農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量方法與設(shè)備改進(jìn)*

楊志成

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)，對人們的日常生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有較大影響，而灌溉對農(nóng)業(yè)發(fā)展有直接影響，所以中外很多學(xué)者都對農(nóng)田灌溉進(jìn)行了研究，但針對農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量的研究相對較少，導(dǎo)致農(nóng)田灌溉計(jì)量工作停滯不前。因此，在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量方法與設(shè)備的改進(jìn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)田灌溉與明渠概述

1.1 農(nóng)田灌溉

農(nóng)田灌溉指的是為補(bǔ)充農(nóng)作物所需水分所采用的技術(shù)措施，即用水灌溉土地[1]。加強(qiáng)農(nóng)田灌溉可以有效解決自然降雨量不足等問題，有利于促進(jìn)農(nóng)作物生長，繼而推動(dòng)農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1.2 明渠

明渠即具有自由表面水流的灌溉渠道，主要包括天然明渠與人工明渠這兩種類型[2]。相比于其他灌溉渠道，明渠的水面會(huì)與大氣接觸、水流方向會(huì)受到重力等因素的影響，在農(nóng)田灌溉中發(fā)揮著重要作用。

2 農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量方法

2.1 水工建筑物計(jì)量法

水工建筑物計(jì)量法指的是利用水尺檢測水位，并根據(jù)水位變化特點(diǎn)計(jì)算明渠水量。在應(yīng)用這種方法時(shí)，應(yīng)先將水尺放置在合適的位置，之后觀察建筑物放水后水位的變化情況，最后根據(jù)水位計(jì)算出明渠的流通水量。例如，計(jì)量人員可以借助啟閉式閘涵或渡槽等建筑物進(jìn)行水量計(jì)量，但需要根據(jù)所參考的建筑物選擇合適的計(jì)算方法，以增強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 設(shè)備計(jì)量法

設(shè)備計(jì)量法是常用的明渠水量計(jì)量方法，多被應(yīng)用在農(nóng)田灌溉中沒有建筑物或現(xiàn)有建筑物無法量水等情況中。常用的計(jì)量設(shè)備有量水槽、量水堰等，計(jì)量人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用這些設(shè)備，使水量計(jì)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。第一，準(zhǔn)確應(yīng)用量水槽。明渠水量計(jì)量中常用的量水槽包括巴歇爾式與無喉段式等類型，其中巴歇爾式量水槽主要包括出水段、喉道以及進(jìn)口段等部分，計(jì)量精準(zhǔn)性相對較高，且不會(huì)導(dǎo)致水頭出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p耗，所以計(jì)量人員可以將其應(yīng)用在流量為0.003 m3~56 m3的渾水渠道當(dāng)中[3]。同時(shí)，在應(yīng)用這種量水槽時(shí)，需要將其過流能力調(diào)整為自由出流，從而降低水量計(jì)算難度。而無喉段式量水槽主要是由出水段以及進(jìn)口段構(gòu)成，具備矩形斷面與水平槽底，所以計(jì)量人員需要根據(jù)明渠水量計(jì)量需求判斷是否應(yīng)用這種量水槽。第二，準(zhǔn)確應(yīng)用量水堰。從實(shí)際情況來看，梯形量水堰與三角形量水堰更符合水量計(jì)量需求，且可以降低計(jì)量成本。計(jì)量人員可以將梯形量水堰應(yīng)用在比降相對較大或含沙量較小的明渠中，將三角形量水堰應(yīng)用在比降較大或跌差較小的明渠中，以增強(qiáng)計(jì)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，量水堰本身就包括鋼結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，且含有砼基礎(chǔ)，所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)明渠的大致流量明確量水堰的寬度。第三，準(zhǔn)確應(yīng)用量水噴嘴。量水噴嘴是由擋水板與管嘴構(gòu)成的，其中管嘴包括正方形、圓形等多種類型，計(jì)量人員可以將正方形與圓形管嘴應(yīng)用在比降較大、深度較大的明渠中，將長方形管嘴應(yīng)用在比降較大且深度較小的明渠中[4]。

2.3 自計(jì)儀表與水尺計(jì)量法

首先，相比于其他計(jì)量設(shè)備，自由儀表的結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方法也不復(fù)雜，為水量計(jì)量提供了新的思路[5]。因此，計(jì)量人員需要深入研究計(jì)量儀表，并將其應(yīng)用在水量計(jì)量中，簡化水量計(jì)量工作。其次，部分農(nóng)田灌溉區(qū)域較為特殊，無法利用專用設(shè)備進(jìn)行測流，而應(yīng)用水尺可以解決這一問題，所以計(jì)量人員可以將水尺計(jì)量應(yīng)用在工作中。但水尺計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性相對較低，為此應(yīng)通過有效手段解決這些問題。例如，計(jì)量人員可以在穩(wěn)定性較強(qiáng)的順值明渠中安裝水尺，通過水尺檢測水位變化情況。同時(shí)，可以將水尺與流速儀結(jié)合起來，掌握不同水位下的水流速度以及具體流量，之后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繪制水位流量圖，從而明確具體水量。

2.4 流速儀與浮標(biāo)計(jì)量法

流速儀與浮標(biāo)在明渠水量計(jì)量中發(fā)揮著重要作用，其中流速儀是測量水流速度的儀器，浮標(biāo)是浮在水面上的航標(biāo)，靈活應(yīng)用這些工具可有效增強(qiáng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，應(yīng)用流速儀可以獲取更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，所以計(jì)量人員可以將其應(yīng)用在沒有水工建筑物或計(jì)量設(shè)備等情況中。但應(yīng)用流速儀會(huì)消耗大量的時(shí)間，且會(huì)增加計(jì)量成本，所以在應(yīng)用之前需要測量流橋的流水速度，并根據(jù)明渠斷面設(shè)計(jì)流橋跨度，確保流橋跨度不影響明渠過流[6]，然后測量渠道斷面與平均流速，根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算渠道流量。其次，應(yīng)用浮標(biāo)有利于增強(qiáng)計(jì)量精準(zhǔn)性并降低計(jì)量成本，計(jì)量人員應(yīng)高度重視浮標(biāo)的應(yīng)用，并做好流速測量與流量計(jì)算等環(huán)節(jié)的工作。

2.5 電水轉(zhuǎn)換法

電水轉(zhuǎn)換法也是常用的明渠水量計(jì)量方法，主要是根據(jù)電能與水能的轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行計(jì)量的。在應(yīng)用這種方法時(shí)，應(yīng)計(jì)算深井潛水電泵的耗電量，并根據(jù)電水轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算灌溉適用量。一些學(xué)者對潛水電泵流量、功率以及揚(yáng)程之間的關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)在功率不變的情況下，電泵的流量與揚(yáng)程之間呈反比關(guān)系。同時(shí)，電能與水能之間的轉(zhuǎn)換會(huì)受到轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響，而轉(zhuǎn)換系數(shù)會(huì)受到潛水電泵埋深的影響，且二者之間呈反比關(guān)系。例如，若潛水電泵的埋深超過80 m，轉(zhuǎn)換系數(shù)的平均值就是1.2；若潛水電泵的埋深為60 m~80 m，轉(zhuǎn)換系數(shù)的平均值就是1.46；若潛水電泵的埋深為50 m~60 m，轉(zhuǎn)換系數(shù)的平均值就是1.68[7]。因此，計(jì)量人員需要準(zhǔn)確測量潛水電泵的埋深，根據(jù)實(shí)際埋深明確電水轉(zhuǎn)換系數(shù)，之后根據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)以及不同參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)量明渠水量。

3 農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量設(shè)備的改進(jìn)策略

3.1 流量遙感計(jì)量設(shè)備的改進(jìn)

流量遙感計(jì)量設(shè)備在水量計(jì)量中具有重要作用，可以采集更多準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉提供支持。相比于其他計(jì)量設(shè)備，流量遙感計(jì)量設(shè)備可以通過便攜式流量儀器檢測外來水量，而便攜式流量測量系統(tǒng)中含有傳感器以及變送器，可以進(jìn)一步增強(qiáng)計(jì)量結(jié)果的精準(zhǔn)性。同時(shí)，該設(shè)備的PCM 便攜系統(tǒng)可以滿足半管、滿管等環(huán)節(jié)的流量測量需求。從測量原理來看，該測量設(shè)備可以將氣泡以及顆粒物當(dāng)作介質(zhì)，并利用超聲波測量介質(zhì)的流速，最后根據(jù)介質(zhì)流速計(jì)算水量[8]。但該設(shè)備還不夠成熟，無法完全滿足水量計(jì)量要求，所以需要加強(qiáng)設(shè)備改進(jìn)，并根據(jù)設(shè)備測量結(jié)果調(diào)整灌溉工作。例如，該設(shè)備只適用于平原地區(qū)中落差比較小的農(nóng)田灌溉區(qū)域，應(yīng)用范圍相對較小，所以需要改進(jìn)設(shè)備的適用條件，擴(kuò)大設(shè)備的應(yīng)用范圍。同時(shí)，在應(yīng)用該設(shè)備時(shí)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整流量遙感計(jì)量設(shè)備的運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃，并充分發(fā)揮干渠的輸水作用，從而縮短輪灌時(shí)間。

3.2 水量計(jì)量器的改進(jìn)

在微機(jī)技術(shù)以及電子技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，能夠準(zhǔn)確測量水位等參數(shù)的儀表越來越多，但能夠準(zhǔn)確測量農(nóng)田灌溉明渠水量的儀表相對較少。例如，大多數(shù)測量儀表都以測量渠道流量以及水位為主，很少以測量水量為主。在這種情況下，某科學(xué)院研發(fā)了能夠測量農(nóng)田灌溉明渠水量的計(jì)量設(shè)備，該計(jì)量設(shè)備主要是由水位傳感器、水量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)測流槽等部分構(gòu)成。其中，水位傳感器可以進(jìn)行浮子非碼盤絕對測量，水量計(jì)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理[9]。靈活應(yīng)用這種計(jì)量設(shè)備可以計(jì)算出明渠瞬時(shí)流量以及明渠累計(jì)水量，但該計(jì)量設(shè)備會(huì)受到環(huán)境等因素的影響，所以需要不斷改進(jìn)設(shè)備，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)備的可靠性。

4 構(gòu)建農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量系統(tǒng)的策略

在信息化時(shí)代中，加強(qiáng)信息化建設(shè)有利于提高農(nóng)田灌溉明渠水量計(jì)量的效率、降低計(jì)量難度，而構(gòu)建信息化系統(tǒng)是加強(qiáng)信息化建設(shè)的關(guān)鍵手段。因此，在進(jìn)行明渠水量計(jì)量時(shí)，不僅需要靈活應(yīng)用各種計(jì)量方法與設(shè)備，也需要優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，從而構(gòu)建完善的計(jì)量系統(tǒng)。

4.1 優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，需要明確系統(tǒng)的整體架構(gòu)，促進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如，可以將明渠計(jì)量系統(tǒng)分為監(jiān)測現(xiàn)場、通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測中心這三部分，確保監(jiān)測現(xiàn)場可以利用水位計(jì)、測流堰采集明渠水位并通過數(shù)據(jù)采集終端將信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁啃畔?，且可以利用雨量筒采集降雨量并將信息傳輸至?shù)據(jù)采集終端；確保通信網(wǎng)絡(luò)可以利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)測中心；確保監(jiān)測中心可以接收、存儲(chǔ)并展示水量等相關(guān)信息[10]。同時(shí)，需要將監(jiān)測現(xiàn)場劃分為數(shù)據(jù)采集終端、水位/流量檢測設(shè)備、雨量檢測設(shè)備、供電設(shè)備，將監(jiān)測中心劃分為服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)接收軟件以及數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件是計(jì)量系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，應(yīng)加大對其的重視程度，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定開展傳感器設(shè)計(jì)、主控制器電路設(shè)計(jì)、信號采集模塊電路設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，增強(qiáng)硬件設(shè)計(jì)的合理性。首先，傳感器在計(jì)量系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，如果傳感器設(shè)計(jì)存在問題就會(huì)影響計(jì)量準(zhǔn)確性，所以需要應(yīng)用毫米級別的數(shù)字式水位傳感器，確保傳感器能夠準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)信息。且在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要對多路檢測電路的電壓進(jìn)行對比分析，之后通過微處理器進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。同時(shí)，在進(jìn)行電路比較時(shí)，需要靈活應(yīng)用電壓比較器并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號。此外，在進(jìn)行主控制器電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇符合水量計(jì)量要求與傳感器需求的單片機(jī)，確保單片機(jī)的工作速度、性能、電壓等各個(gè)方面都符合要求[11]。例如，可以選擇MSP430 這一系列的單片機(jī)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

4.3 優(yōu)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

只有做好軟件設(shè)計(jì)工作才能夠應(yīng)用計(jì)量系統(tǒng)，所以需要做好軟件設(shè)計(jì)語言的選擇工作、信息采集模塊的設(shè)計(jì)工作、顯示模塊的設(shè)計(jì)工作。例如，在進(jìn)行信息采集模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)傳感器以及單片機(jī)的實(shí)際情況優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保單片機(jī)能夠全面檢查輸出電路信號，并判斷信號是否屬于標(biāo)準(zhǔn)電平。同時(shí)，應(yīng)確保單片機(jī)可以檢查輸入信號，增強(qiáng)工作準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

在節(jié)能環(huán)保理念深入人心的背景下，只有加強(qiáng)灌溉用水控制才能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但明渠灌溉用水量相對較大，需要在準(zhǔn)確計(jì)量水量的基礎(chǔ)上控制灌溉用水。因此，需要充分發(fā)揮水工建筑物計(jì)量法、設(shè)備計(jì)量法、自計(jì)儀表與水尺計(jì)量法、流速儀與浮標(biāo)計(jì)量法等計(jì)量方法的作用，且需要不斷改進(jìn)水量計(jì)量設(shè)備并構(gòu)建水量計(jì)量系統(tǒng)，使明渠水量計(jì)量向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化等方向發(fā)展。