灌區量水技術特點與信息化趨勢

馬 浩

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 蚌埠 233000）

灌區量水技術特點與信息化趨勢

馬 浩

（安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院 蚌埠 233000）

經過幾十年的發展，我國灌區量水技術不斷提高，但是量水技術成果呈明顯的發散性，灌區量水設備已多達100多種。本文通過對灌區量水技術特點進行分析，結合水利發展需要，探討未來灌區量水技術發展趨勢和研究方向，以促進新的量水技術成果普及推廣應用。

灌區量水；設備智能化；灌區信息化

1 灌區量水技術發展現狀

我國的灌區量水技術的研究始于20世紀50年代，經過60年的發展，在量水方式、計量精度、數據讀取、信號傳輸等環節都取得輝煌的研究成果。早在20世紀80年代末，我國大量引進國外量水技術，又自主研發了一批實用的觀測儀表，現有的量水設備已達100多種[1]。由于我國灌區眾多，工程類型、管理水平、經濟狀況千差萬別，對于量水設備的要求差異較大，現有的量水設備和技術與灌區實際需求仍有較大的差距，產品在經濟性、實用性、通用性等方面還存在不足。近年來，隨著灌區改造的投入增加，灌區信息化技術也引起了重視。在近幾年大型灌區改造項目中很大一部分改造資金投向軟件開發和信息平臺建設，而前端自動測量技術投入資金很少。當前灌區量水設備的配套率還較低，前端量水技術發展的滯后，已經影響了灌區信息化水平的整體提高，所以對前端量水技術研究已經十分迫切[2]。

2 灌區量水技術特點分析

2.1 常用的量水方式和測量儀表

灌區量水設備和量水技術不僅是實行按量收費、促進節約用水的措施手段，也是水利信息化發展需要；量水數據也是我國加強水資源管理與水調度的決策依據。現有的量水設施包括啟閉式閘、涵、跌水、拱涵、渡槽、倒虹吸、標準斷面等；量水堰有薄壁堰、寬頂堰、三角堰、平坦V形堰等；量水槽有適用于各種斷面的長喉道量水槽、矩形或梯形斷面的巴歇爾量水槽和無喉道量水槽等[6]；量水儀表是水計量的轉換設備，有超聲波流量計、電磁流量計、蝸輪流量計、流速儀、水表、壓力式水位計、浮子式水位計、超聲波水位計、激光水位計等。這些量水方法和設備都有其特定的適用范圍和條件，現場計量設施是灌區實現水利信息化的關鍵設備。

2.2 灌區分級量水與設備選型

為了做好灌區水量的“總量控制”和“定額管理”基礎性工作，通常在取水口、干支渠分水口等處設置分級水量監測點。不同的監測點應根據各自的技術特點選取計量設備。

（1）取水口量水

提水泵站一般都安裝有2～5臺水泵，根據流量需要情況，決定開機數量。因水泵工作需要電，所以供電條件已經具備，建議水計量采用成熟的管道計量模式。比如在泵出口增加電磁流量計或超聲波流量計。該類流量計一般要求水流快且要滿管，計量才能準確。

（2）干支渠中途量水

干支渠中途量水就是在干支渠道上某個位置對水流進行計量。以前是土溝土坡，受淤泥影響，斷面不是很規范。現在灌區改造時都用石板護坡，斷面已規范，淤泥影響小。對這種規范斷面水流計量，可以采用水位—水位測量法或水位—流速測量法。把斷面尺寸測量好，就完全可以實現水流的精確計量。近年來ADCP河道測流技術也得到推廣應用，但由于造價太高，技術復雜，操作要求高，所以不適合日常的計量使用，可用于流量的率定或校準使用。

（3）末級渠道量水

末級渠道量水是灌區計量的薄弱環節。末級渠道較為分散和偏僻，不具備設備供電條件，設備看護難。末級渠道量水現在通常采用量水堰、量水槽、量水檻等計量方式，人工測量水位的量水方法。隨著灌區渠道的定型化和現代電子技術的迅速發展，該領域將會取得重大突破。

2.3 灌區量水設備工作特點分析

近年我國的量水設備研究雖然不斷取得進展，但由于一些先進設備成本較高，難以大規模推廣使用[3]。筆者認為除技術成本高之外，量水設備的以下工作特點也是影響設備推廣的因素。

（1）設備間歇性工作

灌區量水設備只是在灌溉（或排澇）時才開機使用，屬間斷性工作。電子設備最怕間歇性工作，灌區計量對設備要求更高，對日常維護要求也更高。設備選型時一定要認真分析，要考慮設備環境適應能力、抗干擾性能、抗雷擊性能等。

（2）維護成本高

灌區的量水設備一般分布較為分散，現場維修難度大，維修人員要自備車輛。修復設備故障，有時要往返數次，日常維護巡查也不方便。維修時應采用整體更換的方式，確保一次成功。如不能整體更換的要備足配件，最好一次徹底解決。

（3）供電和通信條件較差

由于灌區面積廣，量水點多在田間地頭，電力難保障，通信條件也較差，雷擊現象也嚴重，都限制了設備的推廣使用。

（4）設備易遭到破壞

灌區安裝的計量設備散落在野外，看護困難，易遭破壞，影響了灌區量水設備的配套率。

3 水利信息化對量水設備的技術要求

隨著水利信息化的推廣普及，灌區水利信息化已被提上議事日程。要實現量水信息化，必須考慮設備采集數據自動化，信號傳輸無線化，設備供電微功耗（高能電池或太陽能），這些要求都是灌區全面實現信息化的前提與基礎[4]。灌區信息化未來對量水設備也不斷提出了新的要求。

（1）設備智能化，輸出信號標準化

儀表除自身顯示數據外，應帶有智能接口，起碼應具有RS232/RS485的通信功能。另外還應該具有4～20mA的信號輸出。RS232/RS485信號數據應包含瞬時流量、累計流量、采集時間等信息。

（2）網絡傳輸無線化

由于灌區計量點分散和現場條件限制，信號宜采用無線傳輸方式。二次儀表應支持常見的幾種無線傳輸模式。通常無線傳輸模式有數傳電臺、GPRS、微波等。根據灌區具體情況可選擇一種或幾種混合的組合模式。無線數傳電臺傳輸經濟性較好，但維護成本高；GPRS雖有傳輸費用，但無需自己維護。

（3）設備低功耗、免維護

由于灌區現場條件限制，儀器供電宜采用高能電池或太陽能供電模式。設備應有多種省電工作模式，用戶可自行設置。如果用高能電池供電，起碼可使用5年以上；用太陽能板供電，起碼應保證連續30天的陰雨天可以正常工作。設備要能防塵、防風、防水、抗老化。設備盡可能不需要維護，每年維護一次就可以保證正常運行。

（4）設備造價低

設備的造價與設備的測量精度、性能是相關的。灌區計量作為水資源調度和水費收取的依據，對計量精度有一定的要求。以往的收費很多是按灌溉面積收取的，屬于粗放型計量。依現有設備技術水平，計量精度達到5%左右已是很理想的水平。所以設備研制要權衡計量精度和造價關系，盡可能降低設備成本。

4 量水技術未來的發展趨勢

盡管我國灌區眾多，工程類型、管理水平千差萬別，對量水設備的要求差異較大，但隨著灌區信息化的推進，灌區計量技術必定會向有利于信息化的方向發展。筆者經過多年研究，對未來量水技術的趨勢總結以下幾點：

（1）計量點分布日趨科學合理

隨著灌區信息化試點的推廣，對提水口、干支渠、末級渠的計量點選取會更加合理，數量比例和分布更為科學合理。

（2）灌區渠道日趨標準化

由于灌區的地理條件不同，渠道形狀和尺寸也因勢而異，為了將來便于集中管理和量水技術的通用性要求，灌區的干渠、支渠特別是末級渠道會逐漸標準化和規范化。

（3）計量設備趨向網絡化

我國的物聯網正在建設中，發展極為迅速。灌區計量設備未來也要實現互聯互通，所以未來設備必將趨向網絡化。

（4）末級渠道計量趨向無設施

由于末級渠道計量設備技術和成本限制，未來會向無設施量水方式發展。現在國內已經有很多高校和科研單位從事水力模型試驗研究，可以對灌區渠道建立計量數學模型，采用數模分析法實行無設施的計量，可以滿足灌區計量要求

[1]郝樹榮，任瑞英，郝樹剛.灌區量水技術發展與展望[J].人民黃河，2003，25（11）：41-43.

[2]吳彩麗，黃斌，謝崇寶.灌區量水技術與設備研究發展概況[J].中國水利2006，7：34.

[3]謝崇寶，高虹，黃斌.灌區水管理信息化建設應注意的問題[J].中國水利，2007，15：45.

[4]李浩武.景電灌區量水技術存在的問題及建議[J].甘肅農業，2007，11：85.

[5]潘志寶，呂宏興，魏溪.灌區量水槽的應用研究現狀與進展.西北農林科技大學學報，2007，35（4）：213-217.

水利部科技推廣計劃項目（TG1033、TG1118）

馬浩（1967-），男，高級工程師，主要從事水利自動化技術研究工作。

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