農田灌溉明渠水量計量方法與設備改進*

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）

農業作為第一產業，對人們的日常生活以及社會經濟的發展有較大影響，而灌溉對農業發展有直接影響，所以中外很多學者都對農田灌溉進行了研究，但針對農田灌溉明渠水量計量的研究相對較少，導致農田灌溉計量工作停滯不前。因此，在現有研究結果的基礎上，分析農田灌溉明渠水量計量方法與設備的改進具有重要現實意義。

1 農田灌溉與明渠概述

1.1 農田灌溉

農田灌溉指的是為補充農作物所需水分所采用的技術措施，即用水灌溉土地[1]。加強農田灌溉可以有效解決自然降雨量不足等問題，有利于促進農作物生長，繼而推動農業的長遠發展。

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，明渠的水面會與大氣接觸、水流方向會受到重力等因素的影響，在農田灌溉中發揮著重要作用。

2 農田灌溉明渠水量計量方法

2.1 水工建筑物計量法

水工建筑物計量法指的是利用水尺檢測水位，并根據水位變化特點計算明渠水量。在應用這種方法時，應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，最后根據水位計算出明渠的流通水量。例如，計量人員可以借助啟閉式閘涵或渡槽等建筑物進行水量計量，但需要根據所參考的建筑物選擇合適的計算方法，以增強計算結果的準確性。

2.2 設備計量法

設備計量法是常用的明渠水量計量方法，多被應用在農田灌溉中沒有建筑物或現有建筑物無法量水等情況中。常用的計量設備有量水槽、量水堰等，計量人員應根據實際情況應用這些設備，使水量計量結果更加準確。第一，準確應用量水槽。明渠水量計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、喉道以及進口段等部分，計量精準性相對較高，且不會導致水頭出現嚴重損耗，所以計量人員可以將其應用在流量為0.003 m3~56 m3的渾水渠道當中[3]。同時，在應用這種量水槽時，需要將其過流能力調整為自由出流，從而降低水量計算難度。而無喉段式量水槽主要是由出水段以及進口段構成，具備矩形斷面與水平槽底，所以計量人員需要根據明渠水量計量需求判斷是否應用這種量水槽。第二，準確應用量水堰。從實際情況來看，梯形量水堰與三角形量水堰更符合水量計量需求，且可以降低計量成本。計量人員可以將梯形量水堰應用在比降相對較大或含沙量較小的明渠中，將三角形量水堰應用在比降較大或跌差較小的明渠中，以增強計量的準確性。同時，量水堰本身就包括鋼結構等內容，且含有砼基礎，所以在應用時應根據明渠的大致流量明確量水堰的寬度。第三，準確應用量水噴嘴。量水噴嘴是由擋水板與管嘴構成的，其中管嘴包括正方形、圓形等多種類型，計量人員可以將正方形與圓形管嘴應用在比降較大、深度較大的明渠中，將長方形管嘴應用在比降較大且深度較小的明渠中[4]。

2.3 自計儀表與水尺計量法

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

2.4 流速儀與浮標計量法

流速儀與浮標在明渠水量計量中發揮著重要作用，其中流速儀是測量水流速度的儀器，浮標是浮在水面上的航標，靈活應用這些工具可有效增強計算結果的準確性。首先，應用流速儀可以獲取更加準確的數據信息，所以計量人員可以將其應用在沒有水工建筑物或計量設備等情況中。但應用流速儀會消耗大量的時間，且會增加計量成本，所以在應用之前需要測量流橋的流水速度，并根據明渠斷面設計流橋跨度，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，根據測量數據計算渠道流量。其次，應用浮標有利于增強計量精準性并降低計量成本，計量人員應高度重視浮標的應用，并做好流速測量與流量計算等環節的工作。

2.5 電水轉換法

電水轉換法也是常用的明渠水量計量方法，主要是根據電能與水能的轉換原理進行計量的。在應用這種方法時，應計算深井潛水電泵的耗電量，并根據電水轉換系數計算灌溉適用量。一些學者對潛水電泵流量、功率以及揚程之間的關系進行了相應的研究，發現在功率不變的情況下，電泵的流量與揚程之間呈反比關系。同時，電能與水能之間的轉換會受到轉換系數的影響，而轉換系數會受到潛水電泵埋深的影響，且二者之間呈反比關系。例如，若潛水電泵的埋深超過80 m，轉換系數的平均值就是1.2；若潛水電泵的埋深為60 m~80 m，轉換系數的平均值就是1.46；若潛水電泵的埋深為50 m~60 m，轉換系數的平均值就是1.68[7]。因此，計量人員需要準確測量潛水電泵的埋深，根據實際埋深明確電水轉換系數，之后根據轉換系數以及不同參數之間的關系計量明渠水量。

3 農田灌溉明渠水量計量設備的改進策略

3.1 流量遙感計量設備的改進

流量遙感計量設備在水量計量中具有重要作用，可以采集更多準確的數據信息，為農業節水灌溉提供支持。相比于其他計量設備，流量遙感計量設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中含有傳感器以及變送器，可以進一步增強計量結果的精準性。同時，該設備的PCM 便攜系統可以滿足半管、滿管等環節的流量測量需求。從測量原理來看，該測量設備可以將氣泡以及顆粒物當作介質，并利用超聲波測量介質的流速，最后根據介質流速計算水量[8]。但該設備還不夠成熟，無法完全滿足水量計量要求，所以需要加強設備改進，并根據設備測量結果調整灌溉工作。例如，該設備只適用于平原地區中落差比較小的農田灌溉區域，應用范圍相對較小，所以需要改進設備的適用條件，擴大設備的應用范圍。同時，在應用該設備時，應根據計算機系統采集的監測數據調整流量遙感計量設備的運行調度計劃，并充分發揮干渠的輸水作用，從而縮短輪灌時間。

3.2 水量計量器的改進

在微機技術以及電子技術不斷發展的過程中，能夠準確測量水位等參數的儀表越來越多，但能夠準確測量農田灌溉明渠水量的儀表相對較少。例如，大多數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，某科學院研發了能夠測量農田灌溉明渠水量的計量設備，該計量設備主要是由水位傳感器、水量計、標準測流槽等部分構成。其中，水位傳感器可以進行浮子非碼盤絕對測量，水量計可以進行數據采集與處理[9]。靈活應用這種計量設備可以計算出明渠瞬時流量以及明渠累計水量，但該計量設備會受到環境等因素的影響，所以需要不斷改進設備，進一步增強設備的可靠性。

4 構建農田灌溉明渠水量計量系統的策略

在信息化時代中，加強信息化建設有利于提高農田灌溉明渠水量計量的效率、降低計量難度，而構建信息化系統是加強信息化建設的關鍵手段。因此，在進行明渠水量計量時，不僅需要靈活應用各種計量方法與設備，也需要優化硬件設計與軟件設計，從而構建完善的計量系統。

4.1 優化系統架構設計

在設計計量系統時，需要明確系統的整體架構，促進設計目標的實現。例如，可以將明渠計量系統分為監測現場、通信網絡以及監測中心這三部分，確保監測現場可以利用水位計、測流堰采集明渠水位并通過數據采集終端將信息轉變為流量信息，且可以利用雨量筒采集降雨量并將信息傳輸至數據采集終端；確保通信網絡可以利用網絡將數據信息傳輸至監測中心；確保監測中心可以接收、存儲并展示水量等相關信息[10]。同時，需要將監測現場劃分為數據采集終端、水位/流量檢測設備、雨量檢測設備、供電設備，將監測中心劃分為服務器、計算服務軟件、數據接收軟件以及數據庫，為后續工作奠定基礎。

4.2 優化系統硬件設計

硬件是計量系統的關鍵構成部分，應加大對其的重視程度，并嚴格按照相關規定開展傳感器設計、主控制器電路設計、信號采集模塊電路設計等各個環節的工作，增強硬件設計的合理性。首先，傳感器在計量系統中占據著重要地位，如果傳感器設計存在問題就會影響計量準確性，所以需要應用毫米級別的數字式水位傳感器，確保傳感器能夠準確采集數據信息。且在進行電路設計時，需要對多路檢測電路的電壓進行對比分析，之后通過微處理器進行科學調整。同時，在進行電路比較時，需要靈活應用電壓比較器并輸出相應的數字信號。此外，在進行主控制器電路設計時，需要選擇符合水量計量要求與傳感器需求的單片機，確保單片機的工作速度、性能、電壓等各個方面都符合要求[11]。例如，可以選擇MSP430 這一系列的單片機，增強系統的穩定性與可靠性。

4.3 優化系統軟件設計

只有做好軟件設計工作才能夠應用計量系統，所以需要做好軟件設計語言的選擇工作、信息采集模塊的設計工作、顯示模塊的設計工作。例如，在進行信息采集模塊的設計時，需要根據傳感器以及單片機的實際情況優化設計，確保單片機能夠全面檢查輸出電路信號，并判斷信號是否屬于標準電平。同時，應確保單片機可以檢查輸入信號，增強工作準確性。

5 結語

在節能環保理念深入人心的背景下，只有加強灌溉用水控制才能夠實現農業的可持續發展。但明渠灌溉用水量相對較大，需要在準確計量水量的基礎上控制灌溉用水。因此，需要充分發揮水工建筑物計量法、設備計量法、自計儀表與水尺計量法、流速儀與浮標計量法等計量方法的作用，且需要不斷改進水量計量設備并構建水量計量系統，使明渠水量計量向標準化、信息化等方向發展。