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無線遠(yuǎn)程明渠流量計矩形堰閘在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中的工程應(yīng)用
明渠流量計矩形堰閘農(nóng)田生態(tài)溝渠無線遠(yuǎn)程監(jiān)測云服務(wù)農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物是生態(tài)溝渠的重要組成部分，它在蓄積排水、調(diào)節(jié)適宜水位、延長農(nóng)田排水在溝渠中的停留時間，促進(jìn)溝渠內(nèi)水生植物良好生長，吸附、吸收、降解農(nóng)田排水中所攜帶的COD、氨氮、總磷等污染物方面具有顯著功效。然而，在農(nóng)田水利工程常規(guī)排水系統(tǒng)中，存在農(nóng)田排水溝渠排水量自動監(jiān)控水平低、無法滿足上游來水流速的水閘控制和下游農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物水體停留時間設(shè)計的要求。
針對目前農(nóng)田排水溝渠排水量自動監(jiān)測水平低下的現(xiàn)狀，運(yùn)用流體力學(xué)、工程學(xué)及信息控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于阿里云服務(wù)模式下無線遠(yuǎn)程監(jiān)測的明渠流量計矩形堰閘，實(shí)現(xiàn)了堰閘與云端的數(shù)據(jù)交換。本項(xiàng)目運(yùn)用流體力學(xué)、工程學(xué)及信息控制技術(shù)，在農(nóng)田排水溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物前，設(shè)計了一種基于阿里云服務(wù)模式下無線遠(yuǎn)程監(jiān)測的明渠流量計矩形堰閘，實(shí)現(xiàn)了液位、瞬時流量、累積流量等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了明渠流量計矩形堰閘與云端的數(shù)據(jù)交換，并確定了明渠流量計矩形堰閘的技術(shù)參數(shù)，有效解決了農(nóng)田水利工程常規(guī)排水系統(tǒng)中排水量自動監(jiān)測水平低下、操作不便等問題。
根據(jù)農(nóng)田生態(tài)排水溝渠現(xiàn)場示范和工藝試驗(yàn)，其測量精度滿足要求，有利于溝渠生態(tài)凈化裝置吸收、吸附、降解水體中COD、氨氮、總磷等污染物，為類似工程的應(yīng)用提供了參考。
1 明渠流量計矩形堰閘監(jiān)測站設(shè)計
為實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計，將太陽能板、明渠流量計、控制箱、矩形堰閘集成在一個監(jiān)測站內(nèi)，采用太陽能板綠色電源，為動力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳送等模塊提供電能。使用低功耗GPＲS 無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)或指令的遠(yuǎn)程傳送，在云服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)中心，存儲明渠流量計基本數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，設(shè)置電腦和手機(jī)用戶訪問接口，實(shí)現(xiàn)堰閘的實(shí)時監(jiān)測、智能運(yùn)行等功能。無線通訊模塊、嵌入式控制板等封裝在控制盒內(nèi)。矩形堰閘由支墩、安裝支架、法蘭、擋板、流量計等組成。矩形堰閘安裝在渠道上，矩形堰閘擋板豎直，安裝在渠道中軸線上，儀表探頭安裝在距離矩形堰閘板0. 5m 的位置。如圖1 所示。
2 試驗(yàn)示范與應(yīng)用
為驗(yàn)證明渠流量計矩形堰閘量水精度，在四川省雙流區(qū)黃水鎮(zhèn)紅橋小區(qū)示范基地農(nóng)田生態(tài)型排水溝開展試驗(yàn)。示范點(diǎn)農(nóng)田生態(tài)型排水溝渠長度約150m，溝頂寬1. 7m，溝深1. 0m，淤積深度0. 3m?？紤]到溝渠內(nèi)大流量大于40L /s、渠道內(nèi)水的流態(tài)、能否形成自由流、堰口寬度超過了
圖1 明渠流量計矩形堰閘監(jiān)測站設(shè)計布置1. 00m 等因素，根據(jù)現(xiàn)場改造的標(biāo)準(zhǔn)矩形堰b、B、p 值，上游溝渠寬度B = 1. 50m，堰口寬度b =1. 00m，液位的高度h = 0. 50m，堰壁的高度p =0. 20m，選用FX－OC－1. AN－DCSPＲ0TSS1PL10－DBC 明渠流量計。
圖2 矩形堰構(gòu)造
2. 1 明渠流量計精度分析本項(xiàng)目明渠流量計儀表是以超聲波技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字微處理技術(shù)相結(jié)合，專為野外應(yīng)用而設(shè)計，
圖3 矩形堰閘安裝示意
圖4 明渠流量計矩形堰閘現(xiàn)場效果
可全面實(shí)現(xiàn)無人值守、安裝簡單、性能穩(wěn)定、精度高、內(nèi)置GPＲS 通訊模塊可直接與信息中心通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳輸，直接測量溝渠內(nèi)水位高度。
超聲波傳感器根據(jù)安裝在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠上的矩形堰閘，測量堰閘內(nèi)的水位，按照相應(yīng)的水位—流量關(guān)系，自動測算出水位對應(yīng)的流量。流通順暢的溝渠流量越大，液位越高; 流量越小，液位越低。流量與水位之間的對應(yīng)關(guān)系，受溝渠內(nèi)坡比降和表面的糙度影響。因此，在溝渠內(nèi)安裝矩形堰閘，可產(chǎn)生節(jié)流作用，固定溝渠內(nèi)流量與水位的對應(yīng)關(guān)系。
在明渠流量計的正下方位置，通過人工用水尺觀測溝渠內(nèi)水位的高低，作為人工觀測數(shù)據(jù)。在同一時刻獲取FX － OC － 1. AN － DCSPＲ0TSS1PL10－DBC 明渠流量計水位自記數(shù)據(jù)。
從下述自記數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以看出，明渠流量計的數(shù)據(jù)與人工觀測的數(shù)據(jù)相對誤差在0 ～ 7. 5%范圍內(nèi)，均在＜10%的控制范圍內(nèi)，表明FX－OC－1. AN－DCSPＲ0TSS1PL10－DBC 明渠流量計自動測量的精度滿足要求。
2. 2 低功耗GPＲS 無線遠(yuǎn)傳系統(tǒng)( 堰閘遠(yuǎn)程測控系統(tǒng))
2. 2. 1 主要功能
為實(shí)現(xiàn)堰閘流量實(shí)時監(jiān)測，發(fā)送數(shù)據(jù)至云端數(shù)據(jù)庫，借助開發(fā)的GPＲS 低功耗后臺服務(wù)器( GPＲS 無線板卡，安裝于阿里云服務(wù)器) ，與明渠流量計儀表組合，實(shí)現(xiàn)隨時訪問采集儀表的數(shù)據(jù)并上傳至后臺服務(wù)器，可視化呈現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時及歷史數(shù)據(jù)。采用太陽能板綠色供電方式。
2. 2. 2 服務(wù)器平臺信息查詢
后臺服務(wù)器集成多款儀表為一體，同時可做微信、網(wǎng)頁的交互界面。上半部分為儀表所采集到的數(shù)據(jù)，下半部分為無線板卡配置的基本信息，右邊為服務(wù)器的設(shè)置界面( 包括啟動軟件、關(guān)閉軟件、參數(shù)設(shè)置、退出軟件等) 。服務(wù)器軟件可以接收到現(xiàn)場發(fā)送過來的水位信息，在屏幕上顯示并保存起來。如圖5 所示。
( 1) 明渠流量計采集信息: 本試驗(yàn)儀表觀測上傳的液位值、瞬時流量、累積流量、板卡電壓及儀表安裝位置等信息。流量是由儀表計算而來，再上傳至后臺服務(wù)器。
( 2) GPＲS 板卡參數(shù)設(shè)置: 當(dāng)數(shù)據(jù)能上傳至后臺服務(wù)器的同時，GPＲS 板卡的設(shè)置參數(shù)也會同步到后臺服務(wù)器。因此，可以在后臺服務(wù)器操作，修改板卡參數(shù)并勾選“允許下傳修改板卡參數(shù)”， 即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程修改板卡時間等參數(shù)。不可修改端口號、域名/IP、儀表類型和儀表地址。
( 3) 標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài): 由用戶自己確定每多少分鐘測量一次水位，測量完畢將水位值保存在主機(jī)中，同時上傳一次，如果遇到服務(wù)器無應(yīng)答或者網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不理想，則等到下一次傳輸?shù)臅r候再上傳。主機(jī)中可以存儲5 萬條測量數(shù)據(jù)。
( 4) 參數(shù)設(shè)置: 主機(jī)位采集間隔300s，預(yù)警位采集間隔10s，報警位采集間隔10s，正常上傳間隔300s，預(yù)警位上傳間隔10s，報警位上傳間隔10s，預(yù)警位6m，報警位9m。數(shù)據(jù)采集上傳間隔時間、報警時間均可設(shè)置修改。
( 5) 記錄查詢: 可對每款儀表的不同DTU 編號進(jìn)行詳細(xì)查詢、數(shù)據(jù)表單備份; 也可對單*款儀表的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份( 可人工備份，系統(tǒng)也可自動備份) 、備份表單查詢( 備份過的文件可直接通過服務(wù)器進(jìn)行查詢) 。
( 6) 服務(wù)器/App 權(quán)限: 此界面有三項(xiàng)功能:
①修改板卡的端口號及設(shè)置表單自動轉(zhuǎn)存( 注:為了防止后臺服務(wù)器由于接收的數(shù)據(jù)過多而運(yùn)行緩慢，設(shè)置自動轉(zhuǎn)存數(shù)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量便會自動備份到電腦存儲盤并刪除服務(wù)器數(shù)據(jù)以提供更快的運(yùn)行空間) ; ②使用后臺服務(wù)器的同時也可使用手機(jī)App 接收數(shù)據(jù)，可在此界面對手機(jī)App 的登錄用戶名及密碼進(jìn)行設(shè)置管理( 注:使用手機(jī)App 的前提是后臺服務(wù)器必須開啟，因?yàn)槭謾C(jī)App 只有訪問的權(quán)限) ; ③微信交互服務(wù)端口號: 當(dāng)需要訪問或者微信訪問后臺服務(wù)器時，需將端口號設(shè)置成80。
( 7) 通訊判斷: 數(shù)據(jù)正常采集及上傳、數(shù)據(jù)異常( GPＲS 數(shù)據(jù)上傳任務(wù)失敗) 。
2. 3 應(yīng)用效果分析為了探究農(nóng)田生態(tài)排水溝渠預(yù)處理系統(tǒng)在有堰閘運(yùn)行管理模式下對農(nóng)田面源污染物氮磷的去除效果，綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，雨污收集池底泥中氨氮含量為9. 52mg /kg，總磷5679. 52mg /kg。該示范區(qū)通過工程建設(shè)預(yù)計年削減底泥污染物排放量指標(biāo)為: COD 7. 0t /a; 氨氮1. 6t /a; 總磷1. 2t /a。農(nóng)田溝渠污水回用率按45%計算，新增凈水能力7. 173 萬m3。
從服務(wù)器監(jiān)測平臺采集數(shù)據(jù)分析，不同排水強(qiáng)度下生態(tài)排水溝渠受矩形堰閘的攔截影響，致使生態(tài)溝渠內(nèi)水體流速降低，水位雍高，延長了水流的實(shí)際平均停留時間，增加了水流與預(yù)處理裝置、生物菌劑、植物充分接觸的時間，有效容積比得到提高。間接表明了污染物在生態(tài)溝渠系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移輸送、停留時間及被降解的能力。2018年11 月9 日至12 月26 日的觀測數(shù)據(jù)表明:COD、氨氮、總磷進(jìn)口濃度變化率分別為68. 42%、81. 81%、80. 85%; 出口濃度變化率分別為3 結(jié)語基于云服務(wù)模式下的無線遠(yuǎn)程訪問明渠流量計矩形堰閘太陽能板綠色電源監(jiān)測站，成功地在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中得到運(yùn)用，有效地解決了農(nóng)田排水溝渠排水量自動監(jiān)測水平低下、監(jiān)測設(shè)備測量精度不高、性能不穩(wěn)定、操作不便、功耗大等問題，實(shí)現(xiàn)了堰閘與云端的數(shù)據(jù)交換，監(jiān)測的數(shù)據(jù)相對誤差在0 ～ 7. 5%范圍內(nèi)，能較好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、智能運(yùn)行，運(yùn)維成本低，適合小型農(nóng)田灌溉溝渠輸排水系統(tǒng)的化計量。
安裝矩形堰閘的生態(tài)溝渠，水體流速降低，水流停留時間延長，水流在農(nóng)田溝渠預(yù)處理構(gòu)筑物和溝渠內(nèi)與植物充分接觸，有效容積比得到提高，對污染物質(zhì)起到了較好的截留凈化效果，對農(nóng)田溝渠再生水質(zhì)資源化利用工程的建設(shè)提供了一種新途徑。