1.2 灌区测流自动化概述

1946年美国福特公司的机械工程师D.S.哈德最先提出了“自动化”一词。自动化（Automation）作为一个通用的工程名词，可以定义为：机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的预期要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期目标的过程。随着自动化技术的不断发展和改进，自动化技术广泛应用于各行各业，如工农业、军事、交通、商业、军事、科研等领域。近年来，随着科学和计算机技术的快速发展，灌区测流自动化设备及系统不断涌现，加快了灌区信息化建设的步伐。

1.2.1 灌区测流自动化的研究意义

我国的灌区量水信息化于20世纪50年代开始建设，至20世纪90年代以后发展迅速，灌区测流自动化的研究意义重大。

1.我国节水农业必走之路

水资源作为战略性资源，世界各国高度重视，在未来的发展中，水资源堪比石油昂贵。我国水资源相对贫乏，年平均降雨量约为648mm，与全球陆地平均降雨量800mm相比少20%，其中56%的降雨通过蒸发而损失，41%的降雨形成径流。我国水资源总量大，约为2.81万亿m³，占全球水资源的比例为6%。2010年第六次人口普查数据显示，我国人口总量为13.4亿，占世界人口总量的19.4%，受人口基数大的影响，使得我国人均占有水量仅为2200m³，北京、天津、河北、山西、上海、江苏、山东、河南、宁夏等9个地区的人均占有水量不足500m³。中国的水资源、人口及耕地面积南北分布差异较大，长江流域及其以南地区人口占中国人口总数的54%，耕地面积仅为全国总面积的36%，但水资源量高达81%；北方人口占46%，耕地面积为全国总面积的64%，水资源量仅为19%。水资源、人口及耕地面积的分布不均衡加剧了我国水资源紧缺状况，节水灌溉势在必行，灌区精准测流灌溉对解决水资源短缺作用不可忽视。作为农业大国，农业用水是我国的用水大户，多年农业的平均用水量占到总用水量的80%左右，随着工业生产的迅速发展和城市化进程的加快，农业用水的比重在下降，而且随着社会的不断向前发展，行业用水之间的竞争将越来越明显，节水农业成为今后农业必走之路。农业用水中的灌溉用水量高达86%，农作物的生长很大程度上依赖于灌溉，尤其在北方，受特殊地理位置和气候条件的影响，大部分的农业生产依赖于灌溉，没有灌溉就没有农业。但是我国的灌溉水利用率低下，利用系数仅为0.5左右，和发达国家的0.7～0.8相比差距较大，浪费了本就紧缺的水资源。各地区存在不同程度的水资源浪费现象，农业节水潜力大，而灌区的测流自动化对我国农业节水具有巨大的推动作用，能加快我国节水农业的进程，做到水资源的合理配置，改善农业水环境。

2.推行节水灌溉的有效措施之一

我国灌区现常用的量水方式主要有水工建筑物量水、特设量水设备量水、仪表类流量计量水、流速仪量水四种，但各有以下不足：

（1）水工建筑物量水对水工建筑物的外形要求较高，建筑物本身或者附属的调节设备建筑必须符合相应标准；水流为淹没出流时，上下游临界淹没度不得大于0.95，必须有足够可利用的水头或水流通过水工建筑物时的水头损失小于5cm；水工建筑物不得低于过流时的最高水位，避免危及建筑物安全，量测精度不能满足要求。

（2）特设量水设备量测时需考虑到量水设备的流量测幅是否与渠道流量变化范围一致，及对渠道杂物的抗干扰能力。在选择站址时，应综合考虑渠道和上下游其他建筑物分布情况，需将特设量水设备修建在可以最大可能地有效消除特设量水设备与其他建筑物之间不利影响的安全区段。特设量水设备在建造时可能出现尺寸不规范，不能保证量测精度。

（3）仪表类流量计量水由于价格昂贵，主要用在实验室或少数部位作相关系数率定，在灌区目前并没有大范围的推广。

（4）流速仪量水法测流及流量计算不但费时费工，而且对施测断面所在渠段的要求较高，易受泥沙冲击及杂物的影响，往往不能完全满足要求。

灌区现常用的量测技术受自身使用条件的限制，不能满足结构简单、便于施工、省时省工、水头损失小、量水精度高、不易受泥沙及杂物干扰、经济实惠等要求。而灌区测流自动化的发展，引进先进的水量量测设备和技术，可以弥补传统测流技术的不足，合理配置水资源，提高灌区量水精度和工作效率，有力的推进节水灌溉的实施。

3.提高灌区管理水平

随着水资源短缺形势的日趋严峻，灌区量水对促进节约用水和灌区科学化的管理作用逐渐得到人们重视。而我国幅员辽阔，灌溉面积居世界第一，灌区量水设备和技术相对落后。长期以来，我国的水利工程“重建轻管”现象严重，大部分灌区量水设施不完善，缺乏统一的技术指导，精度较低，主要量水设施应用在干支渠上，对于斗农渠上的水量计量很少。形成了在大尺度上水量计量较为精确，而分散到用水户的水量难以准确量测的情况，群众对量水精度不放心，供水单位与用水户矛盾时有发生，水价的杠杆作用难以充分发挥，这与灌区的用水情况不相适应。在大多数的井灌区，水量计量依然沿用面积或灌溉时间折算的方法，甚至采用水费折入电费一起收取的办法，不但量水精度差，而且水资源管理权限不明确，给水费的征收造成很大的困难。有些地方存在吃大锅水现象，用水户节水意识不强，政府的监管跟不上。而灌区测流自动化技术的应用可以有效的解决量水不准问题，为水费征收等提供合理的凭证，提高农民节水意识以促进灌区节约用水的实施，为灌区的有效管理提供平台，以提高灌区的管理水平。

4.灌区自动化测流是灌区信息化建设的有机组成体

随着信息化不断融入水利行业，现代化的水利信息管理逐渐得以实现，灌区测流自动化是实现灌区信息化乃至水利信息化的重要基础。灌区要实现信息化管理，需采用现代化的科技手段对灌区信息进行采集、传输、存储、处理及反馈等。截至目前，除少数新建或改建的灌区测流自动化程度相对较高或得以实现之外，大部分地区仍沿用传统的量水设备和量水方法，阻碍了我国水利行业现代化的发展。因此，推广现代化的量测设备，加强灌区测流技术自动化的建设，对我国水利事业的发展具有积极的推动作用。

1.2.2 灌区测流自动化的主要应用技术

随着科学与计算机技术的不断发展，灌区测流自动化逐步实现，灌区通过将计算机、网络、遥感、遥测、通信、电子、自动控制、激光、多媒体等先进技术进行不同的组合，形成适合于各灌区实际情况的测流技术和灌溉管理系统，有效的提高了灌区的测流精度、灌溉效率和管理水平。灌区测流技术依据数据所处阶段的不同，大致分为数据采集、数据传输、数据处理与反馈等三个方面。

1.2.2.1 数据采集

1.传感器

灌区测流的数据采集包括水位、流速、流量、闸门开度等数据的采集。近年来，灌区测流数据采集方面发展迅速，除采用传统的测流技术和方法外，通过将先进的量测设备与计算机技术的组合，发展了新型自动化的测流技术，为灌区测流自动化的实现奠定了坚实的基础。在水位信息采集方面，主要采用浮子式水位传感器、压力式水位计、超声波水位计、触点式水位计等技术；流速、流量方面主要采用的技术有：机械转子式流速仪、水文遥测终端、ADCP过河测流技术、红外线流量计、感应式电子数字水位流量计、超声波流量计、电磁流量计、智能微功耗明渠流量计、转轮式流量计等。为实现灌区全面自动化的管理，部分灌区除测定水位、流速、流量等基本信息外，同时采用自动气象站收集当地实时气象信息（降水量、降水历时等），用TDR、智能中子水分仪、MP-406水分仪等技术对土壤水分墒情等信息进行实时监测。

2.A/D转换器

模数信号又简称ADC，可将模拟信号转换为数字信号的电子元件。在灌区测流中，A/D转换器把传感器或其他设备获取的电压或电流信号转换为数字信号，以便将数据远程传输至特定的数据管理中心。

3.单片机（Single-ChipMicrocomputer）

在一个集成电路芯片上集成了中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序储存器ROM或EPROM、各种I/O接口等，形成了一个微型计算机，称为单片机。单片机具有性价比较高，控制功能强，集成度高、体积小、可靠性好，低压、低功耗，开发周期短、易于商品化的特点。单片机以其优越的性能特点，被广泛应用于国民经济建设，军事等众多领域。在灌区中，智能仪表中的单片机提高了测量精度，简化了仪器结构，使仪器便于使用、维护和改进；在实时自动控制方面，将测试技术、自动控制技术和单片机结合，充分发挥了数据处理和实时控制功能，提高了工作效率；在多机分布式系统中，单片机可以作为系统中的终端机，对灌区现场信息进行实时测量和控制。

4.太阳能

我国的大部分灌区地理位置偏僻，交通不便，电力供应差，通过架设电路以提供电源成本过高，不便于管理。而太阳能作为可再生资源，资源丰富，可就地获取，既无运输成本，对环境也没有污染。故太阳能供电方式可为灌区提供电源，尤其是给低功耗的仪器提供电源，通过太阳能给蓄电池充电的方式将转换的电能保存在蓄电池中，供给仪器，为灌区数据的实时采集提供了可靠的保障。

5.多媒体技术

多媒体技术可综合处理图像、声音、动画、视屏、数据、文字等信息，促进了人与计算机的友好交流。在灌区各测站点，把单片机与多媒体技术组合，将灌区实时数据整合在一定的交互式界面上，为灌区管理和农民提供直接、方便的数据阅读。此外，多媒体技术广泛用于灌区测流的实时模拟和显示方面。

1.2.2.2 数据传输

随着通信技术的发展，灌区传统的资料及数据传递方式逐渐被现代的传输方式取代，尤其是在计算机技术、网络技术、卫星通讯、遥感、遥测、单片机等技术的不断发展的推动之下，灌区信息的传递速度、准确性得到了有力保障，显著的提高了灌区的应急应变能力，实现了灌区水资源的优化调度和保证了建筑物的安全运行。

1.计算机网络

计算机网络的不断发展，灌区数据的及时传输、处理和反馈效率显著的提高。实现了数据的共享、文件交换及电子通讯。网络是由两台及以上的互联计算机组成，按照网络类型的不同，主要分为局域网（LAN）、广域网（WAN）、城域网（MAN）。

（1）局域网。局域网可以理解为被限制在一个房间、一栋楼或一组相邻的建筑物内的计算机网络。局域网适合于短距离的通信，不适合于长距离的通信。在成本较低的情况下，利用距离优势实现了高传输速率。

（2）广域网。这是一项相对复杂的网络技术，需要使用多路复用器将局域网和城域网接入Internet全球通信网。延迟时间在10毫秒到几百毫秒之间。广域网的覆盖区域较局域网广阔，可以将众多的楼房，城市乃至不同的国家连接在一起。广域网有公用和专用之分，一般的广域网都属于公用网络，公共网络具有经济实惠的优点，专用网络是使用公共传输设施和专有的交换设备组建的网络。专用网络具有安全、可靠性好的优点，但是需要承担采购交换设备和传输设施成本，价格昂贵，在灌区使用中有一定的限制。

（3）城域网（虚域网）。城域网是介于局域网和广域网之间的网络。一般主要在本地图书馆和政府机关连接居民和民间产业，或在大学之间进行教学和科研。

2.数据传输

数据传输的方式可以分为有线传输和无线传输两种，灌区可依据具体情况选择适宜的传输方式。

（1）有线传输方式。有线传输方式优点是可靠、信号不易受干扰或被截获、数据传输准确、保密性好、快捷。缺点是受地形因素的影响较大，在不便于管理和施工环境下，铺设难度大；受传输线路的限制，灵活性差；一次性铺设费用较高，建设周期长。为节约投资和管理费用，可以通过租用公共线路免去铺设费用，但需要支付租用经费。介于有线传输方式以上的缺点，其在灌区实际应用上受到限制，尤其在远距离、地形条件复杂的情况下不适用。有线传输可以分为公用电话线、通信电缆、光纤。

1）公用电话线。利用公用电话系统实现终端之间、计算机之间、终端与计算机之间通信的网络。主要由计算机中心子系统、数据通信网络、数据终端组成。采用话音频带数据传输方式，在线路接通之后，由频带调制解调器转换数据信号完成数据的传输。利用电话线在灌区进行数据通信，是经济有效的途径。

2）通信电缆。把相互绝缘的芯线包裹在外护套中，按照实际需要敷设在空中、地下、水底等不同空间位置。它具有结构紧凑、可提供较多回路的特点。

3）光纤。利用近红外线区域波长1μm左右的光波作为信息的载波信号，把数据、电视、电话等电信号调制到光载波上，再通过光导纤维传输信息的一种方式。其传播介质可以是大气、真空、光纤或者光波导。优点有：传输容量大，损耗低、中继距离长，不怕电磁干扰、保密性好，节省大量的有色金属，质量轻、便于安装运输，耐潮、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐辐射。但是光纤在施工中的切断和连接较为麻烦，半径不宜过小。

（2）无线传输方式。无线传输方式近年来发展迅速，在用户经常移动、用户分布较为分散、不宜敷设线路的恶劣环境中较为实用。无线通讯方式的优点为结构简单、建设方便、成本低廉、低耗能。基于无线传输的优点，在灌区应用较广，无线传输将是以后灌区主流数据传输方式。常用的无线通信方式有卫星通信、数传电台、GSM短信息、WebGIS、GPRS、CDMA、扩频通讯（散射、短波、激光通信以及卫星、微波等）、3G等。

1）卫星通信。卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展而来。可以定义为：设置在地球上的无线电通信站之间利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电波，在两个或两个以上地球站之间进行的通信。具有覆盖面广、容量大、性能稳定、传输距离远、不受地理条件的限制、组网灵活等多重优点。但也有通信时间长、易受外部条件的影响、存在星蚀和日凌中断现象等缺点。介于其多重优点，在水利行业应用前景较好。

卫星通信系统的组成空间段主要以通信装置为主体，同时还包括卫星控制中心（SCC，Satellite Control Center），跟踪、遥测和指令站（T&amp；C，Telemetry and Command），以及能源装置。通信卫星主要是对发来的信号起到中继放大和转发的作用，依靠通信装置中的转发器（微波收信机、发信机）和天线得以完成。地面段包括全部的地球站，所有的地球站可通过一个地面网络或直接连接到终端用户设备。地球站将发射的信号传输到卫星，再从卫星上接收信号。

2）数传电台（radio modem）。数传电台包括短波、微波中继通信等。数传电台又称无线数据传输电台，借助DPS技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台，采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能。它在某些特殊条件下给专网提供实时、可靠的监控信号的数据传输，具有安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远等优点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合。①短波（超短波）通信系统，短波系波长10～100m、频率3～30MHz的无线电波。短波通信通过空间利用电离层与地面之间的反射传送电波和进行信息传递。②微波中继通信，当通信距离较大或为曲面时，为实现数据的远程传输和减少数据的传输过程中损失，需要在每隔50km的距离处设置中继站，放大电波进行转发和延伸的通信方式。由终端站、中继站、分路站及枢纽站四部分组成。

3）GSM短信息（Global System for Mobile Communications）。全球移动通信系统，是目前国内覆盖最广、系统可靠性最高，话机保有最大的数字移动通信系统。属于第二代的蜂窝移动通信技术。主要由移动站、基站子系统、网络子系统三部分组成。基站子系统（简称基站，BS，Base Station）由基站收发台（BTS，Base Transceiver Station）和基站控制器（BSC，Base Station Controller）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC，Mobile Switching Centre），操作维护中心（OMC，Operation and Maintenance Centre）以及原籍位置寄存器（HLR，Home Location Register）、访问位置寄存器（VLR，Visitor Location Register）、鉴权中心（AUC，Authentication Centre）和设备标志寄存器（EIR，Equipment Indentity Register）等组成。

移动台（MS）是公用GSM移动通信网中用户施用设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中唯一的设备。一般的移动台由车载台、便携式移动台及手机组成。基站子系统是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送、收接和无线资源的管理。同时可以实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。

4）WebGIS。这又称“网络地理信息系统”或“万维网地理信息系统”，是集计算机、网络、测绘、地理学、空间科学、信息科学和管理科学于一体的综合性学科，是一项应用Internet技术来扩展和完善传统地理信息系统的新技术，是在地理信息系统中嵌入HTTP和TCP/TP标准的综合应用技术体系。当前常见的WebGIS体系结构大多是基于B/S（浏览器/服务器）模式的地理信息系统，从逻辑上分为三层：客户端（浏览器端）、服务器层（Web应用服务器和GIS地图应用服务器）、数据层（属性和空间数据库）。

5）GPRS。GPRS作为一种新型的传输模式，完全弥补了数传电台传输模式可靠性差、精度低、成本高的特点，利用GSM移动通信网络覆盖范围广泛的特点，即使测点分布分散数据也能通过GSM网络基站进行稳定的传输到服务器，且传输计费方式以流量为单位，不受SMS短消息模式中70个字节的影响，弥补了短消息条数计费的缺点。完全可以实现数据实时、高精度、高可靠性、低成本的传输。另外，GPRS还具有全双向的运作模式，实现了间隙收发，永远在线功能。即只有在系统运行且有数据传输时才占用系统资源。并采用IP技术，下位机可集成多种其他传输技术，使其比较容易实现了客户端到终端、广域的无线IP连接模式，扩展功能强大。

6）扩频通信。扩频通信主要由中频单元和射频单元组成，扩频通信的频率范围在900～1000MHz。抗干扰能力强，传输速度快、准确性高、功率小、保密性高，但不适于大城市的通信。主要用于点少，速率要求高的场合。

7）CDMA（Code Division Multiple Access）。基于扩频技术，将具有信号带宽的信息数据，利用带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，放大原始数据信号的带宽，从而经过载波调制并发出去的技术。CDMA技术最早仅使用在军事领域，美国高通公司1989年将其商业化之后发展迅猛。由于其采用高频段谱资源、宽带射频信道，支持高速率业务，实现多业务、多速率传送，快速功率控制，采用自适应天线及软件无线电技术。在灌区，该技术被广泛应用。

8）3G技术（3^rdGeneration）。3G技术是支持数据高速传输的蜂窝移动通信技术。将无线通信与互联网等多媒体通信技术相结合所生成的新一代的移动通信系统。该通信系统能够处理图像、音乐、视频流等多种形式的多媒体，同时提供了网页浏览、电子商务、电话会议等信息服务。依据所处环境不同提供不同的传输速度，室内为2Mbit/s、室外为384kbit/s、行车时为144kbit/s。

1.2.2.3 数据处理及反馈

1.计算机技术

计算机是能够高速、精确、自动地进行科学计算及信息处理的设备。由硬件和软件两部分组成，近年来，计算机无论是硬件还是软件方面发展迅速，成为各行各业必备设施，在计算机硬件的基础上，学者们研发了适合于各个领域的软件系统。灌区也不例外，通过将计算机与相应设备、软件及多媒体技术结合，可实现灌区数据量测、记录、传输、处理及反馈于一体的自动化管理，显著的提高了工作效率和改善了工作环境。

2.集成电路

集成电路是把所需要的半导体、电阻、电容等元件及其相互之间连接的导线全部集成在一块小硅片上形成具有一定功能的电路，焊接封装在一个管壳内的电子器件。其具有体积小、轻便、可靠性强、寿命长、成本低、性能好等优点，被广泛应用在计算机、遥控和通讯方面。在灌区计算机、数据传输等方面被广泛应用。

3.自动控制技术

自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装备使被控制的对象自动地按照预定的规律运动或变化，对被控制对象的工作状态自动控制的系统称为自动控制系统。将计算机与控制理论结合，形成的计算机控制系统可以实现灌区数据的实时采集、决策和控制，自动控制技术可作为获取动态数据的最佳方式，不但提高了灌区的工作及管理效率，而且减轻了人为操作的繁重体力消耗、改善了人员的工作环境，避免了人为的重复劳动，见图1-1。

1.2.3 灌区测流自动化的国内外发展现状

1.2.3.1 国外发展现状

国外发达国家灌区管理朝信息化、高效化方向发展，形成了“信息采集→分析加工→指导实践→信息反馈”的管理流程。由水信息管理中心、用水信息采集传输系统、用水数据库、灌溉水管理系统、灌溉渠系自动化监控系统等主要成分组成。尤其在美国、加拿大、澳大利亚、法国、日本等国家，采用计算机技术对渠系输配水进行控制，在水管理中普遍使用地理信息系统、自动控制技术、系统工程技术、信息技术、计算机等技术，实现了水资源的优化调度和合理配置。在水文数据的采集方面，普遍采用卫星空间技术、遥感、遥测、巡测等技术。

（1）重视基础数据管理。灌区管理部门高度重视灌区基础数据，灌区渠系、闸门、水文测站、用水户等的数据主要由计算机管理，存储在文件或数据库中。

（2）灌溉系统的自动化程度高。国外滴灌、管灌系统的自动化程度整体较高，某些渠道灌溉自动化程度不高的主要原因是因为自动化闸门造价过高，且在野外恶劣环境下工作时可靠性得不到保证。美国曾对渠系自动化进行试点研究，通过建立自动闸门等自动控制设备进行水量的分配，提高灌溉系统的自动化程度，受资金限制没有全面展开。美国加州大学灌溉培训与研究中心曾在美国的部分灌区试验过不需要电子和动力设备的水力自动闸门，造价比较低，效果也很好。

（3）高级的软件系统发达国家在灌区灌溉管理方面研发了一些通用软件。国际粮农组织（FAO）组织研发的CROPWAT系统可以为制定灌溉计划提供参考，该软件具有庞大的气象数据库CLIMWAT，它包含了144个国家3262个气象站的气象资料。同时，国际粮农组织为提高灌溉计划的管理水平，开发了灌溉计划管理信息系统SIMIS，该系统是一个通用的、模块化的系统，具有适用性强、多语言和简单易用等优点。该系统除了包括有关水的问题以外，还可以提供日常管理活动，如控制维护、结算、水费和其他相关任务。澳大利亚农业产量研究机构（APSRU）研制了APSIM系统，系统通过一系列互相独立的模块（如环境模块、生物模块、管理模块等）来展现被模拟的灌溉系统，这些模块之间被一个通信框架（也称为引擎）连接。美国佛罗里达大学针对佛罗里达州的农业特点开发了AFSIRS系统，用户可以根据作物类型、土壤情况、灌溉系统、生长季节、气候条件和管理方式等诸多变量，估计出对象区域的灌溉需水量。该系统收集了佛罗里达州9个气象观测站的长期观测资料，在佛罗里达州得到了广泛应用。

1.2.3.2 国内发展现状

我国灌区测流自动化的发展和国外相比较，发展相对滞后，自动化程度相对较低。近年来，随着我国对灌区测流自动化的重视，资金的不断投入，技术上的不断突破，使我国灌区测流自动化及信息化得到了较好的发展，主要体现在新型量水设备的研发、新型设备在灌区的实际应用、灌区测流自动化系统及相关系统的研发等方面。

1.自动化量水设备研发方面

在我国科研工作者及相关人员的共同努力之下，我国灌区新型量水设备的研发取得了骄人的成绩。

早在1988年苏逸深设计了一种新型的便携式渠道自动测量量水计，该量水计适合于低水头、小流量渠道量水，可巡回观测渠道瞬时流量和某一时段内累积水量。

陈梦华（2002）研制了灌区自动量水仪表，该方法是将传统量水方法与现代CMOS集成电路技术相结合的产物，由水位传感器和主机电路组成。

杜明华（2002）利用仪器根据示踪物电导相关法进行测流的原理、基本结构以及应用，提出了智能流量仪的设计方法。

张义强（2002）在平底、圆弧进口，矩形断面结构的文丘利量水槽的基础上（江苏沙河灌区水科所研制），对其结构进行了部分改造，同时加装了自己研制的“IC卡”式自动测流仪，实现自动连续测流。该设备不仅水头损失小，而且精度好，自动化程度高。

谢崇宝（2004）根据我国灌区输水系统的特点和现有的管理水平，研制开发的WR-2000-W型自记式量水仪表具有低功耗和智能型的特点，可直接与现有的大多数在灌区用水管理中使用的各类一次测量仪表相连接，而且可直接驱动一次仪表工作，较长期地工作在无交流电环境中。同时为满足用水管理单位对水流监测的不同需求，该设备提供连接多种通讯方式的多功能接口，从而实现水情数据的实时监测和实时记录、定期采集等多种水管理模式。

刘鸿涛（2008）就机翼形量水槽的量水测流原理和结构形式作了研究，得出了机翼形量水槽流量计算公式，分别在甘肃省引大入秦工程总干渠矩形渠道和内蒙古河套灌区沙壕渠试验站一斗渠U形渠道上进行试验验证。通过与其他测流方式进行对比分析，认为机翼形量水槽实际应用时量水精度符合量水规范要求并且满足实际应用条件。分析机翼形量水槽与水位自动监测系统配合使用情况，认为机翼形量水槽实时监控水量连续性好、灵敏度高，是一种适用于灌区现代化管理的新型量水槽。

郝红科（2009）开发了压力传感器式U形渠道自动测流仪。研制出的U形渠道自动测流仪可实现瞬时测量，定时测量，同时可实现信息下载传输，具有体积小，交直流两用，观测方便，测量范围大，精度较高，性能稳定，操作简单，储存量大等特点。自动测流仪内部采用整装线路板，两块大规模集成电路进行数据处理，结构简单，运行可靠，同时考虑到灌区的实际情况，在仪器内置5V干粉免维护蓄电瓶一块，保证在电源断开时能够正常持续工作2小时。

李军等（2010）研发了山区小流量渠道的自动计量系统装置，该系统装置利用渠道水流驱动微型水流发电机涡轮发电的原理，为系统提供能量补给，同时通过与单片机技术联合，可以实现灌区水位、流量信息的采集，弥补了太阳能供电、直流电点源及蓄电池点源的不足。

2.自动化量水设备在灌区实际应用试验研究

因各灌区实际情况的有所差异，在灌区测流技术投入使用之前，需进行试验研究，以便选择适宜的测流技术，以避免不必要的资源浪费。因此，学者们就不同灌区测流技术的选择应用进行了研究。

刘宏云等（2008）基于内蒙古河套灌区末级渠道量水现状，研究认为文丘利流量计适合于该灌区末级渠道的自动化量水，可以解决该灌区坡降缓慢、水位变化频繁、泥沙含量大及漂浮物多的实际情况。

杨红玲（2008）在山东省昌乐县高崖水库灌区和日照水库灌区，就超声波流量计和流速仪测流在明渠中的测流结果做对比，超声波流量计与流速仪两种方法测得流量数据的线性相关系数r=0.902～0.954，相关性较好，因超声波流量计具有精度高，不影响渠道水流状态，数据实时监测、传输及处理均有显著的优势，建议在大型灌区信息化建设中大力推广超声波流量计。

张晓斐（2009）就梯形渠道机翼形量水槽进行了试验及应用研究，在内蒙古河套灌区与鄂尔多斯黄河南岸灌区实际应用，证明了其实用性，误差在5%之内，水头损失小，结构简单，便于施工。是适合于平原灌区使用、适合梯形渠道上测流的新型量水设备，有较好的推广应用前景。

王志强（2009）研究表明WFH-2型细井式遥测水位计在黄羊河灌区的应用效果较好，提高了灌区的量水精度和工作效率，实现了灌区水位流量的实时监测和控制。

张川（2010）在河套灌区治丰示范区就文丘利量水槽、机翼形量水槽、便携式无喉道量水槽在不同级别渠道上进行了测流精度比较的试验研究。通过与流速仪测定结果作对比分析，认为均能满足测量精度的要求，指出了各自的优缺点，通过给文丘利量水槽添加底坎的设计，使得其可以应用于农渠上的量水。

3.量水标准方面研究

针对我国量水标准不统一，学者们就不同渠道的量水标准进行了研究，为我国灌区测流的标准化提供依据。

肖宏武（2005）以陕西关中灌区为研究对象，提出了U形渠道的量水标准管理模式、U形渠道测流槽的标准化制造方法及明渠自动化测流系统的基本思路。为陕西关中灌区准确、公平、合理的量水提供标准。

胥维纤（2010）在内蒙古河套灌区和杭锦旗黄河南岸灌区，就机翼形量水槽标准化试验与应用做了研究，实践证明该量水槽适合于平原灌区末级渠道上测流，具有结构简单、测流结果好的优点。将机翼形量水槽与超声波传感器、测流仪表和无线传输设备等先进仪器结合起来，可实现灌区测流自动化。

4.灌区管理系统的研发方面

近年来，我国在灌区测流自动化系统、水费征收系统、综合管理系统等方面的研究取得了突破性的进展，加快了灌区的信息化建设步伐和水利信息化的进程。

周树春（2004）研究了计算机监控技术在灌区渠首枢纽工程管理中的应用，在广州市流溪河灌区大坳渠首枢纽进行了自动化系统实际运行应用。系统利用自动量水技术、闸门自控技术、大坝安全监测技术、电站监测技术、视频数码监测技术等技术对流溪河灌区大坳渠首枢纽进行多目标监测，并采用计算机网络技术把监测数据及原有的水质监测系统、三防遥测系统等进行有效整合，实现数据网络化管理和多目标优化。

宋培卿（2004）研究了适合于如海灌区三联分灌区的节水灌溉自动化远程控制系统，采用GPRS进行数据采集和传输。

兀伟（2005）对明渠自动化测流系统进行了研究，探讨GSM短信息、短信息网络结构、短信息分类及传输过程、短信息发送和接受、短信息的发送和接受AT指令，指出了基于GSM短信息灌区流量测流系统结构框架，研制出流量测量仪器和传感器。该系统具有水位的自动采集、自动传输、计量计费、统计报表以及用户结算等特点，同时依据当地情况提出了浮盘式水位传感器。

王玉华等（2005）分析了岩马水库灌区测水量水系统自动化改造的可行性。认为岩马水库仅需要设一座中继站即可满足遥测数据的传输要求；利用超声波流量计测流，太阳能供电方式供电；闸门自动控制系统安装闸位传感器、闸门开度控制仪，利用附近网电供电。在满足节省投资、数据采集准确、科学的基础上，系统还能够保证在各种气候、自然条件下都能正常运行。

薛福强（2005）设计了灌区流量测量仪（RTU）硬件、水量计量系统数据库、上位机软件，研发了基于短信息的灌区水量水费计征系统，对系统的实际运行监测认为运行良好。

杨东（2006）对石羊河流域西营河自流灌区水利信息化系统进行探讨，建立了灌区水雨情自动测报系统、水库大坝安全监测系统、灌区自动量水系统、灌区闸门自动控制系统、重要枢纽安全监视系统等，并通过对各子系统进行有机整合，提高了灌区自动化水平。在现有信息系统基础上开发了上层应用系统，为实现石羊河流域综合治理目标，创建了现代化的有效管理平台。

李玉平（2006）开发了节水灌溉智能决策与管理专家系统。系统主要由知识库、数据库、人机界面、解释机构和推理机等部分组成，知识库与推理机相互独立，扩充性很强；系统还将农业专家系统与多媒体技术、^*.EXE等类型的外部对象相集成，系统具有直观、形象、人机交互界面友好，使用与操作简捷方便，易学易懂的优点。系统以Windows为应用平台，综合运用推理、预测、解释等机制，为用户实现节水灌溉决策与管理咨询服务。

李广义（2008）山东黄河确定使用超声波技术进行数据采集，并设计了数据采集的地点，数据采集的内容及实现过程。组建了结构良好的信息网络，使原始数据得到安全、完整地传输，开发了针对性较强的管理软件，对原始数据进行计算、处理，并将该系统作为一个节点接入黄河广域网，使网内任一用户在得到授权后都可查询、浏览该系统内引水的有关信息。

徐文军等（2008）对浙江省金华市安地水库灌区自动化管理系统进行了探讨，并进行了实际的论证。

苏星（2009）基于单片机技术，研发了明渠流量自动测流系统，该系统应用效果理想，实现了明渠水量的自动量测。

单飞飞（2010）综合采用现代网络通信技术和数据库管理技术，基于组态软件和Modbus协议设计开发了高效用水控制及管理系统。该系统利用气象监测技术、墒情监测技术、阀门自控技术、自动量水技术、水情自动测报技术、泵房监测技术、故障监测技术、自动报警技术等技术对灌区进行多目标综合监测管理，实现多目标优化，并采用计算机网络技术把监测到的数据进行有效整合并共享，通过网络化管理实现对灌区的远程监控。

郭荣祥（2010）基于GPRS无线通信网络技术，提出了一种采用超声波明渠流量计、巴歇尔槽、液位传感器等原件构成的灌区明渠流量测量系统方案。系统可以及时的将传感器采集到的数据，通过GPRS模块无线传输给监控中心的上位机，上位机将接收到的数据进行分析和处理，进而实现上位机对明渠流量计和数据采集仪等仪器的控制。系统以较低的建设成本实现灌区测流管理的自动化和信息化，相对误差较小，能够满足明渠流量计算的精度要求，且实时性好，可靠性高。

任洪艺（2010）就灌区信息监测与调度系统进行了研究，为灌区信息监测和优化调度提供了良好的平台。

郭荣祥（2010）利用GPRS无线通信网络技术，提出了一种采用超声波明渠流量计、流速传感器、液位传感器等原件构成的灌区明渠流量测量系统方案。该系统可以及时的将传感器采集的数据，通过GPRS模块无线传输给监测中心的上位机进行分析处理。系统以较低的建设成本，实现灌区测流管理的自动化和信息化，且实时性与可靠性高。

朱美英等（2010）就胡家岸灌区测水量水信息自动化建设进行了研究。在胡家岸灌区续建配套与节水改造工程实施过程中，新增测水量水信息自动化建设，借助于通信、计算机、程控交换、遥测遥控等现代技术，配置相应的硬、软件设施，建立了通信传输、计算机网络、信息采集和视频监控等系统，实现了水情、工情信息的实时采集以及对水工建筑物的自动控制。

马磊（2011）在河套灌区，研究了灌区自动化、信息化管理的问题。研究和搭建了灌区自动化管理系统，提出基于GPRS灌区明渠流量测量系统结构框架，研究了GPRS无线传输模块、明渠流量计、灌区闸门控制和视频监控系统。

程永东等（2011）探讨建设传输平台简易，造价低，易为中小型灌区采用的采集、存储及应用的信息化管理系统的可行性。详细介绍了灌区交接断面测流信息化技术实施方案和工程实例，并用实例进行验证。认为基于GPRS通信平台的测流信息化技术运行成本低，能够有效地提高灌区水资源的利用率和用水管理效率。

5.灌区测流自动化运行的实例

（1）甘肃景泰川电力提灌灌区（简称景电灌区）位于甘肃省兰州市以北180km处，分为一期（建设时间：1969～1974年）和二期（建设时间：1984年7月～1994年）工程，之后延伸向民勤县供水（建设时间：1995年11月～2000年9月）。该灌区具有高扬程、多梯级、多机组大流量、点多、线长、面广等特点。针对上述特点，景电灌区采用计算机技术、通信技术、网络技术和控制技术，解决了高扬程、多梯级、多机组泵站多重问题，结合当地用水实际情况，研发了集信息采集、优化调度与监控为一体的灌区水管理系统，确保了机电设备和水工建筑物的安全运行。提高了供水能力，实现了科学的量水和水资源的优化配置。

（2）黑龙江省水利厅利用两年时间，以GIS为技术基础，结合灌区实际情况，在全省范围内建立了322处大中型灌区的信息管理系统。实现了对灌区数据的远程管理，提高了管理水平和工作效率。

（3）湖南省双牌灌区从1997年开始将水管理测控系统建设列入计划，针对灌区工程点多、线长、面广，降雨时空的不均衡分布，洪水和干旱并有的情况，进行了改造，建设了灌区的水管理及办公信息化系统，在水资源配置、防洪抗汛、计划配用水方面成效显著。

（4）江苏省在灌区改造和自动化方面取得了较好的效果和积累了丰富的经验。在如海灌区，通过与科研单位合作研发了水量、水位自计式长喉道量水槽和NT-200型量水计。渠南灌区将自动化综合数据采集DCS、数据库、GIS、网络与通信、计算机及控制技术等组成了安全可靠、科学的管理系统。五岸灌区水管理通过灌区的自动化建设，实现了对泵站、水闸的水位、流量及闸站的开启状态等进行实时监控。

（5）内蒙古自治区河套灌区通过现代化的建设，实现了“数字河套”，建设了数据采集、传输、存储、交换、共享、应用、数据标准与管理系统等。

1.2.4 灌区测流自动化的发展方向

随着科学技术和我国经济实力的发展，灌区测流自动化必将成为今后的发展方向，随着信息化、网络化技术的不断发展，以双绞线、光纤、超声波、无线扩频技术、卫星通讯等为手段的灌区自动化测流系统正在不断发展。

1.统一规划，标准化和规范化发展

受灌区的地理条件不同的影响，渠道形状和尺寸也因势而异，为了便于将来集中管理和满足量水技术的通用性要求，灌区的干渠、支渠特别是末级渠道会逐渐标准化和规范化；加强我国灌区测流自动化的整体规划，对提水口、干支渠、末级渠的计量点选取会更加合理，数量比例和分布更为科学合理。

2.末级渠道计量趋向无设施

由于末级渠道计量设备技术和成本限制，未来会向无设施量水方式发展。现在国内已经有很多高校和科研单位从事水力模型试验研究，可以对灌区渠道建立计量数学模型，采用数模分析法实行无设施的计量，可以满足灌区计量要求。

3.信息多元化、共享及商品化

当前灌区信息交流不足，信息不全、成果不能共享、自动化商品化程度不高，存在重复开发现象，灌区测流自动化将向信息多元化、快速处理、安全和可视、成果共享、网络化、商品化方向发展。

4.充分利用原有建筑物实现自动化

我国灌区大多是在20世纪建设的，基本采用原始的测流技术，基础较为薄弱。为节约投资，可结合灌区已有建筑物的结构特点，选用合适的量水设施；或对现有的水工建筑物进行改造，提高量测精度，安装数据接口，以便进行数据传输，实现灌区量水的自动化。

5.向经济、实用和高精度方向发展

基于我国灌区现有量水设施的缺点，灌区测流自动化设施向结构简单、便于施工、省时省工、水头损失小、量水精度高、不易受泥沙及杂物干扰、便于维修、经济实惠方向发展。