水位监测（共7篇）
水位监测 篇1
1 工程概况
西夏水库是宁夏自治区党委和政府为保护银川市西部的地下水环境, 优化区域水资源配置, 向银川市西部提供优质的地表水和自然过滤源水水源而批准实施的一项重要的水资源配置工程, 工程为沙坡头北干渠的重要组成部分, 供水对象为银川市西部的工业企业, 设计年供水总量6200万m3/a, 日供水量17万m3/d。
西夏水库位于银川市西南, 由原银西防洪体系的第一拦洪库改建而成。水库地处贺兰山东麓的洪积扇上, 库区底部的防渗效果和基础渗流特性是安全监测的主要目标之一;由于水库建成之后必然引起周围水环境的改变, 特别是由于渗漏量增大, 抬高水库下游农田的地下水位, 因此水库下游农田保护区的地下水位监测是目标之二, 同时也是辐射井群提水设施工作的控制目标。
2 主要工程监测项目
2.1 变形监测
在坝顶设置视准线一条, 测点间间距为100m, 共设置表面标点18个;在桩号1+500和2+150, 轴距+4.0米处, 布设沉降管各1条;在输水塔闸房外四个边角各设置4个水准监测点, 两外在输水塔工作桥上布设10个水准点。
2.2 渗流监测
坝体渗流压力观测断面选择0+675、0+966、1+500、2+150和3+000五个横断面进行坝体渗流观测, 埋设渗压计36支。
2.3 保护区和辐射井区地下水位监测
辐射井区地下水位监测相当坝后水位观测, 也反映了辐射井区提水设施的工作效果, 设置水位井18个, 测井深度为15m, 安装水位计18支。
3 系统网络整体结构
西夏水库工程安全监测自动化系统及测站、中心站网络采用分层分布式的网络结构。测站层由各测点传感器和数据测量控制装置组成;监测中心站位于水库大坝管理处, 监测中心站由数据采集接收机、监测工作站、服务器等组成。
将监测数据、系统参数和其它信息资料存放在数据库中, 数据库运行在监测服务器上以实现资源共享;监测工作站作为前端用户访问, 服务器处理数据库中的数据。除系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作外, 其他操作人员通过权限设置在监测工作站对监测自动化系统进行数据的查询、监视等操作。
系统通信主要完成M C U之间及M C U与控制中心之间的数据通信, 采用支持分布式控制、通用的Lon W orks通信方式。
4 渗流特性分析
西夏水库大坝渗流监测断面有5个, 坝后水位观测井共18个, 根据西夏水库渗流监测断面以及水位井的设置, 此次主要针对西夏水库2013年4月初至2014年6月中旬各监测断面上埋设渗压计监测数据以及坝后水位井水位监测数据进行分析。
2#渗流监测断面 (0+966) 为输水洞断面, 该断面共埋设渗压计11支, 编号为:P2-1~P2-11。由于在该断面上的测点P2-2、P2-3、P2-5、P2-7、P2-9处埋设的渗压计数据波动加大, 且波动范围也较大, 因此在分析过程中只考虑断面上其余测点在2013年4月初至2014年6月中旬的渗流压力水头与孔隙压力过程线与库水位过程线对比, 如图1、2所示。
从图可以看到:0+966断面上测点孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程一致, 且变化过程比较同步;对于测点P2-11一直处于负压状态, 表明该测点位置的土壤一直处于非饱和状态;从各测点的孔隙水压力水位大小来看, 目前测点的孔隙水压力水头变化区间在1131~1135m之间;目前测点孔隙水压力大小的变化区间基本都在25~45KPa之间, 除测点P2-11处于负压状态, 其余测点均处于正压状态;从测点孔隙水压力水头分布来看, 测点的渗流压力水头分布与理论分布基本一致, 从断面上游到断面下游呈逐渐减小的分布状态。
5#渗流监测断面 (3+000) 共埋设渗压计6支, 编号为:P5-1~P5-6。分别绘制各支仪器从2013年4月初至2014年6月中旬渗流压力水头和孔隙水压力变化过程线, 如图所示。
从图可以看到:3+000断面测点的孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程基本一致 (除测点P5-6) , 且断面上测点孔隙水压力水头测值与上游库水位值相差较小, 表明该断面位置的材料渗透性比较强;从测点的孔隙水压力变化来看, 测点P5-6的孔隙水压力基本在0KPa附近波动, 表明测点位置土壤处于饱和与非饱和状态的临界位置, 而其余测点的孔隙水压力均处于正压状态, 孔隙水压力范围在0~150KPa之间。从监测断面上所有测点的孔隙水压力水头值与测点位置分布来看, 测点水头值基本满足从上游向下游逐渐减小的趋势, 与理论分布基本一致。
5 坝后水位井监测特性分析
根据水位井 (O H 5-1) 监测数据, 绘制从2013年4月初至2014年6月中旬测点的渗流压力水头与水库水位变化过程对比图, 如图所示。
可以看到:水位井O H 5-1的水位变化波动较小, 水位井的水位变化与水库水位的变化在2013年11月份之前比较一致, 2013年11月份之后水位井O H 5-1的水位变化过程比较稳定, 受上游库水位的变化过程影响较小。
6 坝后水位井不同时刻水位与原始水位比较分析
2013年11月25日、2014年6月20日西夏水库坝后地下水位分布基本呈现出从坝址向坝后延伸处逐渐降低的趋势, 地下水位从坝址1130m逐渐降低为1126m, 与坝后地形走势情况基本一致。与坝基、坝后初始地下水位分布图比较, 发现在坝后集渗廊道之前地下水位有所升高, 而集渗廊道之后的地下水位出现略微下降的现象, 这表明通过坝后集渗廊道的截留及坝后泵站抽排, 西夏水库渗漏水量部分被截留回抽, 对集渗廊道之后的地下水位高低有一定影响, 但是影响的范围比较有限。
坝基、坝后地下水位的分布图如下:
7 总结
根据西夏水库蓄水过程、地形上来看, 坝后地形为逐渐降低的过程, 地下水位也呈逐渐降低的趋势。
水库坝后设置集渗廊道用来进行坝体及坝基的渗漏水量截留, 从坝后集渗廊道的运行来看, 通过截留在一定程度上降低了水库的渗漏对下游土地的影响, 但是由于坝基的渗透量较大, 坝后集渗廊道无法完全截留水库的全部渗漏水量, 因此水库的高水位蓄水时可能会对水库下游的土地有较大影响。运行管理单位后期要严格执行水库及水库坝后泵站的运行管理制度, 并实时监测水库坝体、坝基及坝后水位的变化情况, 避免由于坝后集渗廊道的抽排水不及时导致坝后地下水位的迅速增加的情况发生, 为更充分合理的进行水库及泵站运行管理积累丰富的资料。
参考文献
[1]SL274-2001.碾压土石坝设计规范.
[2]SL360—2006.地下水监测站建设技术规范.
[3]朱军, 刘光廷, 陆述远.饱和非饱和三维多孔介质非稳定渗流分析.武汉大学学报:工学版, 2001.
水位监测 篇2
文章在北京市地下水水位监测现状基础上,分潜水和承压水对北京平原地下水监测网的监测密度和监测频率进行了优化设计.主要采用编制地下水动态类型图的方法进行了地下水水位监测网的优化,克里金插值法能定量评价依据监测网观测值绘制的.地下水水位等高线的精度,因而可以用来评价监测优化结果.并根据时间序列分析和统计检验提供的定量标准优化了地下水水位监测频率.优化后,北京平原共有监测孔400眼,其中利用原有监测孔300眼,新设计监测孔100眼,手工监测频率由原来的每月6次优化为每月1次,专项高频率监测可以由地下水自动监测仪实现.文中还对地下水自动监测仪(DIVER)的监测结果和手工监测结果进行了对比评价,提出了地下水水位监测网的维护、管理措施和信息发布方式.
作 者：董殿伟 林沛 晏婴 刘久荣 叶超 郑跃军 万利勤 李文鹏 周仰效 DONG Dian-wei LIN Pei YAN Ying LIU Jiu-rong YE Chao ZHENG Yue-jun WAN Li-qin LI Wen-peng ZHOU Yang-xiao 作者单位：董殿伟,林沛,晏婴,刘久荣,叶超,DONG Dian-wei,LIN Pei,YAN Ying,LIU Jiu-rong,YE Chao(北京市地质工程勘察院,北京,100037)
郑跃军,万利勤,李文鹏,ZHENG Yue-jun,WAN Li-qin,LI Wen-peng(中国地质环境监测院,北京,100081)
周仰效,ZHOU Yang-xiao(荷兰联合国教科文组织水资源学院,荷兰德尔福特)
水位远程监测技术在深井上的应用 篇3
1 主要研究内容及技术关键点
如何及时有效地测量深井水位, 是多年来一直困扰大庆油田水务公司水源生产管理的技术难题。各水源的深井水位测量一直采用人工方式, 存在测量周期长、数据更新不及时的问题, 特别是水源深井大多数都下过二次套管, 井径缩小, 且受法兰盘、电缆等障碍物的影响, 经常导致测绳卡线无法下入, 造成无法有效监测深井水位的困难。由于不能及时地掌握深井的水位数据信息, 一些水源的深井潜水泵下深不合理, 潜水泵安装深度只能靠经验和感觉完成。在水源深井中, 动水位从10~50 m不等, 如果下泵位置在动水位以上, 则可能引起抽空造成烧泵的事故。在实际安装时常将潜水泵下深至远远低于动水位以下的位置, 这样既加长了扬水管和电缆的长度又要选用扬程偏高的潜水泵, 造成材料成本和电量的严重浪费。因此, 水位远程监测技术在深井管理中的应用, 使管理人员能够及时准确掌握深井水位数据, 对于深井泵的维护以及水源站的降低成本、经济运行等方面有着比较重要的意义。
主要研究内容:在主控中心的监控主机上能够通过无线数据传输通道, 随时自动或手动向深井的远程数据采集终端发送命令, 深井数据采集终端接收到命令后, 把所采集到的深井动静水位信号, 及时准确的通过无线数据传输通道远传到十几公里以外的水源值班室的监控主机上。
关键技术是:在Windows平台上开发设计、基于Visual Basic的监测系统的应用程序。以及深井数据采集终端技术和无线数据传输通道接口技术的开发与应用。
2 水位远程监测技术方案研究[1]
深井水位监测系统包括监控软件和硬件设备, 其中硬件设备由两大基本部分组成:上位计算机监控单元和深井远程数据采集终端单元。监控系统中央控制单元由工业计算机及通讯控制器组成, 远程终端单元 (RTU) 由终端执行器及通讯设备组成。
2.1 深井水位自动监测技术方案设计
深井无线监测系统采用无线通讯方式实现监控站与深井终端的数据通讯, 通过编程指令控制现场设备, 利用各种变送器、传感器采集现场数据。系统硬件的组成如图1所示。
水源监控中心由工业控制计算机、中央控制器、无线数据传输电台单元构成。每口深井远程执行终端由数据采集终端、无线数据传输电台单元、液位传感器等数据采集设备构成。
2.2 深井水位监测系统监控中心计算机应用软件的研究与设计
在深井水位自动监测系统中, 应用软件的设计是整个监测系统的关键, 软件应具有数据采集、存储、解析及显示功能, 要有较高的运行稳定性、良好的可操作性及易维护性。监控软件都通过数据通讯设备与远程终端 (RTU) 进行通讯, 发送相关指令实现控制远程终端设备、读取设备的运行参数的功能。将系统所需的设备运行数据以友好、易操作的人机界面显示出来为运行人员提供参考, 如深井运行参数、相关报警信息、水位数据等。监控系统软件由用户直接操控, 其操作性能及稳定性的优劣影响着用户对于监控系统的评价及信赖程度。
1) 软件功能设计。软件设计以用户实际需求为依据, 主要实现以下功能:
◇深井监测系统采集水位数据信号功能。采集水位数据信号是水源深井水位监测系统的一项基本功能, 主要是通过无线采集模块 (RTU+DTU) 将深井相关数据信息采集回来并存储到数据库中, 方便管理人员调用、查询。
◇深井监控系统井群分布界面。在监控界面中建立井群分布总图, 能够显示每口深井运行数据, 如水位数据、深井泵运行状态、报警信息等。值班室岗位监控人员可通过监控画面清楚地知道每一口深井的位置以及相关信息, 并且能进入单井查询界面。
◇水源深井远程监控功能。操作人员能够通过计算机界面方便地进行各种操作。可方便地进行各页面之间的切换进行单井检测、井群操作及手、自动巡检等功能。
◇实时数据显示及历史数据查询功能。监测系统能够显示水位的实时数据和历史数据, 值班人员可随时根据需要查询相关数据。
◇数据曲线显示功能。为方便水源地质监测人员对动静水位的变化趋势进行分析, 本系统可将水位数据绘制成曲线, 能够显示水源每口深井的水位数据曲线, 如实时数据曲线、历史 (日、月、年) 数据曲线。使管理人员对水位的变化趋势有一个直观的认识, 方便管理人员对动静水位的变化进行分析。
◇深井参数录入、存储及查询的功能。可以手工录入深井参数。如深井投产年代、井深、试水量、泵下深、水位降深、潜水泵型号、实际产水量、输入功率、效率、取水单耗等数据。
◇深井水位超限报警功能。可以输入上下限报警水位, 并能显示报警原因。值班人员可以根据每口深井的水位情况, 设定水位上下限报警, 当水位超过警戒线时, 计算机能够发出声光报警。
2) 系统应用软件的设计与实现。系统监控界面采用Visual Basic 6.0专业版程序编译语言编制, 该编译程序是基于Basic语言的程序设计语言, 它具有界面建立较容易, 易于上手、功能强大的特点[2]。根据监控软件所具有的不同功能, 分别进行开发编制, 采用模块化方式将程序分为六大功能块, 做到软件结构清晰, 程序具有易修改、易移植等特点, 方便日后的维护及系统的升级工作。
◇内核模块设计。内核模块在该监控软件中起到十分重要的作用, 它是监控程序运行的主模块, 具有软件运行初始化的功能, 可以创建当天的数据库, 进行通讯端口参数设置、数据传输、存储等。根据不同的事件函数实现不同的功能。DataArrived、Check Well和Send Order是事件接口函数, 当其他模块执行事件函数时引发该事件执行。在设计内核模块时, 主要考虑到如下因素:控制方式的设计、界面设计要简单化、防止用户的误操作等方面的因素。
◇通讯模块设计。通讯模块主要完成对中央控制器的通讯功能。通讯模块的主要函数Get Control Data、Get Data、Data Arrived、On Comm。其中Get Control Data、Get Data和Data Arrived是事件接口函数, 由内核模块传递来的相应数据信息引发事件执行, 可进行控制指令发送、数据信息读取及对数据进行解析, 将解析后的深井数据通过接口函数Data Arrived向内核模块传递参数。Press Ratio函数是水位数据变换函数可将1~5 V的数据变换为深井动静水位数据。
◇水位显示界面设计。水位显示界面主要完成对深井水位信息的动态显示功能。该窗体添加一个Checkbox控件、3个Option Button控件4个Combo Box控件用于单井及水位曲线周期的选择, 另有3个按钮 (Command Button) 控件实现曲线显示、返回上一层和退出的相关功能。曲线显示功能是采用VB编程工具提供的Picture Box控件, 利用程序对其进行坐标重构。将其横坐标变换成需要的周期时间 (日、月、年) 。根据所选周期的不同调用不同的数据库, 同时根据不同的深井运行状态下的水位数据应用不同颜色显示在水位曲线中, 从而实现深井动静水位曲线显示功能。
3 应用实施及效果
水源深井水位数据远程无线监测系统, 硬件部分主要工作是在每口深井安装RTU数据采集终端, 并加装一个投入式液位传感器及一块二次显示表, 现场调试监测终端程序及电缆敷设等工作。
软件部分主要工作是在监控中心计算机上设计良好的监控软件。具有友好的人机界面, 能够把所采集到的数据进行整理、分析和保存;能够自动或手动下达控制命令, 完成深井水位监测过程等功能。
此水源深井水位数据远程监测系统经过现场运行证明:运行稳定可靠、采集数据及时准确, 监测系统所采集的动静水位数据准确率较高, 误差在0.5%以内, 能够达到实际生产需求。
4 应用效益
随着水源自动化技术应用程度的越来越高, 其生产过程越来越依赖于自动化系统, 水源地深井水位远程无线监测系统的应用, 有效提高了水文地质信息的监测手段, 达到了节省劳动力缩短检测周期的目的。深井水位自动监测技术在提高劳动生产率、节能降耗、保证安全、稳定生产运行等方面起到了举足轻重的作用, 并且取得了良好的经济效益与社会效益。
4.1 经济效益
深井动静水位监测技术的应用极大提高了水源供水生产效率、降低生产成本。
1) 深井泵下深会比较合理, 单口深井取水单耗由0.33 k Wh/m3降低到0.29 k Wh/m3以下, 年节电10×104k Wh。
2) 能够选择合理扬程的潜水泵, 提高了机泵的运行效率。
3) 因为减少了扬水管及潜水泵电缆的长度, 节约了修井成本, 每口井能节约扬水管和动力电缆10 m左右, 节约资金3000元以上。
4) 动静水位自动监测技术的应用, 降低了人工成本。
4.2 社会效益
水源动静水位远程检测技术的应用, 有效提高了水文地质信息的监测手段、提高了地下水源管理水平、降低企业生产运行成本, 达到了降低劳动强度、节省劳动力、缩短检测周期的目的。为水务公司安全、稳定经济运行提供了技术保障。
5 结束语
实践表明, 水位远程监测技术在深井上的应用, 有效地解决了水源存在测量深井水位困难的实际问题, 提高了企业的经济效益和社会效益。水位监测技术的应用, 实现了深井水位监测方法的科学性、合理性。水源深井水位数据远程无线监控系统, 是一个监测和控制的智能系统, 适用于远距离采集传输深井运行数据的场合。水源深井水位数据远程无线监测系统是在运用现代先进的远程数据通讯技术实现完成的。该系统技术先进、自动化程度较高, 在目前国内供水行业中的地下水资源管理方面处于领先地位。通过实际应用表明, 系统运行稳定, 监测效果较好, 达到了预期的设计目的。这一系统的研发应用, 对于地下水资源的长效管理和合理开发利用, 以及在降本增效方面将发挥重要作用, 同时对这一系统只要稍加开发, 就可用于水源深井的压力和流量等一些其它参数的检测和传输, 具有良好的推广应用前景。水位数据远程无线监测技术将会在供水行业得到越来越广泛的应用。
参考文献
[1]王仲文.工程遥控遥测技术[M].北京:机械工业出版社, 1991:1-60.
水位监测 篇4
关键词：水位,流速,桥区,通航安全,监测
1 引言
目前, 航道管理部门对船舶通过航道桥梁的相关信息没有公开服务数据来源与渠道, 掌握水情水位信息主要依靠气象部门每天定时对外提供的水情水位信息。除紧急情况下, 信息基本一日一发, 不具有实时性, 且公布信息中缺少桥梁通航水位信息, 无法向船舶提供桥下通航预警信息, 船舶过桥主要依靠经验与目测, 不利于管理部门针对各时段水位变化实施科学监管。因此, 及时掌握水位信息及部分通航河段的流速信息, 发布信息与预警, 船舶可通过实时桥下通航高度预测选择放桅等通行方式, 可以有效避免通航高度导致的撞桥等事故。本文介绍了水位与流速测量的桥区安全通航监测系统, 有助于通航安全预测。
2 系统原理与组成
桥区水位与监测系统主要由三个部分组成:监测终端、实时通信链路、数据中心与发布平台, 如图1所示。
2.1 监测终端
系统监测终端安装于跨航道桥梁上方, 主要硬件设备包括:水位传感器、流速传感器、无线数传模块 (RTU) 、太阳能电池板、控制器、蓄电池及设备箱。监测终端硬件组成如图2所示。
超声探头主要是指水位传感器与流速传感器, 固定安装在水面观测点上方, 位于桥梁结构最低缘, 垂直对准水面向水面发射无线电波, 超声波到达水面后部分能量经水面反射, 被探头接收, 仪表记下这段时间t;探头内部安装有温度传感器, 根据超声波的传播速度和时间t, 经过温度补偿计算出水面到探头的距离D。流速传感器利用多普勒原理, 可以测得0.3m/s~8m/s的水流。系统原理图见图3所示, 前端单元设备探测水位信息, 由RTU模块利用公众移动通信网GPRS/CDMA方式进行实时传输。
(1) 监测传感器。对于只进行桥下实时通航高度测量的桥梁, 监测传感器只需要安装水位探测仪;对于除测量桥下实时通航高度外, 还需要测量表面流速的桥梁安装点, 监测传感器包括水位探测仪、流速探测仪。
(2) 无线数传模块 (RTU) 。RTU主要作为通信单元, 内置公众移动通信网SIM卡。其主要作用是将前端单元设备探测水位信息、流速信息, 利用GPRS/CDM A网络传输到监控中心。
(3) 控制器。智能控制器通过RTU模块可以监控中心进行遥控, 控制单元将采集到的信息传递给RT U单元, 供其向外发送。同时, 可以根据RT U接收到的监测中心发送的控制指令, 并可根据接收到的最新配置参数对工作参数进行设置, 可以改变采集的频次, 实现启动等远程控制功能。
(4) 太阳能电池板及蓄电池。对于有供电系统的桥梁, 可直接采用供电系统, 而对于无法供电的桥梁, 采用光伏供电系统, 一般均可采用太阳能供电。在无交流负载的太阳能光伏供电系统中, 太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下, 将太阳电池组件产生的电能给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电, 如果日照不足或者在夜间则由蓄电池给直流负载供电。
(5) 设备箱。设备箱可选择双层箱、单层箱两种配置, 两种配置在外层构造、材质及主体设计上基本一致, 结构设计上能改善原设备箱在通风、散热、排水、防雨等方面的性能, 有效保证设备箱内置设备的安全。双层箱方案比单层箱方案增加了隔热层, 其通风散热效果更加显著, 在自重及造价方面较单层箱方案也同样有所增加。配置时根据现场站点实际环境情况进行选择, 对散热要求更高的应选择双层箱方案。
2.2 实时通信链路
监测终端采用公网GPRS/CDMA无线传输模式, 将采集器内水位数据信息发送给监测中心, 并在显示屏上呈现, 应支持实时在线和按需在线多种工作方式, 如:定时上下线和设备唤醒, 保障数据安全可靠。还能按需进行数据传输, 节省电量及通信费用。
2.3 数据中心与发布平台
由数据中心统一接收水位与桥下净空高度数据信息, 进行综合处理, 据历史数据动态分析、比对、研判, 形成指令数据, 以直观图标模式呈现在系统平台上, 数据中心可利用对外发布系统, 例如航道L E D大屏提醒、A I S消息预报、V H F广播等方式及时将水位水情信息传达给船舶。
3 系统功能
3.1 数据采集
系统应具有安装在桥梁的硬件监测设备, 测量水位与桥梁结构最低端的净空高度, 为船舶安全通过桥梁提供助航信息。监测设备应具有前端水位与流速采集探头、仪表、通信模块、供电 (太阳能电子板、锂电池) 等数据采集与生成功能。设备安装于露天工作环境, 并且应具有防雷、防水、防尘等防护设施, 以保证这些设备的长效运行。
3.2 数据传输
数据传输功能分为两个部分。第一部分是从监测站到数据中心, 目前我国内河高等级航道桥梁区域均应有公众移动通信网络覆盖, 在监测终端的RT U模块可以利用G PR S/C D M A向数据中心发送水位与桥梁净空高度数据信息, 若航道处于偏远地段, 无法得到公众移动通信网的有效覆盖, 也可以采用北斗的RDSS短报文传输模块进行传输。除此之外, 系统的设计应具有较高的可靠性, 在系统故障或事故造成中断时, 能向中心提供相关报警信息, 自启动备储功能, 并确保数据的准确性、完整性和一致性, 具备迅速恢复的功能, 同时系统具有一整套完成的系统管理策略, 可以保证系统的运行安全。第二部分是数据中心到相应分支管理机构以及船舶终端的信息传输, 采用VHF、AIS网络或其他播发方式直接推送给船舶用户。
3.3 数据处理与发布功能
系统应具备相应的软件平台, 并能在GIS平台上显示对应位置桥梁的实时水位流速数据, 数据监控中心将接收到的数据存储到水位与桥梁净空管理数据库中, 系统可实现航道水位及桥梁净空高度数据的实时远程观测, 提供水位及流速数据信息查询、分析应用, 同时具有水位自动预警功能, 对内能够为通航管理部门提供及时的数据信息和决策支持。此外, 可以在对外服务平台上进行数据的发布。
4 结束语
本文所述基于桥区的水位与流速监测系统, 适用于内河航道桥区众多, 且桥梁建设年代较远, 桥区通航净空高地较低, 水流流速流态易变化的通航水域。系统采用较简易的装置与设备, 通过实时监测, 实现对航道水情信息的及时预警与发布, 保障船舶航行安全, 有效提高我国内河航道的助航服务。
参考文献
[1]张忠远.智能水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2008
[2]徐航.基于GPRS的水库水位实时监测系统的研究[D].江西理工大学, 2012
[3]耿晓明.无线数据传输水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2009
水位监测 篇5
一般的稻田水位检测都是每块田地安装一个独立的检测单元, 需要工作人员定时到现场去查看水位及历史纪录, 而且大部分都是采用市电供电。这种检测仪器安装困难, 后期使用成本高。为了解决以上问题, 本设计采用stm32单片机为控制核心, 利用太阳能电池板供电以解决偏远地区供电困难问题;采用GPRS网络将远程测得的数据传输到后台服务器进行统一管理, 克服了偏远地区没有以太网等网络覆盖的问题, 解决了以往需要派遣大量的劳务人员不间断地到不同区域观测稻田水位所造成的大量劳动力的浪费, 除此之外, 稻田的水位信息还能够被实时采集和存储, 以便对特殊情况及时做好预处理。
2. 系统总体设计方案
本文设计的稻田水位监测系统整体框图如图1所示。该系统由STM32单片机模块、TFT彩屏、GSM通信模块、水位传感器、太阳能充电模块等部分组成。系统通过STM32单片机内部集成的A/D模块将水位传感器采集到稻田水位信息转化为微处理器能够处理的数字量, 用TFT彩屏显示实时水位信息供现场人员查看, 间隔地将采集到的信息通过GSM模块经GPRS网络传输到服务器后台供平台应用统一存储、管理和分析稻田水位情况。此系统采用的是太阳能供电。
3. 硬件电路设计
3.1 水位传感器电路设计
水位测量模块的电路如图2所示。电阻式水位传感器是模拟传感器, 可以将水深的模拟信号转化为电信号, 其结果仍然是模拟电信号。P1的1、2、3端口分别接单片机A/D通道, 系统的3.3V电源。R1和D1构成电源指示电路来指示此模块是否接通电源。R3、R4、Q1、R2构成放大电路, 用来将由水位变化引起的R4的电阻阻值变化放大后供单片机的A/D通道进行模拟量到数字量的转换。
3.2 供电电路
本设计支持220V交流供电及太阳能加锂电池供电。有市电的地区可以直接选择接入市电;而针对不具备供电条件、环境潮湿、对水位数据实时性要求不高的监测场合, 可以采用太阳能加锂电池供电, 电路如图3所示。图中B+, B-端分别接太阳能电池板正负极, P+, P-端分别接蓄电池正负极。当电芯通过外接的负载进行放电时, 电芯电压将逐渐降低, 同时DW01?将实时监测电芯电压, 当电压下降到约2.3V时, DW01?将认为电芯电压已处于过放电电压状态, 电路就会切断蓄电池放电电路, 防止蓄电池过放。当电池通过充电器正常充电时, 随着充电时间的增加, 电芯的电压将越来越高, 当电芯电压升高到4.4V时, DW01将认为电芯电压已处于过充电电压状态, 充电电路就会切断电池板到蓄电池的供电电路, 防止蓄电池过充。短路保护是过电流保护的一种极限形式, 其控制过程及原理与过电流保护一样, 短路只是在相当于在P?P-间加上一个阻值小的电阻 (约为0Ω) 使保护板的负载电流瞬时达到10A以上, 保护板立即进行过电流保护。系统采用两种方式供电很好地解决了水位监测设备的现场供电问题, 且功耗低、体积小、防水性能好, 安装维护非常方便。
3.3 TFT液晶显示及其驱动电路设计
为了降低功耗, 延长电池的供电时间, 本设计使用TFT彩屏显示数据信息。stm32f103单片机与TFT彩屏之间采用FSMC接口连接。FSMC_D[0:15]提供LCD控制器的数据总线接口;FSMC的Noe引脚连接到TFT液晶的LCD控制器的Rd引脚上;FSMC的New引脚连接到TFT液晶的LCD控制器的Rw引脚;FSMC的Ax引脚 (用于选择是寄存器LCD显示还是Ram空间) 连接到TFT液晶的LCD控制器的Rs引脚。
3.4 GSM模块电路设计
SIM900 GSM模块是新一代GSM/GPRS双模模块, 它采用紧凑型设计, 为用户提供了简单、内嵌式的无线GPRS连接。电阻R7, R8和电容C11, C12组成阻抗匹配电路可以有效的匹配阻抗, 增强天线信号。C9, C10, CA3, CA4, CA5组成稳压电路, 可以稳定SIM900的输入电压, 提高SIM900模组工作的稳定性。R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23电阻主要作用是阻抗匹配, 以抑制信号终端反射。如图4所示。
4. 软件设计
4.1 水位监测设计
系统每隔30分钟启动单片机里的A/D模块将水位传感器采集到的稻田水位模拟信息转换成对应的数字信号显示在LCD (LCD在唤醒的状态下) 上, 并根据传输协议封装后通过GSM模块经GPRS网络发送到后台。本设计在保证监测稻田水位信息实时性的前提下尽可能地降低采集频率可以减少GSM模块流量的使用和系统的耗电。以上水位监测设计的主程序流程图如图5所示。
4.2 低功耗设计策略
为了保障设备在野外只有太阳能供电情况下工作的稳定性和可靠性, 要尽可能地降低整个系统的功耗。本设计的低功耗处理主要集中在以下几个方面:LCD在长时间没有操作的情况下自动熄屏, 但双击屏幕自动唤醒;降低GSM模块向后台发送心跳的频率;只有规定时刻才将CPU从睡眠模式唤醒采集水位信息并发送。
5. 结语
本设计对稻田水位的测量和人工测量进行对比测试。用户通过触屏设置水位采集的频率、GSM模块发送心跳的速率、设备ID和远程IP地址。表1为连续4天进行人工测量和设备测量的分别得到的数据。由此看出所设计的系统测量的数据和人工测量数据基本一致, 满足设计要求。
单位cm
此外, 本设计还具有功耗低 (其待机电流≤50u A/14.4V;采集电流≤5m A/14.4V;发送平均电流≤10m A/14.4V) 、防水性能好 (采用密封防水外壳、防水天线和防水接线盒) 、维护方便 (可远程设置工作参数、远程升级程序) 、接入灵活 (可接入组态软件或用户自行开发的监控软件) 、精度高和使用寿命长等特点。
摘要：本文针对传统稻田水位监测过程中存在的费时费力、供电困难及测试数据不易收集管理等问题, 设计了一种利用太阳能供电, 以stm32f103单片机为主控单元, 通过GSM传递稻田水位监测信息的系统。实验表明该系统依靠太阳能供电能长期稳定工作, 采集的水位信息精度高, 便于收集和管理, 具有较好的应用价值和推广性。
关键词：单片机,水位监测,GSM,通信,太阳能
参考文献
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[4]杨小印.浅谈我国环境监测仪器的发展现状[J].中国刊, 2009:26 (4) :36-42.
水位监测 篇6
基坑开挖造成卸载并使土体向坑内移动。一般情况下,水平方向的应力释放与调整是构成周边地层土体位移的主要原因。开挖或工程降水引起地下水位变化使土中的有效应力增加,也会导致土体产生压缩或固结沉降。基坑开挖往往引起基坑边坡失稳、地表不均匀沉降、地表塌陷等灾害。在基坑施工时,要根据地表沉降的控制要求、地表交通状况、施工技术水平等情况,进行技术经济比较,选择相对合理的施工方法。实践证明,采用合理的支护技术和施工工艺,基坑开挖是可以将地表沉降控制在设计要求范围内的。但是由于地质条件多变以及施工参数的变化,使研究成果具有一定的局限性。因此在施工工程中,对地表沉降规律的分析,应当具体问题具体分析[1]。
高水位基坑施工中,往往需要大量排水,降低水位,确保基坑施工干作业。基坑降水引起超静孔隙水压力逐渐消散,使土体积压缩而引起的渗透固结沉降,也称主固结沉降,它随时间而逐渐增长拦江大道道路工程地下通道工程基坑施工排水量大,软土基坑沉降受水影响较大,研究沉降规律对研究同类工程排水、支护设计有非常积极的意义指导施工安全监测。
1工程概况
项目区地貌单元属于长江一级阶地。区内除表层填土外,其下依次由第四系全新统冲湖积的淤泥质粘土、粘土、亚粘土夹亚砂土,第四系全新统冲积的亚粘土夹粉砂。
项目场地位于武汉市汉阳区,距离长江不到1公里。武汉市规划在此建设武汉世博广场,地面原有主要道路都将改建为地下通道,周边居民都基本拆迁,无大的建筑物,施工条件良好。本工程南起三环路北至二环路,主通道全长480m,主通道南侧引道长246m,基坑深8m。采用坑内井点降水。二级分层开挖和全断面开挖。2007年6月开始施工,2007年12月基坑开挖施工结束。
支护方式为放坡开挖自稳边坡的方式,边坡比为1:2.5—3。
2监测点的布设
按照《工程测量规范》(GB 50026—2007)关于变形监测的规定,结合拦江路(三环线—二环线)道路工程的实际状况,按照监测断面布置监测仪器,每一个断面布置沉降、水位监测孔。闭合框架段按60m设置监测断面,从1+146至1+556,共8个断面,U形槽段按间隔100m,90m设置监测断面。
监测点布置详见图1、图2。
3 数据采集
数据采集采用:沉降监测采用瑞士生产的徕卡(LEICA)NA2型自动安平精密水准仪(带测微器),配以铟钢水准尺;水位观测采用TS1001水位计,测量精度高。监测周期为三天监测一次。
数据处理:数据采集后应对观测数据进行水准面、水准标尺长度误差、水准标尺温度改正等;地面沉降监测网是基于固定基准点而布设的,形成了5个闭合环,监测数据进行平差计算,使监测精度更高。
4 施工监测结果分析
在施工过程中,对基坑边坡顶部水位以及土体的沉降进行了监测,给出了地表沉降和监测孔水位的实测结果。进行地表沉降监测时,在基坑边坡不同的位置埋置了多个监测点,地表沉降最大达到25.89 mm。总的沉降来看所有观测值都在控制范围内,在施工阶段没有发生过大的地表沉降,沉降曲线比较平缓。说明基坑结构在设计的范围内工作,没有发生异常现象。
基坑沉降2007年12月3日时最终累积沉降值见图3、图4。
选取典型沉降监测断面的监测点W05、E09的监测数据作为分析对象,分析施工工况与地表沉降的关系见图5、图6。
沉降速率计算公式如下[2]:
式中:St沉降速率,β值是沉降速率系数,Sp监测沉降值。
式(2)中:S1、S2和S3分别为t1、t2和t3时刻对应的沉降,Δt=t2-t1=t3-t2。
W05在首挖段西侧,采用二级层分级开挖,第一层4 m,第二层4 m。水位与地表沉降历时变化曲线见图6,从中可以看出,沉降速率变化较快的有两个时段,分别是2007年8月10日—2007年9月2日和2007年10月20日—2007年11月3日。沉降速率分别0.31 mm/d和0.36 mm/d。为这两个时间段对应的施工进度分别为:第一段时,水位降至设计水位,同时第一层开挖4 m;第二段时,第二层开挖4 m。
E09在开挖段东侧,采用全断面一次开挖,开挖深度8 m。水位与地表历时变化曲线见图5,从中可以看出,沉降速率变化较快在2007年8月23日—2007年9月12日。沉降速率为0.49 mm/d。施工进度为基坑一次开挖至基坑底部。
沉降与基坑施工存在如下关系:
① E09监测点由于全断面一次开挖和降水固结沉降,沉降叠加导致沉降速率大。
② W05监测点第一段沉降速率峰值是开挖和降水固结沉降的叠加,第二段峰值是深部开挖引起较大沉降。
③ W05监测点2007年9月2日—2007年10月20日沉降速率平均值为0.2 mm/d,主要由固结沉降引起。
④ E09监测点2007年9月12日—2007年10月6日沉降速率平均值为0.31 mm/d,主要由固结沉降引起。
引起沉降的因素分析:
① 开挖方式:全断面开挖引起的沉降较分层开挖引起的地表沉降速率快。
② 降水影响:降水引起的固结沉降在软质粘性土中一般在(0.1-0.35) mm/d的速率之间,速率比较平稳。
③ 高水位软土地区,开挖引起的地表沉降小于降水的影响。
5 结论
此次针对基坑外监测点的水位与沉降值曲线分析结果表明:
① 高水位软土地区,沉降量受降水影响最大,当降水后,明显发生较大沉降。
② 分层开挖更有利于基坑施工安全。
③ 基坑地表沉降沉陷不均匀性,因此需要对基坑周边平行于基坑周边环境的保护问题应给予充分重视。
在基坑施工过程中,需要根据现场的实际工程地质条件及选择的支护形式、建筑物的安全等级,对周边的变形进行监测和严格控制,对于深基坑必须进行信息化设计和施工,以便在施工中通过加强监测及时反馈信息,修改调整施工方案,使施工始终处于安全可控状态。
在高水位基坑开挖工程中,降水确保在基坑施工平台以下,同时要确保降水平稳,降水过快在基坑开挖中也会引起基坑变形速率的加快,影响基坑安全。水位降至设计水位后,保持稳定,当开挖结束后,沉降基本平稳,无大的沉降。必须加强监测,对监测成果进行及时、准确地分析,以确定支护系统的安全系数,进而对原有设计方案进行评价,在准确分析的基础上,提出对策,确保施工安全。
参考文献
[1]何世秀.渗流对基坑周边沉降的影响.岩石力学与工程学报,2003;22(9):1551—1554
[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册.北京:中国建筑工业出版社,1997
水位监测 篇7
我国地下水占水资源总量的三分之一,年供水量占总供水量的近20%,在支撑经济社会发展中具有重要作用[1]。大规模地下水开发造成局部地区地下水超采,诱发地质灾害。如:地面沉降、地裂缝灾害等。
如今我国对于地下水位的监测,大部分监测点仍以传统的人工定时测量方法(电表、测钟、测绳等)为主,因而对于某些突发性的地下水位异常不能起到很好的预警作用,同时也会占用大量的人力,且存在人为误差,因此实现地下水位重点监测点的自动监测有利于提高各种地质灾害的预报、预测。
采用ARM作为主控器能够降低功耗,并为建立无线网络通信奠定了基础,使系统更高效、可靠。
1 设计方案
1.1 方案概述
此系统的基本设计思路是:前端利用差压式传感器MPX5100DP采集原始信号,经调理放大后,送入主控制器LM3S615,经内部AD转换等处理后,通过无线通信模块PTR8000发送到室内监控室,PTR8000接收端接收到数据后,在控制器的控制下,通过串口RS232发送到上位机,人机界面通过Lab VIEW软件实现,可以对数据进行处理、显示及存储等。系统框图如图1所示。
此系统主要包括电源模块、信号调理模块、ADC模块、LCD模块、无线发射模块、无线接收模块、串口通信模块以及上位机模块等8个部分。发射端电源因为要在野外工作,由12V电瓶供电;接收端电源采用USB供电。信号调理模块主要包括调零电路、多档放大电路、低通滤波电路。ADC和LCD模块分别采用LM3S615内置的10位AD和LM3S615开发板上的配套LCD。无线发射接收模块采用PTR8000模块,半双工工作方式。串口通信模块有LM3S系列第一款控制器LM3S101来控制通信。上位机界面采用LabVIEW软件编写。
1.2 信号采集
(1)压力传感器
MPX5100DP是一种集成硅压力传感器,自带片内信号调理功能和温度补偿功能,输出为高精度模拟电压信号。该传感器特别针对带内置A/D的微控制器。压力范围为0～100kPa,对应水位范围为0～10m,满量程输出为4.7V,灵敏度为45mV/kPa。图2为MPX5100DP的实物图和推荐退耦电路。
MPX5100DP的上部有两个孔:P1孔为压力孔,直接与水接触;P2孔为真空孔,通入空气。电压的变化与P1和P2的差值P的变化成正比,MPX系列被设计成正压式传感器,即P1>P2,P=P1-P2。
(2)信号调理电路设计
当P1=P2时,传感器有个固定偏移电压约为200m V,设计电路时,设计一个减法器将其减掉,每次测量前通过调节可变电阻,使传感器输入为0时,输出电压也为0。设计两档(×1,×10)对传感器输出电压进行放大,这里选用低噪声、低偏移电压的OP27,并且选用了精密的放大电阻18k和2k,保证信号放大倍数的准确。在实际测试前,调节调零电路使输出为零[3]。
用多路选择芯片74HC4052完成对传感器输出电压量程的选择。蓄电瓶供应+12V直流电压,经7805转换为+5V电压,ICL7660将+5V电压转换为-5V电压,为OP27提供正负供电电压。信号调理电路如图3所示。
1.3 控制器
选择LM3S615微控制器,其具有以下产品特性:32位RISC性能、内部存储器、通用定时器、可遵循ARM Fi RM规范的看门狗定时器、同步串行接口(SSI)、UART、ADC、模拟比较器、I2C、PWM、GPIO、灵活的复位源、工业范围内遵循RoHS的48脚LQFP封装等等[4]。
LM3S615最小系统,主要包括电源、复位电路、晶振、JTAG以及防JTAG失效电路等。最小系统如图4所示。
1.4 LCD显示模块
本次设计直接采用EasyARM开发套件上提供的字符型LCD显示屏TH3144,该LCD通过NXP公司的PCF8562LCD驱动芯片驱动。PCF8562是一种通用的外围器件,能为任何微控制器/微处理器以及多种LCD提供接口。它能直接驱动任意静态或包含4个背极以及最多32段的复用LCD。用于驱动TH3144仅需使用S0～S10 11个段和BP0～BP3 4个背极。单片机通过两线的I2C总线通讯通道与PCF8562通信。I2C字符型LCD显示电路以及I2C存储电路如图5所示。
1.5 无线通信模块(PTR8000)
选用无线通信模块PTR8000,它以nRF905无线收发芯片为核心,由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。
(1)主要特点
高性能嵌入式无线模块,多频道多频段,1.9～3.6V低电压工作,待机功耗2μA;超小体积,内置环行天线,性能稳定且不受外界影响;工作方式为半双工,频道切换时间小于650μs,内置PCB天线,开阔地传输距离约100m左右。
(2)硬件接口
1)模式控制
模式控制接口由TRX_CE、TX_EN、PWR组成,控制PTR8000的四种工作模式:a.掉电和SPI编程模式;b.待机和SPI编程模式;c.发射模式;d.接收模式。各种模式的控制模式见表1所示。
2)SPI接口
SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN组成。在配置模式下,单片机通过SPI接口配置PTR8000的工作参数;在发射/接收模式下,单片机SPI接口发送和接收数据。
3)状态输出接口
提供载波检测输出端口CD、地址匹配输出端口AM、数据就绪输出端口DR。
1.6 上位机界面设计
水位监测系统界面采用LabVIEW软件进行设计。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数[5]。图6为设计的系统界面。
2 系统测试结果及分析
系统测试方法为:模拟地下水环境,在水深约为2米的水槽中进行测试。测试前将传感器接入,在不放入水中时,调节可变电阻使得系统显示水位为0cm,取定量的水槽水样进行标定。表2为实验数据,其中h1为标尺读数,h2为显示读数。
图7中纵坐标是传感器输出电压值Vout(单位:V),横坐标为水位h(单位:cm),由图可以看出传感器输出电压与水位呈现良好的线性关系。由于不同的地方重力加速度和地下水密度都不完全相同,在每次测量时,可以测量一组数据,计算出系数,在软件中进行矫正后再次测量,达到预定的目的。
从实验数据可以看出显示的水位深度与标尺读数存在着误差,分析产生误差的主要原因为[6]:a.读取卷尺数值时,存在人为的误差;b.从传感器到数据采集模块之间导线对信号的损耗。
3 结论
本文利用LM3S615控制器对信号进行处理并通过LCD显示,控制PTR8000无线模块对数据进行实时发送,上位机接收到信号后,通过串口传输给PC机,利用LabVIEW软件对数据进行处理存储,并绘制出实时水位曲线。本系统具有可靠、方便快捷等优点,减轻了观测人员的劳动强度,且能实时准确地提供当前水位信息,为决策者提供可靠的依据。适合于水库、地下井等水位的监测,具有广泛的应用领域。
图7传感器输出电压与水位关系曲线(参见右栏)
参考文献
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