巴歇尔量水槽在汾河灌溉灌区GIS管理系统中的应用

（山西水务集团建设投资有限公司 山西太原 030001）

汾河灌区是全省最大的灌区，位于汾河中游的太原盆地，设有一坝、二坝、三坝三个取水枢纽，有着较为完整的灌排工程基础设施，全灌区现有4级固定渠道（局部地区为5级固定渠道），共有各级灌溉渠道2 756条，总长3 532.93 km，已有渠系建筑物10 695座。

汾河灌区用水管理按受益面积以亩配水，通过渠首控制，干、支渠为续水灌溉，斗以下渠系为轮灌管理。近年来灌区水资源供需矛盾十分突出，其中有水库上游天然来水减少因素，但根据多年统计，从汾河上游引水1亿m3，到达灌溉农田的中间消耗达0.62亿m3，农田灌溉用水利用率仅只有38%左右，灌区依靠人工进行灌溉管理的传统方式已落后[1]。

地理信息系统（GIS）和传统的灌溉管理系统的结合，可科学管理与优化调配灌区农田灌溉和生活用水，减少过程水资源损失，其中控制和量测水量是科学的灌区用水管理核心[2]。用巴歇尔量水槽量水，可实时准确控制各级斗渠道的放水流量，结合干渠和支渠水情监测，统计计算各乡、村用水量和各种作物的灌溉定额，避免配水不足或过多现象，为计划用水和按水量征收水费提供必要数据和依据。

1 巴歇尔量水槽（Parshall flume）测量原理

巴歇尔量水槽通常设在斗渠或农渠渠首以下20～50 m处的水流平稳渠段上，包括进口收缩段、喉道、出口扩散段和上下游水尺组成。

进口收缩段底板保持水平，侧墙与轴线应成11°19′的扩散角。量水槽上游水尺位置设在距喉道首端的进口收缩段2/3处，下游水尺设在距喉道末端的进口收缩段1/3长度上游处，水尺零点高程均与进口收缩段底板高程一致。量水槽上下游过渡段护底长为槽底高P的函数:上游护底长L1=4P，下游护底长L2=（6～8）P。

喉道底板的坡降为3∶8，喉道宽度在0.75 m以下且水流平稳的量水槽，量水槽上下游水尺可设在侧壁上。喉道宽度在0.75 m以上和水流不稳的量水槽，应在槽外设测量井。测量井底应比槽槛低0.2～0.25 m，测量井与量水槽可用平置的金属管或塑料管连通。

出口扩散段底板的逆坡坡度为1∶6，侧墙与轴线成 9°28′的扩散角。

1）自由流计算公式:淹没度S=h2/h1＜0.7

式中:h1——上游水尺读数，m；

h2——下游水尺读数，m；

W——喉道宽度，m。

2）淹没流流量公式:淹没度 0.7＜h2/h1＜0.95，按自由出流公式计算出来的流量Q，再减去按修正值ΔQ。

式中:ΔQ——流量修正值，m3/s；

S——淹没度，其值为h2/h1。

2 灌区灌溉GIS管理系统

用水计划管理工作是灌区管理工作的核心任务，汾河灌区GIS管理系统通过光纤通信网络将灌区所属299处渠道水情监测系统和109处视频监控系统信息传回管理局。其中以巴歇尔量水槽为核心的渠道水情监测系统将各个采集点的水位数据、流量数据可以在现地的分控中心显示或者通过通信网络将数据传送到信息中心，数据可实时进行在线监测及分析。视频监控系统在需要保证运行安全（工程设施安全和人身安全）的地点视频监控水情变化和设备运行状态。

2.1 渠道水情监测系统

斗渠水情监测采用巴歇尔槽或梯形量水堰、磁致伸缩水位计和一体化闸门进行测量，一体化磁致伸缩水位流量监测终端直接安装于巴歇尔槽量水测井内。

普通支渠水情监测采用普通多普勒法（适合宽20 m内渠道）进行测量，大型支渠首固定式超声波多普勒流量计，用来精准测量支渠流量。

2.2 视频监控系统

通过现场的摄像装置，视频监视系统可以将现场的渠道水位信息实时图像准确、快速、清晰地传输到信息分中心，乃至位于远程的调度中心。主要用于有效监控闸室内外现场情况和巴歇尔量水槽等关键设备的运行状态、人员情况和工作秩序的管理。

系统实现在控制室进行每班的远程巡检工作，可大幅度降低巡检人员的工作强度。并生成巡检日志表，达到管理现代化、科学化。

3 灌区灌溉管理GIS系统的构建

3.1 GIS系统设计

根据汾河灌区对水资源管理的现状、具体要求和发展需要，灌区GIS系统总体架构分为决策管理层、信息汇聚层、网络通信层和信息采集层（图1），可实现的功能如下:

图1 总体构架图

1）系统开发过程中兼顾原有信息化系统的正常运行与数据平滑过渡，原有的网络通讯端口，即现场采集设备参数基本保持不变，通讯信道不变，原有核心数据库系统不变，实时管理动态数据[3]。

2）实现基础数据统一管理。建设实时灌区管理信息数据库，信息采集层完成水位、流量数据、控制信号、视频信号等的采集。信息中心对气象站点的预报天气信息、地方工农业供需用水信息、灌区各级测报站渠道水情监测系统数据进行分类、汇总和存储[3]。

3）构建智能决策支持平台。结合GIS空间分析功能和流域水文模型，实时动态地监测和管理灌区供水，分析需水状况，制定供水计划。数据传输采用光纤通讯，将采集的数据发送至分控中心（支所）和信息分中心（分局），将各类信息给决策管理者使用，分析和优化配水路径，拟定调控措施。

4）构建闸坝安全监测平台。采用视频监控系统监测和分析巴歇尔量水槽等的安全运行状态，为灌区灌溉关键设备的变形和可能被破坏情况提供及时直观资料，实现灌区灌溉主要设备安全监测自动化。

5）管理自动化。灌区灌溉调度系统的日常运行管理工作（关键设备管理运行日志、工作人员值班管理记录、供水管理记录管理等）基本实现自动化和网络化。

3.2 硬件建设

灌区灌溉调度系统分三级，调度中心站（一级站）设于管理总局，调度二级站设于各管理站、配水点及直属单位，调度三级站设于各斗渠配水点、抽水站及田间观测点。各站站之间通过有线电话或无线通讯，紧急情况下可越级上报调度中心站，并利用电信公网实现网络数据传输[2，4]。

系统采用目前最成熟的模块化结构，主要分为浏览客户端系统和管理人员监控中心，可以方便扩容和接入其它设备，实现调度监控一体化。通信介质为已建光纤，监控中心服务器作为接入图像WEB服务器，通过控制摄像机进行灵活分组控制和现场视频观察。

3.3 软件建设和功能实现

用户按照系统提供的权限，可进入用户界面层或系统管理界面层。

用户界面层包括信息发布界面，用户权限监测界面，以及与其它外设的接口，为用户提供浏览和基本操作实施界面。

系统管理界面层面向拥有更高权限的系统管理人员和系统维护人员，分类管理灌区灌溉管理的日常业务工作，维护管理系统的安全运行，管理用户权限，日常数据库维护等[5]。

1）数据采集处理系统

用来采集水位、流量和闸门信息采集。根据采集管理系统要求，基于通信平台进行数据采集（图2）。

图2 数据采集与管理系统结构图

2）用水调度管理系统

用水调度管理系统是根据灌区工程的特点，综合运用数学模型、自动控制、地理信息系统等技术手段，依托基础自动灌溉数据采集系统，实现灌区工程自动化调度运行，提供优化调度决策服务，并考虑与地表水源及后期实施的其它灌溉工程的联合调度及信息接口。

配水调度管理系统组成如下图3所示，包括水量信息查询、用水申请及审批、配水方案编制管理、引水量统计、水量平衡计算、水量统计分析等功能以及水量调度模型开发。

图3 用水调度管理系统组成图

3）工程管理系统

工程管理系统是根据灌区灌溉设备管理的特点，对各种设备的信息化档案、日常巡查管理，设备运行状态的图文管理、各个灌溉站点实时灌溉工程进度管理及工程资料管理。

4）三维模拟.GIS地理信息系统

以二坝站、三坝站和四个渠首枢纽的三维模拟GIS地理展示系统，通过三维模拟GIS地理展示可以清楚地了解到渠道的走势、模拟出坝站闸门工况、渠道流量等情况[4]。直观地反映出配水调水的数据情况。主要包括三个方面的功能，它们是存储功能、综合分析功能和动态模拟和预测功能。

5）水费计收软件

水费计收管理系统主要是根据灌区各渠系分水口门的实际引水量和物价部门制定的水价，计算出应缴纳的水费，提供给水费管理部门实施征收。水费征收管理系统包括水价管理、用水户管理、水权证管理、水费计算、供水效益分析等。系统组成如下图4所示。

图4 水费征收管理系统组成图

4 结论

在新时代的灌区管理工作中升级以巴歇尔量水槽为代表的自动化灌溉采集设施，引入GIS，与通讯网络、数据采集系统以及灌溉管理专家系统等的联合应用，将数据库技术、GIS的空间信息管理和分析的功能揉合在一起，使灌区用水管理更加现代化和信息化。