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    科學技術論文

    豐滿大壩魚道水情監測系統的應用

    時間:2021年09月14日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:文章針對豐滿大壩魚道過魚監測需要水情數據支撐的問題,研究并設計了一套魚道水情監測系統。系統包括了水情傳感器以及數據接收軟件平臺。通過對接收到的各傳感器數據進行分析研究,監測所得數據滿足過魚監測需求。故豐滿大壩魚道水情監測系統可為魚道過

      摘要:文章針對豐滿大壩魚道過魚監測需要水情數據支撐的問題,研究并設計了一套魚道水情監測系統。系統包括了水情傳感器以及數據接收軟件平臺。通過對接收到的各傳感器數據進行分析研究,監測所得數據滿足過魚監測需求。故豐滿大壩魚道水情監測系統可為魚道過魚監測提供數據支撐,同時也能為其他同類型系統的研究與設計提供借鑒。

      關鍵詞:豐滿大壩;魚道;水情監測;自動化

    環境監測

      豐滿水電站建于1937年,作為松花江流域大型發電站之一,是吉林省主要的電力供應來源[1]。隨著可持續發展思想不斷深入,豐滿水電站在老壩基礎上建造新壩時,在壩體周圍增加了魚道,保證了魚類原始生活習性,防止上下游的魚類形成基因隔離。

      水情監測系統是一種使用現代科技對水情數據進行采集與處理的技術,使用自動化手段代替人工監測,將數據實時傳輸到接收平臺[2]。國外于20世紀60年代開始建立水情監測系統,1976年美國的SM公司與氣象局合作開發研制了一套水情自動監測設備,這是當時具有代表性的水情監測設備[3]。

      養殖論文范例: 適合環境監測采集員看的文獻

      1986年,日本建成了世界上最大的水情遙測數據采集系統,系統采用GMS衛星通信,能覆蓋全國范圍[4]。我國水情監測技術探索較晚,在20世紀80年代開始引進吸收國外技術,最早由水利部水利水文自動化研究所引入SM公司產品同時進行國產化改良。從90年代開始我國大力發展水情監測技術,并取得了一定進步,國內生產的產品逐步跟上國外同期水平,2002年國電自動化研究院研制出了低功耗小型ACS300數據采集器,保證了高溫與低溫環境下系統的正常工作[5]。

      魚道水情監測系統是將傳感器技術、通信技術、計算機網絡技術等結合起來,實現對魚道中水位、溫度、流速、流量等數據采集、存儲、傳輸的一種手段[6]。國內魚道建設已經開始多年,但魚道內魚類過魚監測效果并不理想。近年來,為了規范魚道設計,國家明確提出了一些要求并制定了相關設計導則,其中如水位、流速、流量以及上下游水位等水情要素都成為必要的監測內容[7]。為給魚道過魚監測提供豐富的數據支持,提高魚道過魚效果評估價值,研究并設計一套合適的魚道水情監測系統十分必要[8-9]。

      1系統設計

      魚道水情監測要求在典型斷面安裝設備,監測水溫、流速、流量、水位信息,為魚道中的過魚監測提供可分析的基本數據,以便實現過魚情況的綜合分析[10-11]。根據需求可知,整個系統包含傳感器數據采集部分、數據傳輸部分以及上位機數據接收平臺部分。

      1.1系統總體結構

      魚道水情監測系統包括硬件與軟件兩大部分。硬件主要是各種傳感器以及數據傳輸模塊,軟件是上位機數據接收部分。硬件部分的鉛魚式超聲多普勒流量計負責采集魚道中流速、流量與水位數據,非接觸式雷達流速儀負責閘口水面流速數據的采集,超弱光纖光柵溫度監測儀負責實時監控壩上壩下水溫分層特征,由于豐滿大壩要求數據傳輸方式必須為有線傳輸,各傳感器在采集存儲數據后需經過光纖調制解調器把傳感器中的數據通過光纖傳輸到上位機數據接收軟件。

      1.2上位機接收軟件

      魚道水情信息是魚道過魚監測重要的數據基礎,豐滿大壩魚道水情監測系統除了水位、流速、流量以及溫度傳感器外,還包括上位機軟件接收平臺。上位機軟件接收平臺主要采用多線程與異步調用思想編寫,在多通道采集、報文接收、報文解析和數據存儲中都采用這兩種方式。用戶可根據需求在應用中創建其它線程,多個線程并發地運行于同一個進程中,并行處理的思想規避了單一任務長期占用CPU資源情況,提高了資源使用率。軟件系統使用C/S構架,使用.NET平臺C#語言編寫,交互性強且利于處理大量數據,具體功能主要分為以下幾點:

      (1)測站信息管理:對站點的站碼、站名、測站類型、報文格式、模塊卡號等進行管理。(2)傳感器參數管理:對測站所包含的傳感器參數和基值、計算系數、上下限、水位獲取流量等進行管理。(3)歷史數據查看:包括了歷史報文查看和各傳感器歷史數據查看。(4)遠程數據下載:通過GPRS網絡遠程對設備下指令,下載設備中存儲的參數歷史數據。(5)水位流量曲線:可以按格式導入或填入表格并導入數據庫,供水位查找流量使用。(6)系統管理:包括用戶登錄權限、數據庫配置、接收信道配置。

      2現場應用

      本系統在吉林省豐滿大壩已經安裝完畢。豐滿大壩位于我國東北地區,冬季室外溫度過低,魚道結冰問題不可避免,為保護設備長期運行,在此期間需拆除與水有接觸的設備。因此,設備在裝置時采用螺栓與螺母連接固定方式,設計可拆卸鋼架,將鋼架用膨脹螺絲固定,方便安裝與拆卸,電纜線接口處采用封閉連接工藝,整線都有屏蔽工藝,避免外部干擾影響數據通信。

      非接觸式雷達流速儀由于不與水面直接接觸,無需在結冰期拆卸,本處雷達流速儀是用于魚道中閘口流速監測,在混凝土墻面采用膨脹螺絲固定支架,支架整體分為兩段式旋轉調節設計,主臂可在垂直方向上下調節,支臂可在水平方向左右調節,該雷達流速儀工作的垂直角范圍為30°至70°,波束寬度為12°,因此現場需測量流速儀與閘口的水平距離以及離水位的垂直距離,保證其垂直角在工作范圍內。

      在魚道的上下游,安裝了溫度鏈測量水溫分層特征。由于水的良導熱性,受不同、氣壓以及流速影響,水溫隨深度變化幅度較小,十分考驗傳統溫度傳感器的精度。在實際應用中,傳統水溫梯度測量法需將高精度電子溫度計固定在牽引繩上,通過提升牽引繩,來測量不同位置溫度信息,構建深度-溫度曲線,實時性差且不易操作。本處采用超弱光纖光柵溫度傳感器陣列技術,通過波分與時分復用提高空間分辨率,同時具備更快的響應速度。

      3數據對比分析

      為了驗證豐滿大壩魚道水情監測系統的運行效果,使用便攜式多普勒流速儀測量數據作對比分析。以五月某天數據為例,將本系統的流速儀所測流速數據與便攜式流速儀所測數據做對比,發現二者差值在一定范圍內。同樣采用人工水尺的方式測量魚道水位,將所測水位與本系統水位數據進行對比,二者差值也在一定范圍內。

      4結語

      豐滿大壩魚道水情監測系統安裝后,完成了對魚道內水位、溫度、流速、流量數據的實時采集、存儲以及傳輸工作。系統由硬件與軟件兩部分組成,傳感器所測數據通過光纖傳輸給軟件接收平臺,根據手持式傳感器和人工水尺測得數據進行對比,證明了本系統得到的數據可靠性高,能夠滿足如《水利水電工程魚道設計導則》中“魚道觀測內容主要包括魚道流速、水位、流量、溫度、過魚數量、規格、種類等。”的要求,為今后魚道水情監測系統的設計提供思路。但本系統流量計所選類型帶有長封閉線纜,在冬季冰期拆卸工作復雜,后面可采用無線式時差法流量計進行升級代替。

      參考文獻:

      [1]馮楊,王保軍,金德澤,等.豐滿大壩過魚設施放流形式探討[J].水利水電術,2020,51(S2):134-137.

      [2]王偉,徐竹青.水利工程安全管理指數體系及評價指標研究[J].水利技術監督,2021(4):7-11,65.

      [3]張秋艷,張俊霞,白瑩.一種低功耗多功能的水情監測器設計[J].國外電子測量技術,2018,37(11):125-129.

      [4]王偉.水利工程自動化控制應用趨勢[J].科技創新導報,2011(6):126-129.

      [5]付英杰,張永學.國內外水文自動測報系統綜述[J].黑龍江水利科技,2014(3):197-198.

      作者:牛智星1,姜紅梅2,董家賢3,陳與非1,夏翔1

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