海绵城市水量、水质监测方案

一、海绵城市的介绍

海绵城市指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路、绿地和水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透和自然净化的城市发展方式。

二、海绵城市建设中水循环

如上图所示，海绵城市的建设中，水的主要来源为降雨，而海绵城市的目的是控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透和自然净化；降雨到地面的水有以下几个去向：A、下渗进入土壤中；B、无法及时下渗的水，形成地表径流进入河道、湖泊、湿地等。

三、海绵城市中，水循环的整个过程监测

A、水的来源是降雨，所以我们通过雨量站或者气象站，监测降雨量

B、地表没有下渗的水，会形成地表径流。通过设计，让径流的水汇集到开放式水渠或者雨水管道，终流入河流或者市政的雨水管道。我们通过监测水渠或者雨水管道中的流量，来监测径流量。

C、进入湖泊、湿地、河道的水。湖泊和湿地留存通过监测水位，来计算水的留存量；河道可以通过测水位和流速，来计算河道的流量，从而计算从河道里流走的水量

D、下渗进土壤中的水，这个也海绵城市的关键，通过对土层结构的改造，增加渗透能力，让更多的水渗入土壤中。这部分水可以通过土壤水分传感器或者蒸渗的方式来监测。

E、土壤、湿地、湖泊等中的水，又会通过蒸发、植物的利用，而被消耗掉。我们可以通过监测植物的蒸腾量、监测蒸发量、土壤水分来监测水分的消耗。

F、水质的监测，整个海绵城市都是围绕水来建设的，所以我们有必要监测水质的状况。河道、湖泊等有积水的地方，可以通过水质探头实时监测水质情况。也可以通过水采样，进行实验室的水质分析。土壤中的水，通过土壤溶液采样的办法，采集水样，带到实验室进行分析。

理想状态下陆地水平衡公式：

单位面积降雨量 = 单位面积地表径流量 + 单位面积下渗水量 + 其他（淤积等）

蒸发量 = 土壤中水分减少量 + 植物消耗量 + 其他

四、监测设备

1、降雨监测 雨量监测站

自记录雨量监测站

2、地表径流监测

方案一 监测开放式水渠的流量

①通过监测水位和流速计算流量（多普勒超声波流量计监测），如图

方案二 监测雨水管道流量

通过监测水位和流速计算流量（超声多普勒流量监测），如图

3、气象站（通过气象数据计算日蒸发量）

4、土壤墒情监测（土壤水质、水分、盐度测量）

5、水质在线监测（常规五参数、COD、氨氮等）

五、数据展示平台

数据展示平台：主要用于展示各个站点的水位、流速、流量等信息。其功能为：站点的管理，全部站点实时数据的查看，单个站点的实时数据、历史数据、报表、曲线、历史数据导出、历史曲线的导出。该平台可以免费使用，如需自建平台可以对数据进行解析。遥测终端机支持的协议是SL651-2014 水文通讯规约。

2.超声波水位计

传感器安装在被测介质的上方，通电后传感器向介质发射超声波脉冲，穿过空气到达介质表面后被反射回来，部分反射的回波被同一传感器接收，并转换成电信号。从脉冲发射到接收所用的时间，即脉冲的传输时间，与传感器到介质表面的距离成正比。可根据脉冲的传输时间和脉冲的速度(340 m/s)计算出传感器到介质表面的距离。

3. 雷达水位计

也叫水位雷达，是利用电磁波探测目标的电子设备。其主要作用是用来进行水利监测、污水处理和防洪预警等。其主要测量原理是从雷达水位传感天线发射雷达脉冲，天线接收从水面反射回来的脉冲，并记录时间T，由于电磁波的传播速度C是个常数，从而得出到水面的距离D。

4. 电子水尺

电极式电子水尺是新一代数字式传感器,它是利用水的微弱导电性原理,测量电极的水位获取数据.独特优点是误差不受环境因素影响，只取决于电极间距，测量精度高，稳定可靠，使用方便，避免了传统水位传感器的零漂、温漂，受水质、杂草影响的缺点。信号可通过各种传输方式传输。

5.磁致伸缩液位计

磁致伸缩液位计的传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波磁致伸缩液位计导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。在磁致伸缩液位计的传感器测杆外配有一浮子，此浮子可以沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组磁环。当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量脉冲电流与扭转波的时间差可以地确定浮子所在的位置，即液面的位置。

6.激光水位计

发出一束激光束、当激光照射在浮子上返回，被光电器件接收到通过测量接收到的时间测量水位的变化。

7.浮子式水位计

本仪器由值编码型水位编码器、水位轮显示器、浮子、悬索、平衡锤、通信接口等部分组成，是独立的水位观测测量仪器，又可以与电显示器、闸门开度仪、闸门启闭机控制系统连接，共同组成计算机显示、控制系统（如船闸、水电站、抽水蓄能电站、农业灌溉系统，给排水系统等）；配置RS485通信接口的水位仪，可直接与通信机、计算机联网组成水文自动测报系统，可广泛用于装备各种类型的水位测站。

多普勒超声波流量计原理：多普勒超声波流量计是采用速度面积法测流，内部包含一个水位计和流速传感器，使用的时候预先将渠道的类型和参数输入控制器，控制器能够利用水位自己换算出过流面积，通过过流面积X流速就能计算出水量。

多普勒超声波流量计

产品特点：

宽量程：0.02-5m/s(流速)

分辨率可达1mm/s（流速）

高响应时间，打破以往需要长时间才能得到流速流量的，测量结果时时刷新。

速度面积法流量测量，适合满管及非满管，可自由设定断面水位关系。

内部自带高精度温度传感器可用于水温测量和声速补偿。

流体力学外壳设计，对水体流态影响小，不影响测量精度。

防腐蚀外壳设计，能够在恶劣环境下长期工作。

可提供瞬时流量值和累积流量值。

无机械转动部件，不存在泥沙堵塞或水草、杂物缠绕等问题，适用于泥沙悬浮物含量高，水草等漂浮物多的河流中测量。

测量线性，出厂已校准长期使用也无需校准。

配有数据接收软件，可读取实时数据和累计数据。

技术参数：

流速：

测量范围：0.02-5m/s

精度：1.0%±1cm/s

分辨率：1mm/s

水深：

测量范围：0m-5m（更高可设置）

精度：±1cm

分辨率：1mm

温度：

测量范围：-10℃-60℃

精度：±0.5℃，

分辨率：0.1℃

流量：

测量范围：0.001m³/h-999999999 m³/h（根据断面可以增加）

精度：±2-3%（根据断面流态有所不同）

分辨率：0.0001 m³/s

电源：直流10V-24V

工作电流：12V 小于0.1A

输出信号：RS485（Modbus-RTU）

防护等级：IP68

工作温度：0℃-60℃（不结冰）

存储温度：-10℃-70℃

设备材质：灰色PVC

AMT-LSX-1多普勒超声波流量计安装示意图

多普勒流量计安装方式

本案例中的AMT-LSX-1多普勒超声波流量计进行24小时在线实时测量，安装于自然河道水文站流量有代表性的平稳地点，除终得到流量数据外，还可同时得到流速和水位数据，便于客户了解河道水量情况和内部流态，一直保持稳定的工作状态，为客户监测河道流量情况提供了帮助。

常规的几种测流形式：

1.流速面积法

通过各种流速传感器将渠道的平均流速V测量出来，然后通过水位和渠道的形态换算出过流面积S，利用平均流速乘以过流面积即可计算出相应的流量。

2.平均流速公式法

求明渠水流的平均流速的公式有很多，其中典型公式有谢才公式和曼宁公式，流速公式法是通过测量水面的坡度，预估粗糙程度，结合水流截面的形态，利用谢才公式和曼宁公式计算出平均流速，再计算出流量的。

3.水位流量曲线法

利用水位流量曲线的对应关系，测量水位就可以求出流量。初次使用时需使用其他设备对水位流量进行校准。

4.量水堰槽法

量水堰槽法是利用修建固定的堰槽，利用水位直接换算出流量的，常用的堰槽有三角堰、矩形堰、梯形堰、巴歇尔槽等。