渠道量控一體化系統(tǒng)在灌區(qū)明渠中的實(shí)用性研究

鄧海龍，謝亨旺，劉方平，黃永忠

(江西省灌溉試驗(yàn)中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330201)

0 引 言

灌區(qū)量水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)用水有效計(jì)量監(jiān)測(cè)并提出數(shù)據(jù)是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革發(fā)展，實(shí)現(xiàn)水資源高效、可持續(xù)利用的重要內(nèi)容。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)灌區(qū)明渠流量測(cè)量方法多以利用修建在明渠上的標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽、水公共建筑物(閘門(mén)、涵洞等)或人工控制斷面測(cè)量流量的水力學(xué)法為主，在取水計(jì)量監(jiān)測(cè)的手段、方法及設(shè)備選型方面仍然存在數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析等方面的技術(shù)難題。因此，迫切需要研究和推廣自動(dòng)化程度高、適宜性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)可靠的灌區(qū)明渠量測(cè)水系統(tǒng)。

1 渠道量控一體化系統(tǒng)技術(shù)組成

渠道量控一體化系統(tǒng)包括渠道量水模塊和閥門(mén)控制模塊。其中，渠道量水系統(tǒng)采用了梯形標(biāo)準(zhǔn)斷面，配備水位計(jì)和測(cè)流儀監(jiān)測(cè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道用水的有效管控，見(jiàn)圖1。閥門(mén)控制系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電源和電動(dòng)裝置，配用無(wú)線通訊接收系統(tǒng)，可在平板電腦遙控下啟閉和測(cè)量；結(jié)合稻田節(jié)水信息化管理系統(tǒng)的操作功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)田間需水和渠道用水的聯(lián)動(dòng)管理，做到結(jié)合實(shí)際需求高效用水。

圖1 渠道量控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of channel quantity control integrated system

1.1 渠道量水模塊

渠道量水模塊主要由超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀和超聲波水位計(jì)組成。量水模塊由太陽(yáng)能板供電，利用超聲波水位計(jì)量測(cè)水位和安裝在標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)的測(cè)速儀，建立整個(gè)流水?dāng)嗝娴钠骄魉訇P(guān)系曲線，分析計(jì)算出斷面的瞬時(shí)流量，通過(guò)插值和換算，可運(yùn)算得到閘門(mén)開(kāi)啟后用水量，并顯示在平板電腦終端，還可配合閘門(mén)控制模塊完成對(duì)渠道用水的管控，具體見(jiàn)圖2。

圖2 安裝示意Fig.2 Installation diagram

1.2 閘門(mén)控制模塊

閘門(mén)控制模塊包括電動(dòng)一體式閘門(mén)和閘門(mén)控制元件。模塊同樣由太陽(yáng)能供電，開(kāi)啟時(shí)通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)馬達(dá)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到最大開(kāi)度后自動(dòng)停轉(zhuǎn)；關(guān)閉時(shí)控制電動(dòng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，閘門(mén)完全關(guān)閉后馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。閘門(mén)控制模塊可接入稻田節(jié)水信息化管理系統(tǒng)，通過(guò)PLC控制器完成自動(dòng)開(kāi)關(guān)，根據(jù)流量控制啟閉和時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)啟閉等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道用水的有效管控，具體見(jiàn)圖3。

圖3 渠道量控水一體化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Field sketch map of channel volume and water control integrated system

2 應(yīng)用示范區(qū)概況

應(yīng)用試驗(yàn)示范區(qū)位于南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村龔家自然村，距離向塘鎮(zhèn)10 km，距320國(guó)道3.0 km，灌溉水源為江西省贛撫平原灌區(qū)二干渠。示范區(qū)面積約26.6 hm2，工程投資11.072 萬(wàn)元，每公頃投資為4 152 元/hm2。主要種植作物為水稻，區(qū)域內(nèi)主要灌溉渠道為二干渠支渠大橋灌水渠的分水渠，全段長(zhǎng)度約1.5 km。其中，樁號(hào)0+000～0+200 m，斷面形式為梯形斷面，上頂寬1.2 m，下底寬0.8 m，渠深0.7 m；樁號(hào)0+200～0+400 m，斷面形式為梯形斷面，上頂寬0.7 m，下底寬0.5 m，渠深0.5 m；樁號(hào)0+400～0+600 m，斷面形式為梯形斷面，上頂寬0.6 m，下底寬0.3 m，渠深0.4 m；樁號(hào)0+600～1+500 m，斷面形式為梯形斷面，上頂寬0.45 m，下底寬0.25 m，渠深0.4 m。

該示范區(qū)農(nóng)田目前由種植大戶承包經(jīng)營(yíng)管理，同時(shí)聘請(qǐng)2位農(nóng)工進(jìn)行日常田間管理，田塊高低不平，灌溉時(shí)采取輪灌制度，并需在渠段內(nèi)安裝擋水堰，抬高灌溉渠道內(nèi)的水位，來(lái)滿足灌溉的需求。渠道斗口安裝一套中型閘門(mén)，采用便攜可移動(dòng)平板電腦進(jìn)行遙控啟閉，太陽(yáng)能電源供電。系統(tǒng)示范區(qū)布置見(jiàn)圖4。

圖4 渠道量控水一體化系統(tǒng)示范區(qū)布置Fig.4 The layout demonstration area of integrated canal volume and water control system

3 渠道量控一體化系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

3.1 量水精度分析

(1)渠道水位量測(cè)精度分析。本系統(tǒng)渠道水位量測(cè)設(shè)備選用XD-WSS超聲波液位計(jì)，見(jiàn)圖5。為檢驗(yàn)測(cè)量設(shè)備自記水位數(shù)據(jù)的精度，在同一監(jiān)測(cè)位置，通過(guò)人工比測(cè)的方法來(lái)進(jìn)行相關(guān)分析。從表1數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，XD-WSS超聲波液位計(jì)自計(jì)的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差范圍為0%～2.17%，均在5%的控制范圍內(nèi)，見(jiàn)表1。XD-WSS超聲波液位計(jì)自動(dòng)測(cè)量的精度滿足要求。

表1 人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與XD-WSS超聲波液位計(jì)自記數(shù)據(jù)Tab.1 The manual observation data and XD-WSS self-recording data

圖5 XD-WSS超聲波液位計(jì)Fig.5 XD-WSS ultrasonic level meter

(2)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)精度分析。為了檢驗(yàn)渠道量水系統(tǒng)在任何水位條件下量測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，在渠道內(nèi)開(kāi)展了不同水位條件下的流量測(cè)定比測(cè)分析工作。在同一監(jiān)測(cè)斷面，采用LS1206B型便攜式流速儀進(jìn)行人工比對(duì)測(cè)定(所測(cè)斷面平均水深0.222 m、水面寬0.91 m、過(guò)水?dāng)嗝婷娣e0.20 m2、最大水深0.32 m)。由表2可知：斷面流量為0.047 m3/s、最大測(cè)點(diǎn)流速為0.301 m/s、平均流速為0.231 m/s。由表2和表3數(shù)據(jù)分析可以得出：渠道最大水深在0.32 m情況下，CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀測(cè)定的過(guò)水?dāng)嗝媪髁繛?62.35 m3/h，即0.045 m3/s，與LS1206B型便攜式流速儀測(cè)定的流量數(shù)據(jù)(0.047 m3/s)絕對(duì)誤差為0.002 m3/s，相對(duì)誤差為4.25%，在精度范圍之內(nèi)。

表2 深測(cè)速記載及流量計(jì)算(暢流期流速儀法)Tab.2 The bathymetric records and flow calculation tables (open flow tachometer method)

表3 CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀的流量數(shù)據(jù)Tab.3 Discharge data of CMC-A ultrasonic open channel flow meter with time difference method

從表4數(shù)據(jù)可以看出：CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀在線測(cè)定的流量數(shù)據(jù)與人工采用LS1206B型便攜式流速儀測(cè)定的流量數(shù)據(jù)比測(cè)誤差在5%之內(nèi)，精度滿足要求。

表4 不同水深條件下的渠道流量測(cè)定分析 m3/sTab.4 The measurement and analysis table of channel discharge under different water level

3.2 量水穩(wěn)定性分析

渠道量水控制一體化系統(tǒng)控制量水系統(tǒng)在2017年8月31日完成現(xiàn)場(chǎng)安裝工作，9月7日、9月10日、9月11日、9月12日、9月25日，開(kāi)展了渠道不同水位工況下的渠道水位～流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作。各種水深情況下測(cè)定的水位～流量數(shù)據(jù)誤差滿足精度要求，且XD-WSS超聲波液位計(jì)儀器設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，在日常維護(hù)人員到位的情況下，閘門(mén)、水位監(jiān)測(cè)設(shè)備、流速儀等設(shè)備在灌溉期間沒(méi)有出現(xiàn)故障。

3.3 應(yīng)用效果分析

示范區(qū)灌溉渠道應(yīng)用渠道量控一體化系統(tǒng)后，采取間歇灌溉模式后，與農(nóng)民傳統(tǒng)灌溉管理模式相比，節(jié)約灌溉用水量達(dá)3.744 萬(wàn)m3，節(jié)約生產(chǎn)勞動(dòng)成本0.25 萬(wàn)元，增收節(jié)支3.26 萬(wàn)元。

(1)節(jié)約用水效益。通過(guò)渠道量水控制一體化系統(tǒng)工程的實(shí)施，對(duì)項(xiàng)目的水情實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掌握，提高配水用水效率，最大程度減少配水環(huán)節(jié)的棄水損失，有效降低灌溉用水量。

經(jīng)測(cè)算，早稻減少灌水次數(shù)1次，節(jié)省灌水量11 040 m3，晚稻則減少灌水次數(shù)2次，節(jié)省灌水量26 400 m3，雙季早晚稻全年節(jié)約灌水量37 440 m3，按水價(jià)0.05 元/m3計(jì)算，示范區(qū)全年可節(jié)約成本0.187 萬(wàn)元。

(2)節(jié)省勞動(dòng)成本。據(jù)測(cè)算，示范區(qū)采用渠道量水控制一體化系統(tǒng)后，早晚稻全生育期灌水次數(shù)較2016年減少3次，灌水人員減少了2名，(改造前依靠聘請(qǐng)2名灌水員來(lái)負(fù)責(zé)，現(xiàn)在自己就可以完成示范區(qū)灌水工作)，單次灌水持續(xù)時(shí)間為3 d，農(nóng)忙用工按17.5 元/h計(jì)算，折算后為140 元/d。示范區(qū)全年節(jié)省灌水勞動(dòng)成本0.25 萬(wàn)元。

(3)增產(chǎn)效益。示范區(qū)應(yīng)用渠道量控一體化系統(tǒng)后，較好地解決了示范區(qū)內(nèi)串灌、漫灌和渠道內(nèi)“常有水、浪費(fèi)水”的現(xiàn)象，同時(shí)，對(duì)種植的水稻作物實(shí)行間歇灌溉水分管理模式，起到了控制水稻地上部株型的無(wú)效生長(zhǎng)，提高了水肥利用的有效性，達(dá)到稻田節(jié)水增產(chǎn)、提質(zhì)增效目的。據(jù)測(cè)算，早晚稻較2016年平均增產(chǎn)達(dá)439.65 kg/hm2，根據(jù)當(dāng)年早晚稻最低市場(chǎng)保護(hù)價(jià)2.78 元/kg(平均市價(jià))計(jì)算，增產(chǎn)效益達(dá)1 222.2 元/hm2，示范區(qū)全年新增經(jīng)濟(jì)效益達(dá)3.26 萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)目前已在江西省灌溉試驗(yàn)中心站高田實(shí)驗(yàn)基地和江西省贛撫平原灌區(qū)二干渠高田村龔家自然村灌片進(jìn)行了示范應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)野外渠道水位流量在線測(cè)量，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)性，水情測(cè)報(bào)準(zhǔn)確可靠，供水管理運(yùn)作高效，田間灌溉效率明顯提升。既節(jié)省了勞動(dòng)成本，又提高了用水戶用水知情權(quán)，增強(qiáng)了農(nóng)民節(jié)水灌溉意識(shí)。為灌區(qū)灌溉管理部門(mén)能及時(shí)了解和掌握各渠道水位、流量、水量等信息，及時(shí)作出科學(xué)決策和有效管理提供技術(shù)支撐，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，應(yīng)用推廣空間廣泛。