農(nóng)田灌溉明渠水量計量方法與設(shè)備的改進探索＊

李 鋒，李東海，劉 斌

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

在當前農(nóng)業(yè)灌溉水利工程中，農(nóng)田灌溉明渠水量計量方法較多，在具體應(yīng)用過程中，需要按照設(shè)計情況選擇對應(yīng)的計量方法，提高計量方法的針對性。在農(nóng)田灌溉明渠計量設(shè)備長期使用的情況下，計量設(shè)備功能性會有所下降，從而導(dǎo)致農(nóng)田灌溉明渠水量計量結(jié)果不夠準確的問題。因此，為了能夠獲取準確的農(nóng)田灌溉明渠水量計量結(jié)果，需要對計量方法進行優(yōu)化，并對計量設(shè)備進行合理改進，確保計量體系能夠滿足實際工作要求，對農(nóng)田灌溉水利工程建設(shè)具有重要的意義。

1 農(nóng)田灌溉明渠水量計量方法分析

農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作能夠為農(nóng)業(yè)用水調(diào)查提供資料，在灌溉水量補充、用水調(diào)配以及節(jié)約用水等方面具有重要的意義，所以需要選擇精準的計量方法，確保農(nóng)田灌溉明渠水量計量結(jié)果更加準確。根據(jù)當前農(nóng)田灌溉明渠建設(shè)實際情況來看，主要采用的計量方法如下。

1.1 設(shè)備計量方法

采用設(shè)備計量方法需要在農(nóng)田灌溉明渠中沒有建筑物的區(qū)域開展，將計量設(shè)備安裝在農(nóng)田灌溉明渠上游區(qū)域，且需要與上游建筑物保持至少30 m 的距離。在具體應(yīng)用過程中，農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備主要包括量水堰、量水槽等，量水堰為鋼結(jié)構(gòu)，下部分設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，量水堰上部分安裝水位標尺，當前主要采用的量水堰包括三角結(jié)構(gòu)和梯形結(jié)構(gòu)2 種不同類型，量水堰整體設(shè)備造價較低，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。量水堰和量水槽都具有較高的計量精度，且能夠在水流落差較大的農(nóng)田灌溉明渠中使用，其中梯形量水堰在水頭區(qū)域的損失量較少，所以更加適合在含沙量較少的農(nóng)田灌溉明渠中使用；在含水量較大的農(nóng)田灌溉明渠中，可以采用量水噴嘴，主要結(jié)構(gòu)包括擋水板和管嘴，長方形的量水噴嘴適合在較大的寬淺農(nóng)田灌溉明渠中使用。

1.2 電水轉(zhuǎn)換計量方法

電水轉(zhuǎn)換計量方法在農(nóng)田灌溉明渠中應(yīng)用時，通過電能和水能之間的轉(zhuǎn)換，利用農(nóng)田灌溉提水機械工具，能夠計算出深井潛水泵的耗電量、電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K等，從而得到農(nóng)田灌溉明渠的用水量。潛水電泵中流量、功率以及揚程之間的關(guān)系為N=2.73QH，其中，N為潛水泵的運行功率，Q為潛水泵實際運行效率，H為潛水泵的揚程。通過上述計算公式可以明確：在潛水泵功率一定的情況下，潛水泵流量和揚程之間具有反比關(guān)系，在不同揚程情況下，潛水泵的實際流量具有一定差異。電能和水量之間的轉(zhuǎn)換，主要受到電水轉(zhuǎn)化系數(shù)K的影響，電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K數(shù)值受到潛水泵的埋深影響，在潛水泵埋深深度超過80 m 的情況下，電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K的均值為1.2；在潛水泵埋藏深度在60～80 m 范圍時，電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K均值為1.45；在潛水泵埋深深度為50～60 m 的情況下，電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K均值為1.67。在電水轉(zhuǎn)換系數(shù)K指的變化規(guī)律中，深井潛水泵消耗電量為1 kW·h，出水量較小，揚程較大，反之揚程較小時，出水量較大，通過采用電水轉(zhuǎn)換計量方法，能夠得到準確的農(nóng)田灌溉明渠水量計算結(jié)果[2]。

1.3 流速儀計量方法

采用流速儀方法對農(nóng)田灌溉明渠水量進行計量時，能夠得到較為準確的計量結(jié)果，但是需要消耗的計量時間較多，且計算流程較為復(fù)雜，為此，流速儀計量方法大多應(yīng)用在無水工建筑的農(nóng)田灌溉明渠環(huán)境中。在具體應(yīng)用過程中，通過流速儀對農(nóng)田灌溉明渠的流速進行計量，需要在測流橋的配合下完成，通常情況下，測流橋?qū)挾仍?～3 m 范圍內(nèi)；在對農(nóng)田灌溉明渠的流速進行計量時，計量人員需要在人行便橋中選擇合適的斷面，并根據(jù)計量結(jié)果繪制出斷面圖，結(jié)合對斷面圖的分析，能夠獲取準確的計量結(jié)果。流速儀計量方法結(jié)果較為準確，且隨著與信息技術(shù)的融合，在農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作中的應(yīng)用更加廣泛。

2 農(nóng)田灌溉明渠計量設(shè)備改進方法分析

當前農(nóng)田灌溉明渠計量工作中，所采用的計量設(shè)備存在一定問題，基本為傳統(tǒng)的計量設(shè)備，且在長期應(yīng)用過程中會受到多種因素的影響，導(dǎo)致計量結(jié)果不夠準確，所以為了促進農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作更好地開展，需要采用更加科學(xué)的計量設(shè)備，為此本文結(jié)合實踐經(jīng)驗，提出如下多項計量設(shè)備改進方法。

2.1 流量遙感計量裝備改進應(yīng)用

在農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備優(yōu)化過程中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)水量精確化計量目標，為農(nóng)田節(jié)水灌溉提供支持，可以采用流量遙感的改進優(yōu)化方法。在對農(nóng)田灌溉明渠水量的監(jiān)測中，采用流量遙感計量設(shè)備。該設(shè)備采用便攜式和電源獨立的流量儀器實現(xiàn)計量工作，便攜式計量系統(tǒng)一般包括PCM 變送器與傳感器等，比如可以采用NIVUS 流量計量技術(shù)，在農(nóng)田灌溉明渠水量計量中具有良好的效果，且PCM 便攜式設(shè)備能夠在半管、滿管等環(huán)節(jié)中進行計量。流量遙感計量設(shè)備在應(yīng)用過程中，通過對計量通過水位截面積的計算，截面積的變化會隨著水位變化而改變，為了能夠計量出農(nóng)田灌溉明渠流速，可以將顆粒物或氣泡作為機制，保持顆粒物與氣泡的流速相同，采用超聲波計量方法獲取介質(zhì)的實際流速。在對流量遙測系統(tǒng)改進時，設(shè)計人員需要按照計算機系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對運行調(diào)度計劃進行實時調(diào)整，充分發(fā)揮出干渠的輸水能力，將實際輪灌時間縮短，從而能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約灌溉水資源的目的[3]。

2.2 農(nóng)田灌溉明渠水量計量器改進應(yīng)用

在電子技術(shù)與微處理器技術(shù)的快速發(fā)展下，將其應(yīng)用在農(nóng)田灌溉明渠水量計量裝備改進中，能夠全面豐富計量設(shè)備功能，主要方向是將計量設(shè)備賦予自動化功能，通過采用計量設(shè)備得到更加準確的計量結(jié)果。農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備主要包括水位計量傳感器、標準測流槽、水量計以及打印機等工程；水位傳感器的形式以浮子非碼盤絕對計量為主，依據(jù)一定的采集計量周期，對系統(tǒng)中的實施數(shù)據(jù)進行列表輸出。在對農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備的改進中，需要增加如下幾項功能。

計算功能。自動化計量設(shè)備中具有微型計算機，使得自動化計量設(shè)備的計算能力和數(shù)據(jù)信息處理能力得到了很大的提高，從而使自動化計量設(shè)備能夠處理更加復(fù)雜、更加龐大的工程數(shù)據(jù)，且計算結(jié)果的準確性得到了很大的提高。在農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作方面，經(jīng)常會遇到線性化處理、自檢自校、計量數(shù)值和工程數(shù)值的轉(zhuǎn)換以及抗干擾方面的問題，采用自動化計量設(shè)備中的微型計算機以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件能夠有效解決上述計算問題，不僅降低了農(nóng)田灌溉明渠水量計量中硬件設(shè)備的負擔，自動化計量設(shè)備還可以完成檢索、優(yōu)化等方面的工作，在計算功能方面的能力較為突出[4]。

編程功能。在計算機技術(shù)快速發(fā)展的背景下，計算機技術(shù)在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，尤其是在計量設(shè)備中，使得自動化計量設(shè)備可以編程，在計量設(shè)備中加入了計算機軟件，這些軟件可以實現(xiàn)對硬件邏輯電路的代替，從而使計量設(shè)備的許多性能都得到了提高。此外，在控制電路中，還可以實現(xiàn)相關(guān)接口芯片的有效利用，使自動化計量設(shè)備能夠?qū)?fù)雜的功能進行控制。

記憶功能。傳統(tǒng)計量設(shè)備所采用的電路是組合為邏輯電路和時序電路，所以計量設(shè)備中的記憶功能較為落后，記憶程度較低，只能夠?qū)r(nóng)田灌溉明渠水量計量過程中某些特定時刻的設(shè)備運行狀況進行基本記憶，但是隨著時間的變化，計量設(shè)備的工作狀態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)的改變，計量設(shè)備之前所記錄的數(shù)據(jù)和信息就會被新的信息所取代，所記憶的舊數(shù)據(jù)和信息就會消失，這會對農(nóng)田灌溉明渠水量計量造成很不利的影響，導(dǎo)致相關(guān)計量數(shù)據(jù)缺失。在微型計算機融合到農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備之中，通過微型計算機強大的存儲功能，可以對農(nóng)田灌溉明渠水量計量所有狀態(tài)下的信息和數(shù)據(jù)進行記憶，可以實現(xiàn)記憶數(shù)據(jù)永久保存。

2.3 農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備自動化改進

在農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作中，計量設(shè)備需要具有能夠測量明渠水位和自動化控制計量測量設(shè)備的功能。首先，通過對實際水位高度的把控，能夠更加明確當前農(nóng)田灌溉明渠的水量情況，對于農(nóng)田灌溉明渠灌溉等優(yōu)化具有良好的指導(dǎo)作用。在農(nóng)田灌溉明渠計量設(shè)備改造中，可以通過融合自動化技術(shù)，在自動化計量設(shè)備中加入人機操作借款，能夠提高計量設(shè)備操作便捷性。自動化控制水位設(shè)備在運行過程中，其運行狀態(tài)能夠通過人機界面顯示，人機界面的操作方式與控制方式為一體化，通過分組的方式，能夠完成更加精確的控制，從而轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的水位計量設(shè)備控制模式。在采用自動化控制計量設(shè)備時，通過人機界面進行控制，測量人員需要完成模擬圖繪制，并嚴格按照測量標準開展，工作人員需要制作能夠準確運行的模擬圖，并優(yōu)化信息處理、報警等環(huán)節(jié)的人機界面交互，從而提高人機界面的實用性，全面提升自動化控制水位計量設(shè)備控制效果，滿足農(nóng)田灌溉明渠測量過程中對于水位監(jiān)測的需要，自動化控制計量設(shè)備是提高農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作的重要基礎(chǔ)計量設(shè)備，所以需要根據(jù)實際情況選擇項對應(yīng)的自動化控制水位計量設(shè)備。

其次，在自動化控制計量設(shè)備中，計量和流量自動化設(shè)備應(yīng)用較為頻繁，自動化設(shè)備的型號選擇能夠直接影響各項數(shù)據(jù)的準確性，所以在改進計量和流量自動化設(shè)備時，需要保持科學(xué)嚴謹?shù)膽B(tài)度。在改進過程中，可以采用容積式自動流量設(shè)備或渦輪自動流量設(shè)備，能夠在污水以及砂石含量較高的農(nóng)田灌溉明渠水量計量中使用，通過與自動化技術(shù)的融合，將其應(yīng)用在農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作中，具有良好的應(yīng)用效果。

2.4 農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備改進主要方向

首先，農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備改進需要向精簡化方向發(fā)展，通過融合微型控制機的方式，使設(shè)備較為輕巧。通過計算機軟件代替了相關(guān)的硬件，在很大程度上降低了硬件設(shè)備的負擔，使得計量設(shè)備更加簡單化便捷化，結(jié)構(gòu)精簡化是未來計量設(shè)備發(fā)展的必然趨勢和主要方向。其次，農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備需要向精準化方向改進和發(fā)展，計量設(shè)備和計算機的結(jié)合，使得其有了強大計算能力，可以實現(xiàn)多次快速的測量和記錄，從而有效提高了計量設(shè)備的精準度。此外，在微型處理器的支持下，計量設(shè)備能夠排除多項干擾因素，降低干擾因素對計量設(shè)備測量結(jié)果準確性的影響，使計量設(shè)備能夠?qū)y量結(jié)果的誤差進行高效的修正，從而得到更加準確的水量計量結(jié)果，所以在改進過程中，必須采用能夠提高計量結(jié)果準確性的改進方式，以此促進農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作開展。

3 農(nóng)田灌溉明渠水量計量系統(tǒng)整體設(shè)計優(yōu)化

通過上文的分析可以明確，計量方法以及計量設(shè)備會對農(nóng)田灌溉明渠水量計量工作產(chǎn)生直接影響，所以在明確計量方法和計量設(shè)備的改進方式后，需要將其充分結(jié)合，從而構(gòu)建完善的農(nóng)田灌溉明渠水量計量系統(tǒng)。首先，在硬件設(shè)計方面，硬件主要包括傳感器、主控電路、電源模塊、信號采集模塊以及通信接口電路等，其中傳感器硬件是一項關(guān)鍵設(shè)備，需要選擇毫米級別的數(shù)字式水位傳感器，能夠獲得更加準確的農(nóng)田灌溉明渠水量數(shù)據(jù)，從而為后續(xù)的自動化計算打下基礎(chǔ)；在自動化設(shè)備應(yīng)用過程中，通過傳感器收集的農(nóng)田灌溉明渠水量數(shù)據(jù)，比如流量、流速等，按照編程程序進行計算與分析，通過自動化計算得到相應(yīng)的計量結(jié)果，并將計量結(jié)果進行儲存。其次，在軟件程序設(shè)計方面，包括編程語言、信息采集設(shè)計以及顯示設(shè)計，在毫米級的數(shù)字式水位傳感器中，采用MSP340F14 單片機實現(xiàn)，單片機只要檢查輸出電路信號，則能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的信息采集與傳輸，從而實現(xiàn)農(nóng)田灌溉明渠水量計量全過程自動化。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文簡要分析了幾種常用的農(nóng)田灌溉明渠水量計量方法，并對農(nóng)田灌溉明渠水量計量設(shè)備的改進方法進行優(yōu)化，最后提出一項農(nóng)田灌溉明渠水量計量系統(tǒng)設(shè)計方案，希望能夠?qū)χ袊r(nóng)田灌溉明渠水量計量工作起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高計量工作效率與結(jié)果準確性。