渠道量控一体化系统在灌区明渠中的实用性研究

邓海龙，谢亨旺，刘方平，黄永忠

(江西省灌溉试验中心站 江西省农业高效节水与面源污染防治重点实验室，南昌 330201)

0 引 言

灌区量水是农业节水的一项基础性、关键性技术，对农业用水有效计量监测并提出数据是实行最严格水资源管理制度，推进农业水价综合改革发展，实现水资源高效、可持续利用的重要内容。当前，国内灌区明渠流量测量方法多以利用修建在明渠上的标准量水堰槽、水公共建筑物(闸门、涵洞等)或人工控制断面测量流量的水力学法为主，在取水计量监测的手段、方法及设备选型方面仍然存在数据提取、数据传输、数据分析等方面的技术难题。因此，迫切需要研究和推广自动化程度高、适宜性强、经济可靠的灌区明渠量测水系统。

1 渠道量控一体化系统技术组成

渠道量控一体化系统包括渠道量水模块和阀门控制模块。其中，渠道量水系统采用了梯形标准断面，配备水位计和测流仪监测设备，以实现对渠道用水的有效管控，见图1。阀门控制系统采用太阳能电源和电动装置，配用无线通讯接收系统，可在平板电脑遥控下启闭和测量；结合稻田节水信息化管理系统的操作功能，可实现对田间需水和渠道用水的联动管理，做到结合实际需求高效用水。

图1 渠道量控一体化系统结构Fig.1 Schematic diagram of channel quantity control integrated system

1.1 渠道量水模块

渠道量水模块主要由超声波时差法明渠测流仪和超声波水位计组成。量水模块由太阳能板供电，利用超声波水位计量测水位和安装在标准断面内的测速仪，建立整个流水断面的平均流速关系曲线，分析计算出断面的瞬时流量，通过插值和换算，可运算得到闸门开启后用水量，并显示在平板电脑终端，还可配合闸门控制模块完成对渠道用水的管控，具体见图2。

图2 安装示意Fig.2 Installation diagram

1.2 闸门控制模块

闸门控制模块包括电动一体式闸门和闸门控制元件。模块同样由太阳能供电，开启时通过继电器开关控制电动马达正向转动，达到最大开度后自动停转；关闭时控制电动马达反转，闸门完全关闭后马达停止转动。闸门控制模块可接入稻田节水信息化管理系统，通过PLC控制器完成自动开关，根据流量控制启闭和时长自动启闭等功能，实现对渠道用水的有效管控，具体见图3。

图3 渠道量控水一体化系统现场Fig.3 Field sketch map of channel volume and water control integrated system

2 应用示范区概况

应用试验示范区位于南昌县向塘镇高田村龚家自然村，距离向塘镇10 km，距320国道3.0 km，灌溉水源为江西省赣抚平原灌区二干渠。示范区面积约26.6 hm2，工程投资11.072 万元，每公顷投资为4 152 元/hm2。主要种植作物为水稻，区域内主要灌溉渠道为二干渠支渠大桥灌水渠的分水渠，全段长度约1.5 km。其中，桩号0+000～0+200 m，断面形式为梯形断面，上顶宽1.2 m，下底宽0.8 m，渠深0.7 m；桩号0+200～0+400 m，断面形式为梯形断面，上顶宽0.7 m，下底宽0.5 m，渠深0.5 m；桩号0+400～0+600 m，断面形式为梯形断面，上顶宽0.6 m，下底宽0.3 m，渠深0.4 m；桩号0+600～1+500 m，断面形式为梯形断面，上顶宽0.45 m，下底宽0.25 m，渠深0.4 m。

该示范区农田目前由种植大户承包经营管理，同时聘请2位农工进行日常田间管理，田块高低不平，灌溉时采取轮灌制度，并需在渠段内安装挡水堰，抬高灌溉渠道内的水位，来满足灌溉的需求。渠道斗口安装一套中型闸门，采用便携可移动平板电脑进行遥控启闭，太阳能电源供电。系统示范区布置见图4。

图4 渠道量控水一体化系统示范区布置Fig.4 The layout demonstration area of integrated canal volume and water control system

3 渠道量控一体化系统应用效果分析

3.1 量水精度分析

(1)渠道水位量测精度分析。本系统渠道水位量测设备选用XD-WSS超声波液位计，见图5。为检验测量设备自记水位数据的精度，在同一监测位置，通过人工比测的方法来进行相关分析。从表1数据分析结果可以看出，XD-WSS超声波液位计自计的数据与人工观测的数据相对误差范围为0%～2.17%，均在5%的控制范围内，见表1。XD-WSS超声波液位计自动测量的精度满足要求。

表1 人工观测数据与XD-WSS超声波液位计自记数据Tab.1 The manual observation data and XD-WSS self-recording data

图5 XD-WSS超声波液位计Fig.5 XD-WSS ultrasonic level meter

(2)实时流量监测精度分析。为了检验渠道量水系统在任何水位条件下量测数据的可靠性和准确性，在渠道内开展了不同水位条件下的流量测定比测分析工作。在同一监测断面，采用LS1206B型便携式流速仪进行人工比对测定(所测断面平均水深0.222 m、水面宽0.91 m、过水断面面积0.20 m2、最大水深0.32 m)。由表2可知：断面流量为0.047 m3/s、最大测点流速为0.301 m/s、平均流速为0.231 m/s。由表2和表3数据分析可以得出：渠道最大水深在0.32 m情况下，CMC-A型超声波时差法明渠测流仪测定的过水断面流量为162.35 m3/h，即0.045 m3/s，与LS1206B型便携式流速仪测定的流量数据(0.047 m3/s)绝对误差为0.002 m3/s，相对误差为4.25%，在精度范围之内。

表2 深测速记载及流量计算(畅流期流速仪法)Tab.2 The bathymetric records and flow calculation tables (open flow tachometer method)

表3 CMC-A型超声波时差法明渠测流仪的流量数据Tab.3 Discharge data of CMC-A ultrasonic open channel flow meter with time difference method

从表4数据可以看出：CMC-A型超声波时差法明渠测流仪在线测定的流量数据与人工采用LS1206B型便携式流速仪测定的流量数据比测误差在5%之内，精度满足要求。

表4 不同水深条件下的渠道流量测定分析 m3/sTab.4 The measurement and analysis table of channel discharge under different water level

3.2 量水稳定性分析

渠道量水控制一体化系统控制量水系统在2017年8月31日完成现场安装工作，9月7日、9月10日、9月11日、9月12日、9月25日，开展了渠道不同水位工况下的渠道水位～流量现场测定工作。各种水深情况下测定的水位～流量数据误差满足精度要求，且XD-WSS超声波液位计仪器设备运行稳定，在日常维护人员到位的情况下，闸门、水位监测设备、流速仪等设备在灌溉期间没有出现故障。

3.3 应用效果分析

示范区灌溉渠道应用渠道量控一体化系统后，采取间歇灌溉模式后，与农民传统灌溉管理模式相比，节约灌溉用水量达3.744 万m3，节约生产劳动成本0.25 万元，增收节支3.26 万元。

(1)节约用水效益。通过渠道量水控制一体化系统工程的实施，对项目的水情实现了动态掌握，提高配水用水效率，最大程度减少配水环节的弃水损失，有效降低灌溉用水量。

经测算，早稻减少灌水次数1次，节省灌水量11 040 m3，晚稻则减少灌水次数2次，节省灌水量26 400 m3，双季早晚稻全年节约灌水量37 440 m3，按水价0.05 元/m3计算，示范区全年可节约成本0.187 万元。

(2)节省劳动成本。据测算，示范区采用渠道量水控制一体化系统后，早晚稻全生育期灌水次数较2016年减少3次，灌水人员减少了2名，(改造前依靠聘请2名灌水员来负责，现在自己就可以完成示范区灌水工作)，单次灌水持续时间为3 d，农忙用工按17.5 元/h计算，折算后为140 元/d。示范区全年节省灌水劳动成本0.25 万元。

(3)增产效益。示范区应用渠道量控一体化系统后，较好地解决了示范区内串灌、漫灌和渠道内“常有水、浪费水”的现象，同时，对种植的水稻作物实行间歇灌溉水分管理模式，起到了控制水稻地上部株型的无效生长，提高了水肥利用的有效性，达到稻田节水增产、提质增效目的。据测算，早晚稻较2016年平均增产达439.65 kg/hm2，根据当年早晚稻最低市场保护价2.78 元/kg(平均市价)计算，增产效益达1 222.2 元/hm2，示范区全年新增经济效益达3.26 万元。

4 结 语

该系统目前已在江西省灌溉试验中心站高田实验基地和江西省赣抚平原灌区二干渠高田村龚家自然村灌片进行了示范应用，基本实现了灌区野外渠道水位流量在线测量，系统运行稳性，水情测报准确可靠，供水管理运作高效，田间灌溉效率明显提升。既节省了劳动成本，又提高了用水户用水知情权，增强了农民节水灌溉意识。为灌区灌溉管理部门能及时了解和掌握各渠道水位、流量、水量等信息，及时作出科学决策和有效管理提供技术支撑，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益，应用推广空间广泛。