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摘要：智慧灌区中核心工作是实现用水量的精细化。通过流量监测站等信息化感知技术，实现灌区用水量监测、统计、预警、调度等工作的数字化、自动化。最终实现灌区农业水价综合改革、高效节水和智慧配水。然而，由于灌区灌溉渠道绵延纵横且环境多样化，在有限的政府资金投入下，难以建立健全完善的信息化监测手段。因此，如何将自动流量监测站与人工流量观测站进行数据相关性分析，是节约智慧灌区投资且提高灌区量测水信息化覆盖的关键技术。

关键词：智慧灌区；自动流量监测；人工水尺；农业水价综合改革；高效节水；信息化

智慧灌区是随着现代化农业水利发展下，一个集高标准农田建设、水利工程建设、高效节水灌溉建设、农业水价综合改革建设以及智慧农业水利信息化建设等多内容的新理念。智慧灌区随着科技进步，也呈现出动态的发展过程，大力发展智慧灌区（灌区信息化）是实现农业水利现代化和乡村振兴的基础和重要标志。

截至2020年底，我国农田有效灌溉面积达到10.37亿亩，在约占全国耕地面积一半的灌溉农田上生产了全国75%的粮食和90%以上的经济作物。灌区是农业和农村经济发展的重要基础设施，是我国农产品的重要生产基地，我国大中型灌区是保障粮食安全的主战场，粮食单产高于全国平均水平，全国大中型灌区生产的粮食约占全国总量的50%[1]。

我国是水资源相对短缺的国家，从水资源占比来看，我国农业灌溉用水量占据首位，大约占全国水资源利用率的60%以上。据统计，我国有大中型灌区目前我国大中型灌区共有7 880余处，但传统灌区由于缺少精准计量设施以及工程建设陈旧等问题，灌溉水利用系数是普遍较低的，大中型灌区灌溉水利用系数不足0.6[2]。

随着国家对灌区现代化建设的高质量要求，国内大部分中大型灌区已经陆续开展智慧灌区信息化建设，尤其灌区水量计量设施建设则是智慧灌区建设的首要目标[3]。

基于国家对现代化灌区节水优先的政策要求，智慧灌区需要进一步提高用水数据测量的数字化和信息化，提升灌区智能监测水平[4]。为全面实现节水型智慧灌区的建设目标，国家已经出台了一系列关于推进智慧灌区现代化改造的政策措施，按国务院办公厅《关于推进农业水价综合改革的意见》国办发【2016】2号及水利部《关于开展农田水利设施产权制度改革和创新运行管护机制试点工作的通知》【2014】287号、国家发改委《关于印发全国大型灌区续建配套节水改造实施方案（2016-2020年）的通知》发农经【2017】889号等要求，灌区需要高度重视量测水信息化建设工作，在主要的干支渠需要安装用水计量设备，实现对灌区用水的在线用水计量统计， 并建立智慧灌区信息化软件平台及农业水价综合改革量测水系统平台[5-6]。

目前，灌区常用的流量监测方式主要有自动流量观测和人工流量观测两种[7]，其中，自动流量监测站主要是采用雷达式、超声波式、多普勒式等流量传感器采集量明渠流量，以太阳能+可充电电池方式或市电供电，通过遥测终端，实时采集量测水数据并定时将数据发送至数据库并存储，并通过软件平台查阅调用当前及历史数据。自动流量站的优点是具备远程测报、无人值守、实时监测、持续工作可同时测量流速、水位、流量的特点；其缺点是价格昂贵，后期维护成本高，仅用于测量干渠或主要支渠，难以测量较窄斗渠，难以对全灌区范围进行量测水。

人工流量观测站是通过人工水尺，在具有标准断面的渠道或堰槽处，采集某一个时间点的水位，并通过手持流速仪测量当前水速，通过水位、流速、断面关系，人工计算某一个时间点的渠道过水流量。其优点是造价低廉、免维护、适用于涵盖干、支、斗渠；其缺点是需人工观测水位，并需要结合手持流速仪测量流速后，方可计算流量，不可持续测量，仅能测某一时间点瞬时流量，无法计算用水总量以及某一时段水流量。

本研究是根据灌区现代化建设的政策要求，通过智慧灌区信息化建设，在灌区干渠合理安装自动流量监测站并实现支渠人工流量监测全覆盖量。从而对灌区灌溉用水进行精准测量，围绕智慧灌区发展要求以及灌区中心工作和业务需求，充分利用新一代自动流量监测技术以及人工观测技术相结合，构建灌区用水总量控制数字化、灌溉用水精细化的智慧灌区灌溉运行体系。安装依据是灌区规模范围、用水需求情况和工程投资情况，合理确定流量观测站安装位置及数量。最终，将自动流量监测数据与人工观测数据进行数据相关性分析，通过相关性分析，用实时测量的自动流量监测站采集数据用于推算人工流量监测站结果，通过该方法，可实现人工观测与自动观测站的关联，将人工观测情况下仅能测量瞬时流量，提升为可以计算时段累积流量。极大程度解决了人工观测流量数据难的问题。

1 材料与方法

1.1 试验材料

所用仪器设备及软件系统：

（1）自动流量监测站（超声波式），包含：超声波流量传感器、遥测终端（RTU），太阳能供电系统、通讯物联网卡、支架等

（2）人工流量观测站（人工水尺桩），包含：水尺桩，手持流速仪，RTK（Real time kinematic，用于测量高程，经纬度，断面计算）等

（3）灌区用水计量在线监测系统

1.2 数据调查方法

1.2.1自动流量监测站数据调查方法

自动流量监测站采用太阳能供电，能够在野外全天候自动工作，主要是针对渠道水位、流速、流量进行在线自动监测。根据使用需要，可以定时将测量数据发送至数据库，由用水计量软件系统进行数据展示分析。本研究将自动流量监测站的数据上报频率设定为每10分钟一次。同时，兼容远程加密召测。

本研究在水库下游总干渠，1干渠渠首、渠中（主要分支渠下游10-20m处），2干渠渠首、渠中，中干渠渠首、渠中部署分别安装7台自动流量监测站，用于实时并持续测量各位置瞬时流量及用水总量。

1.2.2人工流量观测站的安装调查方法

采用人工水尺用于测量瞬时水位，并结合手持流速仪，定时测量各渠道流速，结合渠道断面，计算出支渠瞬时流量，并记录计量时间。

本项目涉及主要分水闸10处，合计10处主要支渠，具体安装于各支渠渠首具备标准断面且水流稳定位置部署安装，另外，沿干渠每1千米部署安装1套人工水尺，通过流量差额核减计算水损。本研究合计部署50套人工流量观测站。具体安装示意如图1所示

1.2.3通过建立灌区用水计量在线监测软件平台自动采集量测水数据

灌区用水计量在线监测系统是智慧灌区的核心，系统以“云平台+大数据+微应用”为总体思路，将自动流量监测站数据进行汇总，展示，分析并形成报表，可显示干渠流量的瞬时及历史累积数据。如图2所示：

通过自动流量监测站实时及历史数据，与各支渠人工观测数据对比分析，形成流量关联曲线。当需要统计灌区范围内所有干、支渠用水量数据并计算用水总量时，可以通过干渠流量监测站数据，对应干支渠流量关系曲线，可计算分析得出各时段各人工观测站流量数据。如此便可以极大减少人工观测的人员投入，且可以有效提升测量效率和测量精度。

2 数据分析

2.1 分析方法的线性关系

以支渠人工观测流量数据为y轴纵坐标，以干渠自动流量监测站的流量数据为x轴横坐标，绘制流量关系曲线。为增加线性关系准确度，趋势线选择多项式。

人工流量观测站与自动流量监测站的标准曲线与相关关系如表1所示：在合理的布点原则和对比分析下，人工流量观测站与自动流量监测站在数据上呈良好的线性关系。

2.2 分析方法的准确度

本研究做数据相关性分析时，每条支渠的人工观测站均选择与邻近的自动流量站做参照，比如1干渠1支渠，选择如1干渠渠首自动站的数据相关联，而1干渠3支渠，则选择与1干渠渠中自动站的数据相关联，这样做的目的是尽量排除渠道渗漏导致的水损量对数据结果的干扰性。这表明本研究关于自动流量监测站折算人工水尺观测站流量技术达到了较高的准确性，如图3所示。

3 结论

智慧灌区建设的根本是信息化和数字化，通过对灌区水量的在线计量是指导灌区现代化改造，推进高效节水措施，实现农业水价综合改革的必要措施。国家发改委、水利部、农业部等部门均出台一系列措施和资金支持灌区信息化建设，尤其是大中型灌区续建配套与节水改造、高标准农田建设、农业水价综合改革等项目也相继实施[8]。然后我国耕地面积广泛，灌区建设时间较早，基础设施落后，在有限的资金投入下，难以对灌区实现全面的自动化监测，这就导致数据监测量较少、监测点片面，难以真实反映出灌区的真实用水总量以及相关用水户用水量。

要实现灌区渠道量测全覆盖，尤其是各支渠的用水量是必须监测到位。如果仅在干渠测量，那么灌区用水总量控制、水权定额管理就是空谈。只有通过对自动流量监测站与人工流量观测站的优缺点进行分析、加以利用、取长补短，可以在有限的资金投入下，才能对灌区整体的用水总量及配水调度数据进行全面监测，在实现水资源高效利用、用水总量控制的同时，提升灌区生产效率和节水能力。同时，可以为高效节水灌溉提供核心数据支撑，整体推进高标准农田建设，整体推进农业水价综合改革，促进粮食产量稳步提升，同步改善灌区水生态环境，助力灌区管理从粗放型、经验型向数字化、智能化迭代升级。

参考文献：

[1] 索滢，孟彤彤，马海峰，刘得俊，王忠静. 水联网智慧灌区节水灌溉技术综合水效率评价研究[J].灌溉排水学报，2021，40（7），138-144

[2] 谢崇宝.大中型灌区取用水量测控设施计量能力提升探讨[J]. 农村水利水电. 2022 （1）.52-55

[3] 张庆华，白玉慧，倪红珍. 节水灌溉方式的优化选择[J]. 水利学报，2002， 33（1）： 47-51

[4] 雷波，刘钰，杜丽娟. 灌区节水改造环境效应综合评价研究初探[J]. 灌溉排水学报， 2011， 30（3）： 100-103

[5] 齐学斌，庞鸿宾. 节水灌溉的环境效应研究现状及研究重点[J]. 农业工程学报， 2000， 16（4）： 37-40

[6] 陈向阳. 物联网技术在农业节水灌溉管理系统中的应用研究[J]. 山西水利科技2022年，02（36）：62-68

[7] 孙丽玲.辽宁省农业水价综合改革计量模式探究[J]. 黑龙江水利科技.2021.11（29）：31-34

[8] 涂晶晶，陈伯浩，肖怡璇，温慧霞. 东莞市小型灌区农业用水计量及农业供水成本核算初探[J]. 广东水利水电.2023（1）：88-92

肖丽华（1976年3月），女，湘澧，本科，高级工程师，澧县水利局从事规划设计工作，13575212130

通信作者：王鹏 287871536@qq.com、农业水利工程中级农艺师；农学硕士