农田灌溉明渠水量计量方法与设备改进*

杨志成

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730400）

农业作为第一产业，对人们的日常生活以及社会经济的发展有较大影响，而灌溉对农业发展有直接影响，所以中外很多学者都对农田灌溉进行了研究，但针对农田灌溉明渠水量计量的研究相对较少，导致农田灌溉计量工作停滞不前。因此，在现有研究结果的基础上，分析农田灌溉明渠水量计量方法与设备的改进具有重要现实意义。

1 农田灌溉与明渠概述

1.1 农田灌溉

农田灌溉指的是为补充农作物所需水分所采用的技术措施，即用水灌溉土地[1]。加强农田灌溉可以有效解决自然降雨量不足等问题，有利于促进农作物生长，继而推动农业的长远发展。

1.2 明渠

明渠即具有自由表面水流的灌溉渠道，主要包括天然明渠与人工明渠这两种类型[2]。相比于其他灌溉渠道，明渠的水面会与大气接触、水流方向会受到重力等因素的影响，在农田灌溉中发挥着重要作用。

2 农田灌溉明渠水量计量方法

2.1 水工建筑物计量法

水工建筑物计量法指的是利用水尺检测水位，并根据水位变化特点计算明渠水量。在应用这种方法时，应先将水尺放置在合适的位置，之后观察建筑物放水后水位的变化情况，最后根据水位计算出明渠的流通水量。例如，计量人员可以借助启闭式闸涵或渡槽等建筑物进行水量计量，但需要根据所参考的建筑物选择合适的计算方法，以增强计算结果的准确性。

2.2 设备计量法

设备计量法是常用的明渠水量计量方法，多被应用在农田灌溉中没有建筑物或现有建筑物无法量水等情况中。常用的计量设备有量水槽、量水堰等，计量人员应根据实际情况应用这些设备，使水量计量结果更加准确。第一，准确应用量水槽。明渠水量计量中常用的量水槽包括巴歇尔式与无喉段式等类型，其中巴歇尔式量水槽主要包括出水段、喉道以及进口段等部分，计量精准性相对较高，且不会导致水头出现严重损耗，所以计量人员可以将其应用在流量为0.003 m3~56 m3的浑水渠道当中[3]。同时，在应用这种量水槽时，需要将其过流能力调整为自由出流，从而降低水量计算难度。而无喉段式量水槽主要是由出水段以及进口段构成，具备矩形断面与水平槽底，所以计量人员需要根据明渠水量计量需求判断是否应用这种量水槽。第二，准确应用量水堰。从实际情况来看，梯形量水堰与三角形量水堰更符合水量计量需求，且可以降低计量成本。计量人员可以将梯形量水堰应用在比降相对较大或含沙量较小的明渠中，将三角形量水堰应用在比降较大或跌差较小的明渠中，以增强计量的准确性。同时，量水堰本身就包括钢结构等内容，且含有砼基础，所以在应用时应根据明渠的大致流量明确量水堰的宽度。第三，准确应用量水喷嘴。量水喷嘴是由挡水板与管嘴构成的，其中管嘴包括正方形、圆形等多种类型，计量人员可以将正方形与圆形管嘴应用在比降较大、深度较大的明渠中，将长方形管嘴应用在比降较大且深度较小的明渠中[4]。

2.3 自计仪表与水尺计量法

首先，相比于其他计量设备，自由仪表的结构较为简单，操作方法也不复杂，为水量计量提供了新的思路[5]。因此，计量人员需要深入研究计量仪表，并将其应用在水量计量中，简化水量计量工作。其次，部分农田灌溉区域较为特殊，无法利用专用设备进行测流，而应用水尺可以解决这一问题，所以计量人员可以将水尺计量应用在工作中。但水尺计量结果的准确性相对较低，为此应通过有效手段解决这些问题。例如，计量人员可以在稳定性较强的顺值明渠中安装水尺，通过水尺检测水位变化情况。同时，可以将水尺与流速仪结合起来，掌握不同水位下的水流速度以及具体流量，之后根据检测数据绘制水位流量图，从而明确具体水量。

2.4 流速仪与浮标计量法

流速仪与浮标在明渠水量计量中发挥着重要作用，其中流速仪是测量水流速度的仪器，浮标是浮在水面上的航标，灵活应用这些工具可有效增强计算结果的准确性。首先，应用流速仪可以获取更加准确的数据信息，所以计量人员可以将其应用在没有水工建筑物或计量设备等情况中。但应用流速仪会消耗大量的时间，且会增加计量成本，所以在应用之前需要测量流桥的流水速度，并根据明渠断面设计流桥跨度，确保流桥跨度不影响明渠过流[6]，然后测量渠道断面与平均流速，根据测量数据计算渠道流量。其次，应用浮标有利于增强计量精准性并降低计量成本，计量人员应高度重视浮标的应用，并做好流速测量与流量计算等环节的工作。

2.5 电水转换法

电水转换法也是常用的明渠水量计量方法，主要是根据电能与水能的转换原理进行计量的。在应用这种方法时，应计算深井潜水电泵的耗电量，并根据电水转换系数计算灌溉适用量。一些学者对潜水电泵流量、功率以及扬程之间的关系进行了相应的研究，发现在功率不变的情况下，电泵的流量与扬程之间呈反比关系。同时，电能与水能之间的转换会受到转换系数的影响，而转换系数会受到潜水电泵埋深的影响，且二者之间呈反比关系。例如，若潜水电泵的埋深超过80 m，转换系数的平均值就是1.2；若潜水电泵的埋深为60 m~80 m，转换系数的平均值就是1.46；若潜水电泵的埋深为50 m~60 m，转换系数的平均值就是1.68[7]。因此，计量人员需要准确测量潜水电泵的埋深，根据实际埋深明确电水转换系数，之后根据转换系数以及不同参数之间的关系计量明渠水量。

3 农田灌溉明渠水量计量设备的改进策略

3.1 流量遥感计量设备的改进

流量遥感计量设备在水量计量中具有重要作用，可以采集更多准确的数据信息，为农业节水灌溉提供支持。相比于其他计量设备，流量遥感计量设备可以通过便携式流量仪器检测外来水量，而便携式流量测量系统中含有传感器以及变送器，可以进一步增强计量结果的精准性。同时，该设备的PCM 便携系统可以满足半管、满管等环节的流量测量需求。从测量原理来看，该测量设备可以将气泡以及颗粒物当作介质，并利用超声波测量介质的流速，最后根据介质流速计算水量[8]。但该设备还不够成熟，无法完全满足水量计量要求，所以需要加强设备改进，并根据设备测量结果调整灌溉工作。例如，该设备只适用于平原地区中落差比较小的农田灌溉区域，应用范围相对较小，所以需要改进设备的适用条件，扩大设备的应用范围。同时，在应用该设备时，应根据计算机系统采集的监测数据调整流量遥感计量设备的运行调度计划，并充分发挥干渠的输水作用，从而缩短轮灌时间。

3.2 水量计量器的改进

在微机技术以及电子技术不断发展的过程中，能够准确测量水位等参数的仪表越来越多，但能够准确测量农田灌溉明渠水量的仪表相对较少。例如，大多数测量仪表都以测量渠道流量以及水位为主，很少以测量水量为主。在这种情况下，某科学院研发了能够测量农田灌溉明渠水量的计量设备，该计量设备主要是由水位传感器、水量计、标准测流槽等部分构成。其中，水位传感器可以进行浮子非码盘绝对测量，水量计可以进行数据采集与处理[9]。灵活应用这种计量设备可以计算出明渠瞬时流量以及明渠累计水量，但该计量设备会受到环境等因素的影响，所以需要不断改进设备，进一步增强设备的可靠性。

4 构建农田灌溉明渠水量计量系统的策略

在信息化时代中，加强信息化建设有利于提高农田灌溉明渠水量计量的效率、降低计量难度，而构建信息化系统是加强信息化建设的关键手段。因此，在进行明渠水量计量时，不仅需要灵活应用各种计量方法与设备，也需要优化硬件设计与软件设计，从而构建完善的计量系统。

4.1 优化系统架构设计

在设计计量系统时，需要明确系统的整体架构，促进设计目标的实现。例如，可以将明渠计量系统分为监测现场、通信网络以及监测中心这三部分，确保监测现场可以利用水位计、测流堰采集明渠水位并通过数据采集终端将信息转变为流量信息，且可以利用雨量筒采集降雨量并将信息传输至数据采集终端；确保通信网络可以利用网络将数据信息传输至监测中心；确保监测中心可以接收、存储并展示水量等相关信息[10]。同时，需要将监测现场划分为数据采集终端、水位/流量检测设备、雨量检测设备、供电设备，将监测中心划分为服务器、计算服务软件、数据接收软件以及数据库，为后续工作奠定基础。

4.2 优化系统硬件设计

硬件是计量系统的关键构成部分，应加大对其的重视程度，并严格按照相关规定开展传感器设计、主控制器电路设计、信号采集模块电路设计等各个环节的工作，增强硬件设计的合理性。首先，传感器在计量系统中占据着重要地位，如果传感器设计存在问题就会影响计量准确性，所以需要应用毫米级别的数字式水位传感器，确保传感器能够准确采集数据信息。且在进行电路设计时，需要对多路检测电路的电压进行对比分析，之后通过微处理器进行科学调整。同时，在进行电路比较时，需要灵活应用电压比较器并输出相应的数字信号。此外，在进行主控制器电路设计时，需要选择符合水量计量要求与传感器需求的单片机，确保单片机的工作速度、性能、电压等各个方面都符合要求[11]。例如，可以选择MSP430 这一系列的单片机，增强系统的稳定性与可靠性。

4.3 优化系统软件设计

只有做好软件设计工作才能够应用计量系统，所以需要做好软件设计语言的选择工作、信息采集模块的设计工作、显示模块的设计工作。例如，在进行信息采集模块的设计时，需要根据传感器以及单片机的实际情况优化设计，确保单片机能够全面检查输出电路信号，并判断信号是否属于标准电平。同时，应确保单片机可以检查输入信号，增强工作准确性。

5 结语

在节能环保理念深入人心的背景下，只有加强灌溉用水控制才能够实现农业的可持续发展。但明渠灌溉用水量相对较大，需要在准确计量水量的基础上控制灌溉用水。因此，需要充分发挥水工建筑物计量法、设备计量法、自计仪表与水尺计量法、流速仪与浮标计量法等计量方法的作用，且需要不断改进水量计量设备并构建水量计量系统，使明渠水量计量向标准化、信息化等方向发展。