电磁吸盘和泥沙泵的动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过双水位计的设置，可分别同时量测堰槽上游和下游水位，为出流条件的判别提供了依据，从而有利于参数的准确选取。
2)相比于堰槽测流采用水尺测水位相比，本装置采用非接触式水位计，不影响水流流态，提高了堰槽测流的精度和效率，同时自动化程度更高，利于灌渠实现水价精准自动计量，从而为实现定额供水提供依据。
3)本发明可采用太阳能供电、风能供电或市电，满足不同情况的需要，实现全时段测流。
4)本发明工作时可通过泥沙含量传感器装置实时感知泥沙浓度，为下游灌区水多途径利用情况提供了参考。
5)本发明采用反向拍门与抽沙井，泥沙泵等装置，泥沙含量传感器测得存在一定程度淤积时将堰槽前所阻隔余水附带部分泥沙抽排，避免了因泥沙淤积而对量测精度产生的不利影响。灌渠输水时抽沙井拍门受重力作用及拍门两侧水压力作用自动回落，不影响灌渠输水，从而使测流堰槽能直接应用于多泥沙渠道，具有较强的推广性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明外观结构示意图；
图2是本发明量水设施在矩形明渠三角堰测流中的应用示意图；
图3是本发明地下埋件结构示意图；
图4是本发明反向拍门及进口段结构示意图；
图5是本发明偏心无缝异径管结构示意图；
图6是三角形剖面堰行近流速Cv查算图；
图7是三角形剖面堰行近流速系数Cv和淹没系数Cf乘积查算图；
其中：1、风力发电机构 2、太阳能电池板 3、太阳能电池支架 4、副包杆 5、超声波水位计 6、辅助支架 7、控制盒 8、包杆 9、法兰 10、底座 1001、地下包杆段 1002、定位盘1003、接地圆钢 1004、线缆 11、拍门 1101、管壁 1102、吊式搪瓷电磁吸盘 1103、转轴1104、反向拍门 12、抽沙井 13、泥沙泵 14、地下屏蔽线缆 15、泥沙含量传感器 16、空心管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于多沙渠道的量水装置及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种适用于多沙渠道的量水装置，包括设于渠道一侧的包杆8和清淤部件，包杆8设置副包杆4，副包杆4两侧各设置水位计，水位计设于测流堰堰前和堰顶的上方，以用于分别测量渠道测流堰上游水位和下游水位，清淤部件设于在测流堰上游渠底渠壁，清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵13连接，空心管的长度方向与渠道的宽度方向一致，清淤部件中空心管设于测流堰上游水位计的下方，空心管设于测流堰上游底部。
包杆8包括上下两段，下段为一次成型多菱锥形杆，上段为变径包杆，包杆下段的底部带有法兰9，通过地脚螺栓与地基底座10连接，底座10内设置定位盘1002，定位盘1002设置开孔，地下屏蔽线缆14穿过开孔设置，底座10为圆柱形状，底座10周侧设置斜向加劲肋，且底座10与包杆8通过法兰9连接。底座10包括环形接地圆钢1003，接地圆钢1003内设置定位盘1002，定位盘1002设置开孔，线缆1004穿过开孔设置，底座10为圆柱形状，底座10周侧设置斜向加劲肋。
副包杆4端侧设置两支杆，副包杆4与渠道宽度方向一致，副包杆插接设于包杆侧部的开孔内，超声波水位计设于支杆端部，超声波水位计5水平位置位于测流堰前和堰顶上方，分别量测测流堰上游水位和下游水位，垂直位置位于被测明渠渠道正上方，且包杆8与副包杆4之间设置辅助支架6，辅助支架6附有GPRS天线，控制器设于控制盒7内，且控制器为PLC可编程控制器，控制盒7设于辅助支架6下方。
包杆8内通过线缆连接超声波水位计5和太阳能电池板2以及风力发电机构1，太阳能电池板用太阳能电池支架3使用螺栓杆固定于包杆8。
另外，为了实现抽沙，在渠道测流堰上游底部设置泥沙含量传感器，通过不同类别的悬浮固体减弱红外光强度能力的不同，得到浊度-悬浮泥沙含量，从而探知泥沙淤积情况，进而合理安排抽沙时间，泥沙含量传感器可选用CN207231959U中公开的传感器，或者现有的泥沙含量传感器，泥沙含量传感器与控制器连接，控制器控制泥沙泵的动作，空心管与所述泥沙泵之间竖直设置抽沙井，空心管的尾端与抽沙井连通，且抽沙井顶部通过管路与泥沙泵连接，该传感器设于空心管圆周。
反向拍门1104能够与空心管管壁1101水平，闭合时成为管壁1101的一部分，采用转轴1103控制开合，反向拍门1104后上方设有吊式搪瓷电磁吸盘1102，吊式搪瓷电磁吸盘1102与空心管前端之间的距离小于反向拍门1104的高度，吊式搪瓷电磁吸盘1102可以隔绝98％的电极效应。而且不影响磁效应，避免水中含有的各种金属离子与电磁吸盘发生电极效应，影响吸附效果，抽水时由于反向拍门1104右侧泥沙泵抽水作用带动渠道内水流流动，使拍门吸附于电磁吸盘，当抽水完成后关闭电源电磁吸盘磁性消失，反向拍门1104自动闭合。在抽沙井12上部设置泥沙泵13，定期将堰槽前渠道内水沙抽出，达到清淤目的，控制器与泥沙泵13连接，控制器按照设定时间控制泥沙泵13进行工作。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种多沙渠道的量水方法，以三角形剖面堰为例，下游水位观测断面设置在堰顶下游坡面20mm处，与堰顶平行排列，具体步骤如下：
1)在需要量水的渠道处设置所述的一种适用于多沙渠道的量水装置；
2)同时测量堰上游水位H1和下游水位H2；
3)将所测得的值分别减去堰高度P得到上游有效水头h和下游有效水头hp；
4)根据上游有效水头h和下游有效水头hp判断出流状态，确定流量系数CD，行近流速Cv和淹没系数Cf；
5)依据上游有效水头h采用堰流公式计算渠道流量；
6)在量水过程中，当泥沙含量传感器测得渠底泥沙浓度达到设定阈值时即向终端传输信号；
7)控制器控制暂停量水装置，并启动泥沙泵及电磁拍门进行抽沙(抽沙持续时间不超过2分钟，两次抽沙间隔不低于2小时)；
8)待抽沙结束且水流稳定后(停止抽沙后1分钟)，启动量水系统继续测流；
所述步骤4)中具体判别条件如下：矩形渠道下游有效水头hp和上游有效水头h之比大于0.24为淹没出流，小于0.24为自由出流。
所述步骤5)中剖面堰流量Q的计算公式如下：
式中g—重力加速度(m/s2)；
h—上游有效水头(m)
b—堰顶宽度(m)
Cf—淹没系数
CD—流量系数
Cv—行近流速
若为自由出流，流量系数CD可近似采用0.633，若为淹没出流，流量系数CD可按下式计算：
若为自由出流，则Cf＝1，若为淹没出流，则根据查阅得行近流速Cv和淹没系数Cf的合并值Cv Cf。
此外，一种多沙渠道的清淤方法，在测流堰上游渠底渠壁设置清淤部件，因为堰前为泥沙多淤积处；清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接；所述空心管包括相互连接的第一段和第二段，所述拍门设于第一段端部，第一段直径从所述拍门端到第二段逐渐增大，所述第一段内顶部设有用于吸附所述拍门的电磁吸盘。
而且，为了提高抽沙的准确性，在空心管圆周设置泥沙含量传感器，该传感器、泥沙泵、电磁吸盘分别与控制器连接，控制器根据传感器传送的信号，控制电磁吸盘和泥沙泵的动作，实现泥沙含量高于设定值时，实现即时排出，避免对量水的影响。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，包括设于渠道一侧的包杆和清淤部件，包杆设置副包杆，副包杆两侧各设置水位计，水位计设于测流堰堰前和堰顶的上方，以用于分别测量渠道测流堰上游水位和下游水位；清淤部件设于测流堰上游渠道岸坡底部；清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述空心管与所述泥沙泵之间竖直设置抽沙井。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述空心管包括相互连接的第一段和第二段，所述拍门设于第一段端部，第一段直径从所述拍门端到第二段逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述第一段内顶部设有用于吸附所述拍门的电磁吸盘。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述拍门通过转轴与所述空心管连接。
6.根据权利要求1所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述包杆顶部设置风力发电机构，该机构与设于所述包杆的太阳能电池板连接，太阳能电池板与水位计、泥沙泵分别单独连接，且与设于所述包杆的控制器连接，控制器与泥沙泵连接；
进一步地，所述水位计的高度低于所述太阳能电池板设置。
7.根据权利要求6所述的一种适用于多沙渠道的量水装置，其特征在于，所述包杆底部与设于渠道一侧地基内的底座连接，所述风力发电机构、太阳能电池板与所述水位计的线缆通过所述包杆内部设于地基内与市政用电连接；所述底座内设置定位盘，所述定位盘设置开孔，所述线缆穿过开孔设置。
8.一种多沙渠道的量水方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)在需要量水的渠道处设置所述的一种适用于多沙渠道的量水装置；
2)同时测量堰上游水位H1和下游水位H2；
3)将所测得的值分别减去堰高度P得到上游有效水头h和下游有效水头hp；
4)根据上游有效水头h和下游有效水头hp判断出流状态，确定流量系数CD，行近流速Cv和淹没系数Cf；
5)依据上游有效水头h采用堰流公式计算渠道流量；
6)在量水过程中，当泥沙含量传感器测得渠底泥沙浓度达到设定阈值时即向终端传输信号；
7)控制器控制暂停量水装置，并启动泥沙泵及电磁拍门进行抽沙；
8)待抽沙结束且水流稳定后，继续测流。
9.根据权利要求8所述的一种多沙渠道的量水方法，其特征在于，所述步骤4)中具体判别条件如下：矩形渠道下游有效水头hp和上游有效水头h之比大于0.24为淹没出流，小于0.24为自由出流。
所述步骤5)中剖面堰流量Q的计算公式如下：
式中g—重力加速度(m/s2)；
h—上游有效水头(m)
b—堰顶宽度(m)
Cf—淹没系数
CD—流量系数
Cv—行近流速
若为自由出流，流量系数CD可近似采用0.633，若为淹没出流，流量系数CD可按下式计算：
若为自由出流，则Cf＝1，若为淹没出流，则根据查阅得行近流速Cv和淹没系数Cf的合并值Cv Cf。
10.一种多沙渠道的清淤方法，其特征在于，在测流堰上游渠底渠壁设置清淤部件，清淤部件包括空心管，空心管一端设置能够相对于空心管管壁打开或闭合的拍门，拍门朝向空心管内部打开，另一端与泥沙泵连接；所述空心管包括相互连接的第一段和第二段，所述拍门设于第一段端部，第一段直径从所述拍门端到第二段逐渐增大，所述第一段内顶部设有用于吸附所述拍门的电磁吸盘。
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