農田灌溉明渠水量計量方法與設備的改進探索＊

李 鋒，李東海，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

在當前農業灌溉水利工程中，農田灌溉明渠水量計量方法較多，在具體應用過程中，需要按照設計情況選擇對應的計量方法，提高計量方法的針對性。在農田灌溉明渠計量設備長期使用的情況下，計量設備功能性會有所下降，從而導致農田灌溉明渠水量計量結果不夠準確的問題。因此，為了能夠獲取準確的農田灌溉明渠水量計量結果，需要對計量方法進行優化，并對計量設備進行合理改進，確保計量體系能夠滿足實際工作要求，對農田灌溉水利工程建設具有重要的意義。

1 農田灌溉明渠水量計量方法分析

農田灌溉明渠水量計量工作能夠為農業用水調查提供資料，在灌溉水量補充、用水調配以及節約用水等方面具有重要的意義，所以需要選擇精準的計量方法，確保農田灌溉明渠水量計量結果更加準確。根據當前農田灌溉明渠建設實際情況來看，主要采用的計量方法如下。

1.1 設備計量方法

采用設備計量方法需要在農田灌溉明渠中沒有建筑物的區域開展，將計量設備安裝在農田灌溉明渠上游區域，且需要與上游建筑物保持至少30 m 的距離。在具體應用過程中，農田灌溉明渠水量計量設備主要包括量水堰、量水槽等，量水堰為鋼結構，下部分設置混凝土基礎，量水堰上部分安裝水位標尺，當前主要采用的量水堰包括三角結構和梯形結構2 種不同類型，量水堰整體設備造價較低，具有廣闊的應用前景[1]。量水堰和量水槽都具有較高的計量精度，且能夠在水流落差較大的農田灌溉明渠中使用，其中梯形量水堰在水頭區域的損失量較少，所以更加適合在含沙量較少的農田灌溉明渠中使用；在含水量較大的農田灌溉明渠中，可以采用量水噴嘴，主要結構包括擋水板和管嘴，長方形的量水噴嘴適合在較大的寬淺農田灌溉明渠中使用。

1.2 電水轉換計量方法

電水轉換計量方法在農田灌溉明渠中應用時，通過電能和水能之間的轉換，利用農田灌溉提水機械工具，能夠計算出深井潛水泵的耗電量、電水轉換系數K等，從而得到農田灌溉明渠的用水量。潛水電泵中流量、功率以及揚程之間的關系為N=2.73QH，其中，N為潛水泵的運行功率，Q為潛水泵實際運行效率，H為潛水泵的揚程。通過上述計算公式可以明確：在潛水泵功率一定的情況下，潛水泵流量和揚程之間具有反比關系，在不同揚程情況下，潛水泵的實際流量具有一定差異。電能和水量之間的轉換，主要受到電水轉化系數K的影響，電水轉換系數K數值受到潛水泵的埋深影響，在潛水泵埋深深度超過80 m 的情況下，電水轉換系數K的均值為1.2；在潛水泵埋藏深度在60～80 m 范圍時，電水轉換系數K均值為1.45；在潛水泵埋深深度為50～60 m 的情況下，電水轉換系數K均值為1.67。在電水轉換系數K指的變化規律中，深井潛水泵消耗電量為1 kW·h，出水量較小，揚程較大，反之揚程較小時，出水量較大，通過采用電水轉換計量方法，能夠得到準確的農田灌溉明渠水量計算結果[2]。

1.3 流速儀計量方法

采用流速儀方法對農田灌溉明渠水量進行計量時，能夠得到較為準確的計量結果，但是需要消耗的計量時間較多，且計算流程較為復雜，為此，流速儀計量方法大多應用在無水工建筑的農田灌溉明渠環境中。在具體應用過程中，通過流速儀對農田灌溉明渠的流速進行計量，需要在測流橋的配合下完成，通常情況下，測流橋寬度在2～3 m 范圍內；在對農田灌溉明渠的流速進行計量時，計量人員需要在人行便橋中選擇合適的斷面，并根據計量結果繪制出斷面圖，結合對斷面圖的分析，能夠獲取準確的計量結果。流速儀計量方法結果較為準確，且隨著與信息技術的融合，在農田灌溉明渠水量計量工作中的應用更加廣泛。

2 農田灌溉明渠計量設備改進方法分析

當前農田灌溉明渠計量工作中，所采用的計量設備存在一定問題，基本為傳統的計量設備，且在長期應用過程中會受到多種因素的影響，導致計量結果不夠準確，所以為了促進農田灌溉明渠水量計量工作更好地開展，需要采用更加科學的計量設備，為此本文結合實踐經驗，提出如下多項計量設備改進方法。

2.1 流量遙感計量裝備改進應用

在農田灌溉明渠水量計量設備優化過程中，為了能夠實現水量精確化計量目標，為農田節水灌溉提供支持，可以采用流量遙感的改進優化方法。在對農田灌溉明渠水量的監測中，采用流量遙感計量設備。該設備采用便攜式和電源獨立的流量儀器實現計量工作，便攜式計量系統一般包括PCM 變送器與傳感器等，比如可以采用NIVUS 流量計量技術，在農田灌溉明渠水量計量中具有良好的效果，且PCM 便攜式設備能夠在半管、滿管等環節中進行計量。流量遙感計量設備在應用過程中，通過對計量通過水位截面積的計算，截面積的變化會隨著水位變化而改變，為了能夠計量出農田灌溉明渠流速，可以將顆粒物或氣泡作為機制，保持顆粒物與氣泡的流速相同，采用超聲波計量方法獲取介質的實際流速。在對流量遙測系統改進時，設計人員需要按照計算機系統的監測數據，對運行調度計劃進行實時調整，充分發揮出干渠的輸水能力，將實際輪灌時間縮短，從而能夠實現節約灌溉水資源的目的[3]。

2.2 農田灌溉明渠水量計量器改進應用

在電子技術與微處理器技術的快速發展下，將其應用在農田灌溉明渠水量計量裝備改進中，能夠全面豐富計量設備功能，主要方向是將計量設備賦予自動化功能，通過采用計量設備得到更加準確的計量結果。農田灌溉明渠水量計量設備主要包括水位計量傳感器、標準測流槽、水量計以及打印機等工程；水位傳感器的形式以浮子非碼盤絕對計量為主，依據一定的采集計量周期，對系統中的實施數據進行列表輸出。在對農田灌溉明渠水量計量設備的改進中，需要增加如下幾項功能。

計算功能。自動化計量設備中具有微型計算機，使得自動化計量設備的計算能力和數據信息處理能力得到了很大的提高，從而使自動化計量設備能夠處理更加復雜、更加龐大的工程數據，且計算結果的準確性得到了很大的提高。在農田灌溉明渠水量計量工作方面，經常會遇到線性化處理、自檢自校、計量數值和工程數值的轉換以及抗干擾方面的問題，采用自動化計量設備中的微型計算機以及相應的數據處理軟件能夠有效解決上述計算問題，不僅降低了農田灌溉明渠水量計量中硬件設備的負擔，自動化計量設備還可以完成檢索、優化等方面的工作，在計算功能方面的能力較為突出[4]。

編程功能。在計算機技術快速發展的背景下，計算機技術在多個領域都有著廣泛的應用，尤其是在計量設備中，使得自動化計量設備可以編程，在計量設備中加入了計算機軟件，這些軟件可以實現對硬件邏輯電路的代替，從而使計量設備的許多性能都得到了提高。此外，在控制電路中，還可以實現相關接口芯片的有效利用，使自動化計量設備能夠對復雜的功能進行控制。

記憶功能。傳統計量設備所采用的電路是組合為邏輯電路和時序電路，所以計量設備中的記憶功能較為落后，記憶程度較低，只能夠對農田灌溉明渠水量計量過程中某些特定時刻的設備運行狀況進行基本記憶，但是隨著時間的變化，計量設備的工作狀態也會發生相應的改變，計量設備之前所記錄的數據和信息就會被新的信息所取代，所記憶的舊數據和信息就會消失，這會對農田灌溉明渠水量計量造成很不利的影響，導致相關計量數據缺失。在微型計算機融合到農田灌溉明渠水量計量設備之中，通過微型計算機強大的存儲功能，可以對農田灌溉明渠水量計量所有狀態下的信息和數據進行記憶，可以實現記憶數據永久保存。

2.3 農田灌溉明渠水量計量設備自動化改進

在農田灌溉明渠水量計量工作中，計量設備需要具有能夠測量明渠水位和自動化控制計量測量設備的功能。首先，通過對實際水位高度的把控，能夠更加明確當前農田灌溉明渠的水量情況，對于農田灌溉明渠灌溉等優化具有良好的指導作用。在農田灌溉明渠計量設備改造中，可以通過融合自動化技術，在自動化計量設備中加入人機操作借款，能夠提高計量設備操作便捷性。自動化控制水位設備在運行過程中，其運行狀態能夠通過人機界面顯示，人機界面的操作方式與控制方式為一體化，通過分組的方式，能夠完成更加精確的控制，從而轉變了傳統的水位計量設備控制模式。在采用自動化控制計量設備時，通過人機界面進行控制，測量人員需要完成模擬圖繪制，并嚴格按照測量標準開展，工作人員需要制作能夠準確運行的模擬圖，并優化信息處理、報警等環節的人機界面交互，從而提高人機界面的實用性，全面提升自動化控制水位計量設備控制效果，滿足農田灌溉明渠測量過程中對于水位監測的需要，自動化控制計量設備是提高農田灌溉明渠水量計量工作的重要基礎計量設備，所以需要根據實際情況選擇項對應的自動化控制水位計量設備。

其次，在自動化控制計量設備中，計量和流量自動化設備應用較為頻繁，自動化設備的型號選擇能夠直接影響各項數據的準確性，所以在改進計量和流量自動化設備時，需要保持科學嚴謹的態度。在改進過程中，可以采用容積式自動流量設備或渦輪自動流量設備，能夠在污水以及砂石含量較高的農田灌溉明渠水量計量中使用，通過與自動化技術的融合，將其應用在農田灌溉明渠水量計量工作中，具有良好的應用效果。

2.4 農田灌溉明渠水量計量設備改進主要方向

首先，農田灌溉明渠水量計量設備改進需要向精簡化方向發展，通過融合微型控制機的方式，使設備較為輕巧。通過計算機軟件代替了相關的硬件，在很大程度上降低了硬件設備的負擔，使得計量設備更加簡單化便捷化，結構精簡化是未來計量設備發展的必然趨勢和主要方向。其次，農田灌溉明渠水量計量設備需要向精準化方向改進和發展，計量設備和計算機的結合，使得其有了強大計算能力，可以實現多次快速的測量和記錄，從而有效提高了計量設備的精準度。此外，在微型處理器的支持下，計量設備能夠排除多項干擾因素，降低干擾因素對計量設備測量結果準確性的影響，使計量設備能夠對測量結果的誤差進行高效的修正，從而得到更加準確的水量計量結果，所以在改進過程中，必須采用能夠提高計量結果準確性的改進方式，以此促進農田灌溉明渠水量計量工作開展。

3 農田灌溉明渠水量計量系統整體設計優化

通過上文的分析可以明確，計量方法以及計量設備會對農田灌溉明渠水量計量工作產生直接影響，所以在明確計量方法和計量設備的改進方式后，需要將其充分結合，從而構建完善的農田灌溉明渠水量計量系統。首先，在硬件設計方面，硬件主要包括傳感器、主控電路、電源模塊、信號采集模塊以及通信接口電路等，其中傳感器硬件是一項關鍵設備，需要選擇毫米級別的數字式水位傳感器，能夠獲得更加準確的農田灌溉明渠水量數據，從而為后續的自動化計算打下基礎；在自動化設備應用過程中，通過傳感器收集的農田灌溉明渠水量數據，比如流量、流速等，按照編程程序進行計算與分析，通過自動化計算得到相應的計量結果，并將計量結果進行儲存。其次，在軟件程序設計方面，包括編程語言、信息采集設計以及顯示設計，在毫米級的數字式水位傳感器中，采用MSP340F14 單片機實現，單片機只要檢查輸出電路信號，則能夠實現自動化的信息采集與傳輸，從而實現農田灌溉明渠水量計量全過程自動化。

4 結束語

綜上所述，本文簡要分析了幾種常用的農田灌溉明渠水量計量方法，并對農田灌溉明渠水量計量設備的改進方法進行優化，最后提出一項農田灌溉明渠水量計量系統設計方案，希望能夠對中國農田灌溉明渠水量計量工作起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高計量工作效率與結果準確性。