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        渠道量控一體化系統(tǒng)在灌區(qū)明渠中的實(shí)用性研究

        2020-10-09 11:36:30鄧海龍謝亨旺劉方平黃永忠
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2020年9期
        關(guān)鍵詞:閘門示范區(qū)超聲波

        鄧海龍,謝亨旺,劉方平,黃永忠

        (江西省灌溉試驗(yàn)中心站 江西省農(nóng)業(yè)高效節(jié)水與面源污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330201)

        0 引 言

        灌區(qū)量水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性技術(shù),對(duì)農(nóng)業(yè)用水有效計(jì)量監(jiān)測(cè)并提出數(shù)據(jù)是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度,推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革發(fā)展,實(shí)現(xiàn)水資源高效、可持續(xù)利用的重要內(nèi)容。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)灌區(qū)明渠流量測(cè)量方法多以利用修建在明渠上的標(biāo)準(zhǔn)量水堰槽、水公共建筑物(閘門、涵洞等)或人工控制斷面測(cè)量流量的水力學(xué)法為主,在取水計(jì)量監(jiān)測(cè)的手段、方法及設(shè)備選型方面仍然存在數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析等方面的技術(shù)難題。因此,迫切需要研究和推廣自動(dòng)化程度高、適宜性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)可靠的灌區(qū)明渠量測(cè)水系統(tǒng)。

        1 渠道量控一體化系統(tǒng)技術(shù)組成

        渠道量控一體化系統(tǒng)包括渠道量水模塊和閥門控制模塊。其中,渠道量水系統(tǒng)采用了梯形標(biāo)準(zhǔn)斷面,配備水位計(jì)和測(cè)流儀監(jiān)測(cè)設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道用水的有效管控,見圖1。閥門控制系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電源和電動(dòng)裝置,配用無線通訊接收系統(tǒng),可在平板電腦遙控下啟閉和測(cè)量;結(jié)合稻田節(jié)水信息化管理系統(tǒng)的操作功能,可實(shí)現(xiàn)對(duì)田間需水和渠道用水的聯(lián)動(dòng)管理,做到結(jié)合實(shí)際需求高效用水。

        圖1 渠道量控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of channel quantity control integrated system

        1.1 渠道量水模塊

        渠道量水模塊主要由超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀和超聲波水位計(jì)組成。量水模塊由太陽(yáng)能板供電,利用超聲波水位計(jì)量測(cè)水位和安裝在標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)的測(cè)速儀,建立整個(gè)流水?dāng)嗝娴钠骄魉訇P(guān)系曲線,分析計(jì)算出斷面的瞬時(shí)流量,通過插值和換算,可運(yùn)算得到閘門開啟后用水量,并顯示在平板電腦終端,還可配合閘門控制模塊完成對(duì)渠道用水的管控,具體見圖2。

        圖2 安裝示意Fig.2 Installation diagram

        1.2 閘門控制模塊

        閘門控制模塊包括電動(dòng)一體式閘門和閘門控制元件。模塊同樣由太陽(yáng)能供電,開啟時(shí)通過繼電器開關(guān)控制電動(dòng)馬達(dá)正向轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到最大開度后自動(dòng)停轉(zhuǎn);關(guān)閉時(shí)控制電動(dòng)馬達(dá)反轉(zhuǎn),閘門完全關(guān)閉后馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。閘門控制模塊可接入稻田節(jié)水信息化管理系統(tǒng),通過PLC控制器完成自動(dòng)開關(guān),根據(jù)流量控制啟閉和時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)啟閉等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道用水的有效管控,具體見圖3。

        圖3 渠道量控水一體化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Field sketch map of channel volume and water control integrated system

        2 應(yīng)用示范區(qū)概況

        應(yīng)用試驗(yàn)示范區(qū)位于南昌縣向塘鎮(zhèn)高田村龔家自然村,距離向塘鎮(zhèn)10 km,距320國(guó)道3.0 km,灌溉水源為江西省贛撫平原灌區(qū)二干渠。示范區(qū)面積約26.6 hm2,工程投資11.072 萬元,每公頃投資為4 152 元/hm2。主要種植作物為水稻,區(qū)域內(nèi)主要灌溉渠道為二干渠支渠大橋灌水渠的分水渠,全段長(zhǎng)度約1.5 km。其中,樁號(hào)0+000~0+200 m,斷面形式為梯形斷面,上頂寬1.2 m,下底寬0.8 m,渠深0.7 m;樁號(hào)0+200~0+400 m,斷面形式為梯形斷面,上頂寬0.7 m,下底寬0.5 m,渠深0.5 m;樁號(hào)0+400~0+600 m,斷面形式為梯形斷面,上頂寬0.6 m,下底寬0.3 m,渠深0.4 m;樁號(hào)0+600~1+500 m,斷面形式為梯形斷面,上頂寬0.45 m,下底寬0.25 m,渠深0.4 m。

        該示范區(qū)農(nóng)田目前由種植大戶承包經(jīng)營(yíng)管理,同時(shí)聘請(qǐng)2位農(nóng)工進(jìn)行日常田間管理,田塊高低不平,灌溉時(shí)采取輪灌制度,并需在渠段內(nèi)安裝擋水堰,抬高灌溉渠道內(nèi)的水位,來滿足灌溉的需求。渠道斗口安裝一套中型閘門,采用便攜可移動(dòng)平板電腦進(jìn)行遙控啟閉,太陽(yáng)能電源供電。系統(tǒng)示范區(qū)布置見圖4。

        圖4 渠道量控水一體化系統(tǒng)示范區(qū)布置Fig.4 The layout demonstration area of integrated canal volume and water control system

        3 渠道量控一體化系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

        3.1 量水精度分析

        (1)渠道水位量測(cè)精度分析。本系統(tǒng)渠道水位量測(cè)設(shè)備選用XD-WSS超聲波液位計(jì),見圖5。為檢驗(yàn)測(cè)量設(shè)備自記水位數(shù)據(jù)的精度,在同一監(jiān)測(cè)位置,通過人工比測(cè)的方法來進(jìn)行相關(guān)分析。從表1數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出,XD-WSS超聲波液位計(jì)自計(jì)的數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差范圍為0%~2.17%,均在5%的控制范圍內(nèi),見表1。XD-WSS超聲波液位計(jì)自動(dòng)測(cè)量的精度滿足要求。

        表1 人工觀測(cè)數(shù)據(jù)與XD-WSS超聲波液位計(jì)自記數(shù)據(jù)Tab.1 The manual observation data and XD-WSS self-recording data

        圖5 XD-WSS超聲波液位計(jì)Fig.5 XD-WSS ultrasonic level meter

        (2)實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)精度分析。為了檢驗(yàn)渠道量水系統(tǒng)在任何水位條件下量測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,在渠道內(nèi)開展了不同水位條件下的流量測(cè)定比測(cè)分析工作。在同一監(jiān)測(cè)斷面,采用LS1206B型便攜式流速儀進(jìn)行人工比對(duì)測(cè)定(所測(cè)斷面平均水深0.222 m、水面寬0.91 m、過水?dāng)嗝婷娣e0.20 m2、最大水深0.32 m)。由表2可知:斷面流量為0.047 m3/s、最大測(cè)點(diǎn)流速為0.301 m/s、平均流速為0.231 m/s。由表2和表3數(shù)據(jù)分析可以得出:渠道最大水深在0.32 m情況下,CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀測(cè)定的過水?dāng)嗝媪髁繛?62.35 m3/h,即0.045 m3/s,與LS1206B型便攜式流速儀測(cè)定的流量數(shù)據(jù)(0.047 m3/s)絕對(duì)誤差為0.002 m3/s,相對(duì)誤差為4.25%,在精度范圍之內(nèi)。

        表2 深測(cè)速記載及流量計(jì)算(暢流期流速儀法)Tab.2 The bathymetric records and flow calculation tables (open flow tachometer method)

        表3 CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀的流量數(shù)據(jù)Tab.3 Discharge data of CMC-A ultrasonic open channel flow meter with time difference method

        從表4數(shù)據(jù)可以看出:CMC-A型超聲波時(shí)差法明渠測(cè)流儀在線測(cè)定的流量數(shù)據(jù)與人工采用LS1206B型便攜式流速儀測(cè)定的流量數(shù)據(jù)比測(cè)誤差在5%之內(nèi),精度滿足要求。

        表4 不同水深條件下的渠道流量測(cè)定分析 m3/sTab.4 The measurement and analysis table of channel discharge under different water level

        3.2 量水穩(wěn)定性分析

        渠道量水控制一體化系統(tǒng)控制量水系統(tǒng)在2017年8月31日完成現(xiàn)場(chǎng)安裝工作,9月7日、9月10日、9月11日、9月12日、9月25日,開展了渠道不同水位工況下的渠道水位~流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定工作。各種水深情況下測(cè)定的水位~流量數(shù)據(jù)誤差滿足精度要求,且XD-WSS超聲波液位計(jì)儀器設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,在日常維護(hù)人員到位的情況下,閘門、水位監(jiān)測(cè)設(shè)備、流速儀等設(shè)備在灌溉期間沒有出現(xiàn)故障。

        3.3 應(yīng)用效果分析

        示范區(qū)灌溉渠道應(yīng)用渠道量控一體化系統(tǒng)后,采取間歇灌溉模式后,與農(nóng)民傳統(tǒng)灌溉管理模式相比,節(jié)約灌溉用水量達(dá)3.744 萬m3,節(jié)約生產(chǎn)勞動(dòng)成本0.25 萬元,增收節(jié)支3.26 萬元。

        (1)節(jié)約用水效益。通過渠道量水控制一體化系統(tǒng)工程的實(shí)施,對(duì)項(xiàng)目的水情實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掌握,提高配水用水效率,最大程度減少配水環(huán)節(jié)的棄水損失,有效降低灌溉用水量。

        經(jīng)測(cè)算,早稻減少灌水次數(shù)1次,節(jié)省灌水量11 040 m3,晚稻則減少灌水次數(shù)2次,節(jié)省灌水量26 400 m3,雙季早晚稻全年節(jié)約灌水量37 440 m3,按水價(jià)0.05 元/m3計(jì)算,示范區(qū)全年可節(jié)約成本0.187 萬元。

        (2)節(jié)省勞動(dòng)成本。據(jù)測(cè)算,示范區(qū)采用渠道量水控制一體化系統(tǒng)后,早晚稻全生育期灌水次數(shù)較2016年減少3次,灌水人員減少了2名,(改造前依靠聘請(qǐng)2名灌水員來負(fù)責(zé),現(xiàn)在自己就可以完成示范區(qū)灌水工作),單次灌水持續(xù)時(shí)間為3 d,農(nóng)忙用工按17.5 元/h計(jì)算,折算后為140 元/d。示范區(qū)全年節(jié)省灌水勞動(dòng)成本0.25 萬元。

        (3)增產(chǎn)效益。示范區(qū)應(yīng)用渠道量控一體化系統(tǒng)后,較好地解決了示范區(qū)內(nèi)串灌、漫灌和渠道內(nèi)“常有水、浪費(fèi)水”的現(xiàn)象,同時(shí),對(duì)種植的水稻作物實(shí)行間歇灌溉水分管理模式,起到了控制水稻地上部株型的無效生長(zhǎng),提高了水肥利用的有效性,達(dá)到稻田節(jié)水增產(chǎn)、提質(zhì)增效目的。據(jù)測(cè)算,早晚稻較2016年平均增產(chǎn)達(dá)439.65 kg/hm2,根據(jù)當(dāng)年早晚稻最低市場(chǎng)保護(hù)價(jià)2.78 元/kg(平均市價(jià))計(jì)算,增產(chǎn)效益達(dá)1 222.2 元/hm2,示范區(qū)全年新增經(jīng)濟(jì)效益達(dá)3.26 萬元。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        該系統(tǒng)目前已在江西省灌溉試驗(yàn)中心站高田實(shí)驗(yàn)基地和江西省贛撫平原灌區(qū)二干渠高田村龔家自然村灌片進(jìn)行了示范應(yīng)用,基本實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)野外渠道水位流量在線測(cè)量,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)性,水情測(cè)報(bào)準(zhǔn)確可靠,供水管理運(yùn)作高效,田間灌溉效率明顯提升。既節(jié)省了勞動(dòng)成本,又提高了用水戶用水知情權(quán),增強(qiáng)了農(nóng)民節(jié)水灌溉意識(shí)。為灌區(qū)灌溉管理部門能及時(shí)了解和掌握各渠道水位、流量、水量等信息,及時(shí)作出科學(xué)決策和有效管理提供技術(shù)支撐,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益,應(yīng)用推廣空間廣泛。

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