巴歇爾量水槽在汾河灌溉灌區(qū)GIS管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

（山西水務(wù)集團(tuán)建設(shè)投資有限公司 山西太原 030001）

汾河灌區(qū)是全省最大的灌區(qū)，位于汾河中游的太原盆地，設(shè)有一壩、二壩、三壩三個(gè)取水樞紐，有著較為完整的灌排工程基礎(chǔ)設(shè)施，全灌區(qū)現(xiàn)有4級(jí)固定渠道（局部地區(qū)為5級(jí)固定渠道），共有各級(jí)灌溉渠道2 756條，總長(zhǎng)3 532.93 km，已有渠系建筑物10 695座。

汾河灌區(qū)用水管理按受益面積以畝配水，通過(guò)渠首控制，干、支渠為續(xù)水灌溉，斗以下渠系為輪灌管理。近年來(lái)灌區(qū)水資源供需矛盾十分突出，其中有水庫(kù)上游天然來(lái)水減少因素，但根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)，從汾河上游引水1億m3，到達(dá)灌溉農(nóng)田的中間消耗達(dá)0.62億m3，農(nóng)田灌溉用水利用率僅只有38%左右，灌區(qū)依靠人工進(jìn)行灌溉管理的傳統(tǒng)方式已落后[1]。

地理信息系統(tǒng)（GIS）和傳統(tǒng)的灌溉管理系統(tǒng)的結(jié)合，可科學(xué)管理與優(yōu)化調(diào)配灌區(qū)農(nóng)田灌溉和生活用水，減少過(guò)程水資源損失，其中控制和量測(cè)水量是科學(xué)的灌區(qū)用水管理核心[2]。用巴歇爾量水槽量水，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制各級(jí)斗渠道的放水流量，結(jié)合干渠和支渠水情監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各鄉(xiāng)、村用水量和各種作物的灌溉定額，避免配水不足或過(guò)多現(xiàn)象，為計(jì)劃用水和按水量征收水費(fèi)提供必要數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 巴歇爾量水槽（Parshall flume）測(cè)量原理

巴歇爾量水槽通常設(shè)在斗渠或農(nóng)渠渠首以下20～50 m處的水流平穩(wěn)渠段上，包括進(jìn)口收縮段、喉道、出口擴(kuò)散段和上下游水尺組成。

進(jìn)口收縮段底板保持水平，側(cè)墻與軸線應(yīng)成11°19′的擴(kuò)散角。量水槽上游水尺位置設(shè)在距喉道首端的進(jìn)口收縮段2/3處，下游水尺設(shè)在距喉道末端的進(jìn)口收縮段1/3長(zhǎng)度上游處，水尺零點(diǎn)高程均與進(jìn)口收縮段底板高程一致。量水槽上下游過(guò)渡段護(hù)底長(zhǎng)為槽底高P的函數(shù):上游護(hù)底長(zhǎng)L1=4P，下游護(hù)底長(zhǎng)L2=（6～8）P。

喉道底板的坡降為3∶8，喉道寬度在0.75 m以下且水流平穩(wěn)的量水槽，量水槽上下游水尺可設(shè)在側(cè)壁上。喉道寬度在0.75 m以上和水流不穩(wěn)的量水槽，應(yīng)在槽外設(shè)測(cè)量井。測(cè)量井底應(yīng)比槽檻低0.2～0.25 m，測(cè)量井與量水槽可用平置的金屬管或塑料管連通。

出口擴(kuò)散段底板的逆坡坡度為1∶6，側(cè)墻與軸線成 9°28′的擴(kuò)散角。

1）自由流計(jì)算公式:淹沒(méi)度S=h2/h1＜0.7

式中:h1——上游水尺讀數(shù)，m；

h2——下游水尺讀數(shù)，m；

W——喉道寬度，m。

2）淹沒(méi)流流量公式:淹沒(méi)度 0.7＜h2/h1＜0.95，按自由出流公式計(jì)算出來(lái)的流量Q，再減去按修正值ΔQ。

式中:ΔQ——流量修正值，m3/s；

S——淹沒(méi)度，其值為h2/h1。

2 灌區(qū)灌溉GIS管理系統(tǒng)

用水計(jì)劃管理工作是灌區(qū)管理工作的核心任務(wù)，汾河灌區(qū)GIS管理系統(tǒng)通過(guò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)將灌區(qū)所屬299處渠道水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和109處視頻監(jiān)控系統(tǒng)信息傳回管理局。其中以巴歇爾量水槽為核心的渠道水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將各個(gè)采集點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)地的分控中心顯示或者通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到信息中心，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及分析。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在需要保證運(yùn)行安全（工程設(shè)施安全和人身安全）的地點(diǎn)視頻監(jiān)控水情變化和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 渠道水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

斗渠水情監(jiān)測(cè)采用巴歇爾槽或梯形量水堰、磁致伸縮水位計(jì)和一體化閘門進(jìn)行測(cè)量，一體化磁致伸縮水位流量監(jiān)測(cè)終端直接安裝于巴歇爾槽量水測(cè)井內(nèi)。

普通支渠水情監(jiān)測(cè)采用普通多普勒法（適合寬20 m內(nèi)渠道）進(jìn)行測(cè)量，大型支渠首固定式超聲波多普勒流量計(jì)，用來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量支渠流量。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的攝像裝置，視頻監(jiān)視系統(tǒng)可以將現(xiàn)場(chǎng)的渠道水位信息實(shí)時(shí)圖像準(zhǔn)確、快速、清晰地傳輸?shù)叫畔⒎种行?，乃至位于遠(yuǎn)程的調(diào)度中心。主要用于有效監(jiān)控閘室內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)情況和巴歇爾量水槽等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、人員情況和工作秩序的管理。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在控制室進(jìn)行每班的遠(yuǎn)程巡檢工作，可大幅度降低巡檢人員的工作強(qiáng)度。并生成巡檢日志表，達(dá)到管理現(xiàn)代化、科學(xué)化。

3 灌區(qū)灌溉管理GIS系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)汾河灌區(qū)對(duì)水資源管理的現(xiàn)狀、具體要求和發(fā)展需要，灌區(qū)GIS系統(tǒng)總體架構(gòu)分為決策管理層、信息匯聚層、網(wǎng)絡(luò)通信層和信息采集層（圖1），可實(shí)現(xiàn)的功能如下:

圖1 總體構(gòu)架圖

1）系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中兼顧原有信息化系統(tǒng)的正常運(yùn)行與數(shù)據(jù)平滑過(guò)渡，原有的網(wǎng)絡(luò)通訊端口，即現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備參數(shù)基本保持不變，通訊信道不變，原有核心數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)不變，實(shí)時(shí)管理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[3]。

2）實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。建設(shè)實(shí)時(shí)灌區(qū)管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，信息采集層完成水位、流量數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、視頻信號(hào)等的采集。信息中心對(duì)氣象站點(diǎn)的預(yù)報(bào)天氣信息、地方工農(nóng)業(yè)供需用水信息、灌區(qū)各級(jí)測(cè)報(bào)站渠道水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總和存儲(chǔ)[3]。

3）構(gòu)建智能決策支持平臺(tái)。結(jié)合GIS空間分析功能和流域水文模型，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)和管理灌區(qū)供水，分析需水狀況，制定供水計(jì)劃。數(shù)據(jù)傳輸采用光纖通訊，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至分控中心（支所）和信息分中心（分局），將各類信息給決策管理者使用，分析和優(yōu)化配水路徑，擬定調(diào)控措施。

4）構(gòu)建閘壩安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)。采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和分析巴歇爾量水槽等的安全運(yùn)行狀態(tài)，為灌區(qū)灌溉關(guān)鍵設(shè)備的變形和可能被破壞情況提供及時(shí)直觀資料，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉主要設(shè)備安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。

5）管理自動(dòng)化。灌區(qū)灌溉調(diào)度系統(tǒng)的日常運(yùn)行管理工作（關(guān)鍵設(shè)備管理運(yùn)行日志、工作人員值班管理記錄、供水管理記錄管理等）基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化。

3.2 硬件建設(shè)

灌區(qū)灌溉調(diào)度系統(tǒng)分三級(jí)，調(diào)度中心站（一級(jí)站）設(shè)于管理總局，調(diào)度二級(jí)站設(shè)于各管理站、配水點(diǎn)及直屬單位，調(diào)度三級(jí)站設(shè)于各斗渠配水點(diǎn)、抽水站及田間觀測(cè)點(diǎn)。各站站之間通過(guò)有線電話或無(wú)線通訊，緊急情況下可越級(jí)上報(bào)調(diào)度中心站，并利用電信公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸[2，4]。

系統(tǒng)采用目前最成熟的模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為瀏覽客戶端系統(tǒng)和管理人員監(jiān)控中心，可以方便擴(kuò)容和接入其它設(shè)備，實(shí)現(xiàn)調(diào)度監(jiān)控一體化。通信介質(zhì)為已建光纖，監(jiān)控中心服務(wù)器作為接入圖像WEB服務(wù)器，通過(guò)控制攝像機(jī)進(jìn)行靈活分組控制和現(xiàn)場(chǎng)視頻觀察。

3.3 軟件建設(shè)和功能實(shí)現(xiàn)

用戶按照系統(tǒng)提供的權(quán)限，可進(jìn)入用戶界面層或系統(tǒng)管理界面層。

用戶界面層包括信息發(fā)布界面，用戶權(quán)限監(jiān)測(cè)界面，以及與其它外設(shè)的接口，為用戶提供瀏覽和基本操作實(shí)施界面。

系統(tǒng)管理界面層面向擁有更高權(quán)限的系統(tǒng)管理人員和系統(tǒng)維護(hù)人員，分類管理灌區(qū)灌溉管理的日常業(yè)務(wù)工作，維護(hù)管理系統(tǒng)的安全運(yùn)行，管理用戶權(quán)限，日常數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等[5]。

1）數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

用來(lái)采集水位、流量和閘門信息采集。根據(jù)采集管理系統(tǒng)要求，基于通信平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）用水調(diào)度管理系統(tǒng)

用水調(diào)度管理系統(tǒng)是根據(jù)灌區(qū)工程的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)模型、自動(dòng)控制、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，依托基礎(chǔ)自動(dòng)灌溉數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)工程自動(dòng)化調(diào)度運(yùn)行，提供優(yōu)化調(diào)度決策服務(wù)，并考慮與地表水源及后期實(shí)施的其它灌溉工程的聯(lián)合調(diào)度及信息接口。

配水調(diào)度管理系統(tǒng)組成如下圖3所示，包括水量信息查詢、用水申請(qǐng)及審批、配水方案編制管理、引水量統(tǒng)計(jì)、水量平衡計(jì)算、水量統(tǒng)計(jì)分析等功能以及水量調(diào)度模型開發(fā)。

圖3 用水調(diào)度管理系統(tǒng)組成圖

3）工程管理系統(tǒng)

工程管理系統(tǒng)是根據(jù)灌區(qū)灌溉設(shè)備管理的特點(diǎn)，對(duì)各種設(shè)備的信息化檔案、日常巡查管理，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的圖文管理、各個(gè)灌溉站點(diǎn)實(shí)時(shí)灌溉工程進(jìn)度管理及工程資料管理。

4）三維模擬.GIS地理信息系統(tǒng)

以二壩站、三壩站和四個(gè)渠首樞紐的三維模擬GIS地理展示系統(tǒng)，通過(guò)三維模擬GIS地理展示可以清楚地了解到渠道的走勢(shì)、模擬出壩站閘門工況、渠道流量等情況[4]。直觀地反映出配水調(diào)水的數(shù)據(jù)情況。主要包括三個(gè)方面的功能，它們是存儲(chǔ)功能、綜合分析功能和動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)功能。

5）水費(fèi)計(jì)收軟件

水費(fèi)計(jì)收管理系統(tǒng)主要是根據(jù)灌區(qū)各渠系分水口門的實(shí)際引水量和物價(jià)部門制定的水價(jià)，計(jì)算出應(yīng)繳納的水費(fèi)，提供給水費(fèi)管理部門實(shí)施征收。水費(fèi)征收管理系統(tǒng)包括水價(jià)管理、用水戶管理、水權(quán)證管理、水費(fèi)計(jì)算、供水效益分析等。系統(tǒng)組成如下圖4所示。

圖4 水費(fèi)征收管理系統(tǒng)組成圖

4 結(jié)論

在新時(shí)代的灌區(qū)管理工作中升級(jí)以巴歇爾量水槽為代表的自動(dòng)化灌溉采集設(shè)施，引入GIS，與通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及灌溉管理專家系統(tǒng)等的聯(lián)合應(yīng)用，將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GIS的空間信息管理和分析的功能揉合在一起，使灌區(qū)用水管理更加現(xiàn)代化和信息化。