彭思易 余學(xué)芳 謝林聰

(浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

為深入貫徹節(jié)水優(yōu)先方針，實(shí)施農(nóng)業(yè)用水總量控制和定額管理制度，需要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理，推進(jìn)節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理，這些都離不開農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱“利用系數(shù)”)這個(gè)指標(biāo)[1]。利用系數(shù)是評(píng)價(jià)灌溉渠系工程狀況和管理水平的一個(gè)重要指標(biāo)，它既反映了灌區(qū)各級(jí)渠道的滲漏損失，又反映了在管理過(guò)程中無(wú)益的水量損失。利用系數(shù)測(cè)算首先要知道田間作物的凈灌溉用水量，凈灌溉用水量需要在灌區(qū)內(nèi)選取典型田塊，量測(cè)田間作物的用水量，通過(guò)換算得到。田間凈灌溉用水量是衡量灌溉用水效率的重要參數(shù)指標(biāo)[2]，如何對(duì)灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行量測(cè)及控制對(duì)提高灌溉用水效率尤為重要[3]。

要精準(zhǔn)量測(cè)典型田塊作物的灌溉水量，需要設(shè)置計(jì)量設(shè)施。選擇的典型田塊一般要求位于末級(jí)渠道，由于末級(jí)渠道現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，典型田塊有可能存在邊界不清楚、形狀不規(guī)則、與灌區(qū)面積不協(xié)調(diào)，種植作物、進(jìn)水口不夠單一等情況，即便選出了典型田塊，但由于多是U形渠道，不便于在末級(jí)渠道設(shè)置簡(jiǎn)易量水檻或采用標(biāo)準(zhǔn)斷面量水，筆者在此之前提出了在田塊里設(shè)置量水檻[4]，但發(fā)現(xiàn)占地較大，且末級(jí)渠道距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)若采用人工讀數(shù)和巡檢的管理模式，存在著計(jì)量和管理上的弊端，需要積極構(gòu)建能夠自動(dòng)讀數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理、正確計(jì)量的一種智能測(cè)量系統(tǒng)，并且在灌水前要完成現(xiàn)場(chǎng)工作。

目前有些灌區(qū)采用機(jī)械水表量測(cè)田間作物用水。機(jī)械水表是利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成已知的體積單元，根據(jù)計(jì)量室逐次、重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流量的體積總量，具有成本低、簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但是無(wú)法解決山區(qū)距離較遠(yuǎn)需要到現(xiàn)場(chǎng)人工讀數(shù)的問(wèn)題。

基于此，本文提出了一種在典型田塊設(shè)置的超聲波水表智能量測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中被測(cè)管道內(nèi)無(wú)任何運(yùn)動(dòng)、阻流部件，無(wú)磨損，壓力損失小，靈敏度高，可檢測(cè)到流速的微小變化；同時(shí)，對(duì)被測(cè)介質(zhì)幾乎無(wú)要求，具有極寬的量程比；該水表具有精度高、功耗低等特點(diǎn)[5-6]；此外智能系統(tǒng)占地面積小，農(nóng)戶易接受，非常適合復(fù)雜條件下田間作物的灌溉用水計(jì)量。

1 超聲波水表智能系統(tǒng)組成

該自動(dòng)系統(tǒng)由管道、水表與水表井和太陽(yáng)能裝置三大部分組成。超聲波水表自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)平面示意圖見圖1，超聲波水表自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)立視示意圖見圖2，水表井平面圖和水表井剖面圖見圖3和圖4。

圖1 超聲波水表自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)平面示意圖 (單位:cm)

圖2 超聲波水表自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)立視示意圖

圖3 水表井平面圖 (單位:cm)

圖4 水表井剖面圖 (單位:cm)

1.1 管道

為了做到進(jìn)水可控，可在渠道內(nèi)管道進(jìn)口設(shè)置閥門，即每次灌水時(shí)將閥門打開，灌水結(jié)束后將閥門關(guān)閉。水管在取水口部分采用彎頭，保證取水，彎頭為口徑150mm的45°PVC管，彎頭底高程不高于渠道最低水位或與渠底齊平。水管在水表進(jìn)出口用口徑為150mm的45°PVC彎頭和管道相接，彎頭出水口底部盡量高出田面5cm，防止田里的水倒流。直管為口徑150mm的PVC管，直管與彎頭、直管與水表法蘭盤連接處涂膠水。

1.2 超聲波水表與水表井

超聲波水表主要由換能器、電子線路及流量顯示、累積等部分組成。超聲波水表采取時(shí)差法[7]對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，即在測(cè)量通道(管段)的上游和下游分別安裝一只超聲波換能器，用于相互之間超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收(見圖5)。由于超聲波信號(hào)與水流信號(hào)疊加，使聲波在順流和逆流時(shí)的傳播速度不同，順流方向傳播速度增大，逆流方向則減小，同一傳播距離有不同的傳播時(shí)間，因此不同的換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)在水中的運(yùn)行時(shí)間不同，通過(guò)測(cè)量該時(shí)間的差值可計(jì)算出流體的流速，然后再換算成流量，從而實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。

圖5 時(shí)差法超聲波水表測(cè)量示意圖v—水流速度；θ—超聲波的入射角；D—管道直徑；L—換能器1到換能器2的距離

在管道的上、下游分別安裝換能器1和換能器2，當(dāng)灌水時(shí)，水流通過(guò)管道，超聲波信號(hào)從換能器1向換能器2發(fā)射信號(hào)，此時(shí)為順流發(fā)射，順流傳播時(shí)間為T1，同時(shí)從換能器2向換能器1發(fā)射信號(hào)，此時(shí)為逆流發(fā)射，逆流傳播時(shí)間為T2。由于水流速度的影響，T1和T2不相等，存在一個(gè)時(shí)間差ΔT，最終通過(guò)ΔT計(jì)算出流量。設(shè)c為超聲波速度，A為管道的橫截面積，則T1、T2可以表示為

(1)

(2)

(Qc2≥v2cos2θ)

(3)

根據(jù)式(3)，流速為

則流量為

換能器將電能轉(zhuǎn)換成超聲波能量，并將能量信號(hào)發(fā)射到被測(cè)的水體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供顯示和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了流量的測(cè)量。

水表井采用磚砌形式，水表井尺寸為40cm×40cm×28cm。井內(nèi)側(cè)表面和外側(cè)表面全部用水泥砂漿抹面，上面加井蓋，保護(hù)超聲波水表，井蓋尺寸為46cm×46cm。圖3、圖4中尺寸標(biāo)注11.5cm為一塊磚的寬度。井底土壤應(yīng)夯實(shí)，在其上鋪厚2cm的水泥墊層，再在上面砌筑井底磚。

1.3 太陽(yáng)能裝置

太陽(yáng)能裝置主要由太陽(yáng)能板、設(shè)備箱和立桿組成。太陽(yáng)能板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心零部件之一，其作用是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負(fù)載使用或存儲(chǔ)于蓄電池內(nèi)備用。太陽(yáng)能板朝南以45°角安裝。

設(shè)備箱里有蓄電池、太陽(yáng)能控制器和遠(yuǎn)傳終端。太陽(yáng)能控制器是由專用型處理器CPU、電子元件、顯示屏、控制開關(guān)功率管等構(gòu)成。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能控制器的基本作用是為蓄電池提供充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電，并在充電過(guò)程中減少損耗、盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)記錄并顯示系統(tǒng)各種重要數(shù)據(jù)，如充電電流、電壓等。

蓄電池組是將太陽(yáng)電池方陣發(fā)出的直流電儲(chǔ)存起來(lái)供負(fù)載使用。白天太陽(yáng)能電池方陣給蓄電池充電,同時(shí)方陣給負(fù)載用電,晚上負(fù)載用電全部由蓄電池供給。因此,要求蓄電池的自放電盡量小，而且充電效率要高,同時(shí)還要考慮價(jià)格和使用是否方便等因素。

2 超聲波水表智能系統(tǒng)特點(diǎn)

a.超聲波水表采用管段式結(jié)構(gòu)，基本等同水管，不會(huì)發(fā)生內(nèi)部堵塞情況，被測(cè)管道內(nèi)無(wú)任何阻流部件，無(wú)磨損，壓力損失小。

b.超聲波水表量程范圍寬，可檢測(cè)到流速的微小變化，計(jì)量準(zhǔn)確度更高，靈敏度高，對(duì)被測(cè)介質(zhì)幾乎無(wú)要求。

c.超聲波水表采用非接觸測(cè)量，不受砂粒、空氣等雜質(zhì)的影響，對(duì)計(jì)量水質(zhì)無(wú)導(dǎo)電要求，同時(shí)幾乎不受流體黏度等因素的影響，使用壽命長(zhǎng)。

d.超聲波水表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，占用田塊面積小，農(nóng)戶易接受。

e.在后臺(tái)讀取數(shù)據(jù)方便，節(jié)省了遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)花費(fèi)的人力成本，提高了灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平。

f.雖然超聲波水表需要在滿管狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，但是農(nóng)田灌溉本身就是從水源放水進(jìn)行灌溉，不存在測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)非滿管流現(xiàn)象。

g.超聲波水表需要在滿管情況下測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性容易受到介質(zhì)中氣泡、雜質(zhì)等影響，安裝周邊如果有電場(chǎng)、磁場(chǎng)或安裝方式不對(duì)都會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種非末級(jí)渠道在典型田塊設(shè)置的超聲波水表智能量測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)；具有精度高、讀取數(shù)據(jù)方便，節(jié)省遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)花費(fèi)的人力成本，且占地面積小、農(nóng)戶易接受等特點(diǎn)，非常適合復(fù)雜條件下田間作物的灌溉用水計(jì)量。該智能量測(cè)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)計(jì)量田間作物灌溉水量，可以增強(qiáng)群眾節(jié)水意識(shí)，提升灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平，提高灌溉用水效率。