灌區(qū)量水技術(shù)對(duì)比綜述

□李炳辰 □張輝棟 □趙 爽 □寧玉清（河南省人民勝利渠管理局）

近年來，隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的不斷完善和城市化進(jìn)程的不斷加快，部分發(fā)展型缺水地區(qū)怎樣在保證經(jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)為農(nóng)業(yè)灌溉提供足夠的保障，已不可避免地成為事關(guān)全局的戰(zhàn)略問題。在這種情況下，如何在灌區(qū)推行節(jié)水灌溉技術(shù)，提高灌水質(zhì)量和灌溉效率成為發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)必須要面對(duì)的前提條件。而量水作為灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水合理分配的基礎(chǔ)工作，是促進(jìn)節(jié)約用水定量灌溉的前提，沒有精確量水，就無法實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，就無法迅速便捷地根據(jù)各地的需水要求和灌區(qū)可供水源狀況，在不同區(qū)域和作物不同生育階段進(jìn)行水量的優(yōu)化調(diào)度。

1 目前國內(nèi)灌區(qū)采用的量水技術(shù)

目前國內(nèi)灌區(qū)常用的量水方法有：利用水工建筑物量水、利用特設(shè)的量水設(shè)備量水、利用儀表或其他特制的裝置量水、利用流速儀量水、利用浮標(biāo)量水以及其他開發(fā)出來的現(xiàn)代化量水方案。

1.1 水工建筑物量水

水工建筑物量水是指利用水閘、涵洞、跌水、渡槽、陡坡、倒虹吸等，通過測(cè)定上游水頭或上下游水頭差，根據(jù)進(jìn)口形狀、建筑物形式、尺寸及水流流態(tài)，按照水力學(xué)原理計(jì)算流量，或制成圖表、曲線查用的一種量水方式。

水工建筑物量水簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)，既可減少因單獨(dú)設(shè)置量水設(shè)備所產(chǎn)生的水頭損失，又可節(jié)省附加量水設(shè)備的建設(shè)費(fèi)用，也可進(jìn)行大流量測(cè)定，同時(shí)通過安裝水位、閘位傳感器、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)便可進(jìn)行水位、流量觀測(cè)及控制一體化，更符合信息自動(dòng)控制化的要求。因此，在率定過的精確流量系數(shù)保證下，尤其是平原灌區(qū)，應(yīng)盡量利用水工建筑物量水。缺點(diǎn)是首先要求流平順，符合水力計(jì)算要求（上下游水頭差≥5 cm，水流呈淹沒狀態(tài)時(shí)淹沒度＝0.95），其次是一旦水工建筑物發(fā)生破損、變形、漏水，尤其是泥沙淤積（如早期的部分引黃灌區(qū)）及雜物阻塞時(shí)，均會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生很大影響，根據(jù)人民勝利渠灌區(qū)的測(cè)流經(jīng)驗(yàn)，多泥沙情況下，每2-3年就需重新測(cè)流率定。因此渠系建筑物量水適合于建筑物配套標(biāo)準(zhǔn)較高的渠首及干、支渠，斗渠等，末級(jí)渠系水工建筑配套標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，多不采用此方法。

1.2 特設(shè)量水設(shè)備量水

特設(shè)量水設(shè)備量水指在灌區(qū)沒有水工建筑物或現(xiàn)有水工建筑物不能滿足量水要求條件下采用特設(shè)量水設(shè)備進(jìn)行量水的方式。量水槽、量水堰以及量水計(jì)是目前灌區(qū)內(nèi)多采取的量水措施。目前比較常用的特設(shè)量水設(shè)備主要包括巴歇爾量水槽、無喉段量水槽、三角剖面堰、量水噴嘴、量水檻、套管、分流計(jì)、柱形量水槽、分流式量水計(jì)以及直讀式擋板量水計(jì)等等。

特設(shè)量水設(shè)施的核心就是通過對(duì)過水?dāng)嗝娴氖湛s改變，在其上下游形成的水位落差中找到穩(wěn)定的水位與流量關(guān)系，形成堰流公式后通過對(duì)水位的測(cè)量得到流量。特設(shè)量水設(shè)備量水精度高，數(shù)據(jù)易讀取，因此多用于斗、農(nóng)渠等末級(jí)渠系，可減輕測(cè)流工作量，便于現(xiàn)代化管理。但改變過水?dāng)嗝鏁?huì)不可避免地帶來水頭損失，因此灌區(qū)在選擇特設(shè)量水設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：水頭損失盡可能小，不妨礙渠道加大流量；觀測(cè)計(jì)算方便；在渠道通過允許輸沙能力的流量時(shí)，量水不受影響；設(shè)備費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用少。目前灌區(qū)使用特設(shè)量水設(shè)備常參照試驗(yàn)給定的各種模板尺寸進(jìn)行制定（灌溉渠道量水規(guī)范GB/T21303-2007），可大大減小主體設(shè)計(jì)及水位流量關(guān)系計(jì)算的工作量。

1.3 利用流速儀測(cè)流法或浮標(biāo)法量水

流速儀測(cè)流，成果精確，而且可以不改變渠道布置、不設(shè)任何建筑物。但由于流速測(cè)點(diǎn)多，測(cè)量及計(jì)算繁雜費(fèi)時(shí)較多，同時(shí)對(duì)測(cè)流斷面選擇要求較高，要求渠段平直、水流均勻、無漩渦和回流，水流方向與斷面垂直等，因此不宜經(jīng)常使用，通常用于其它測(cè)量方法的流量系數(shù)率定。

浮標(biāo)法量水多用于襯砌過的或規(guī)則的渠道，通過秒表對(duì)流速簡(jiǎn)單估算后乘以修正系數(shù)再乘以過水面積，常用于簡(jiǎn)單粗糙的估算水勢(shì)水情，只適用于水勢(shì)平緩，精度低，但測(cè)量速度快，很方便實(shí)用。

1.4 利用二次儀表類流量計(jì)量水

灌區(qū)所用儀表類流量計(jì)是基于水力學(xué)原理測(cè)流的二次儀表，具有安裝簡(jiǎn)便，測(cè)流精確和現(xiàn)代化管理可操作性強(qiáng)等突出性優(yōu)點(diǎn)，且不同于化工、環(huán)保、冶金、食品等行業(yè)，對(duì)耐腐蝕耐熱性上沒有需求，但在耐久性尤其是耐磨性上有很高要求。其量水范圍多在0.5～1.5 m3/s，量水范圍較建筑物量水及特設(shè)量水設(shè)備較小，且造價(jià)較為昂貴并易被破壞，應(yīng)用較多的是分流式水量計(jì)和旋杯式流量計(jì)。分流計(jì)多以文丘利管作為節(jié)流件和過水主管，分為渠用式和管道式兩種，量水精度較高，測(cè)讀簡(jiǎn)捷，靈敏度高，且對(duì)上下游水流穩(wěn)定條件及護(hù)砌段的要求不高，但因泥沙對(duì)其影響較大，一般用于含沙量不太大的管道及斗農(nóng)渠量水。旋杯式流量計(jì)由量水涵洞和量水儀表組成，它安裝使用簡(jiǎn)便、造價(jià)低、可連續(xù)測(cè)流，多用于多泥沙緩坡渠道（1/10000），因此可多用于平原灌區(qū)量水應(yīng)用。

2 灌區(qū)量水技術(shù)的選擇

由上述可見，灌區(qū)量水方法和量水設(shè)備種類繁多。但是因?yàn)楦鞯貐^(qū)環(huán)境情況復(fù)雜不一，應(yīng)對(duì)實(shí)地情況進(jìn)行分析計(jì)算后再進(jìn)行量水方法的選擇。具體可將以下幾個(gè)方面作為主要依據(jù)：

2.1 根據(jù)過水流量規(guī)模和精度進(jìn)行選擇

一般情況下，渠首、干、支渠這些需求過水流量較大的渠道，且擁有較高經(jīng)過流量范圍，系數(shù)率定達(dá)到一定精度后均推薦采用水工建筑物測(cè)流。而斗、農(nóng)渠等末級(jí)渠系測(cè)量因?yàn)槎酁樾×髁坑峙c農(nóng)戶利益密切相關(guān)，多采用較為精確的特設(shè)量水設(shè)備和流量計(jì)進(jìn)行測(cè)流。

2.2 根據(jù)對(duì)渠道過流能力的影響進(jìn)行選擇

特設(shè)量水設(shè)備工作原理為收縮渠道以形成臨界過水?dāng)嗝?，這樣勢(shì)必使得量水設(shè)備上游的水位抬高造成水頭損失，對(duì)渠道的過流能力有一定影響。因此，要通過對(duì)渠道兩側(cè)堤頂高程的復(fù)核驗(yàn)算，如果對(duì)過流影響在接受范圍內(nèi)，可選擇加高堤頂高程，如果超出影響范圍，應(yīng)重新選擇量水設(shè)備。泥沙較多的渠道，也不宜選擇量水堰、量水檻等容易導(dǎo)致渠道淤積的量水設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致渠道水力特性改變，影響渠道過流能力。

2.3 根據(jù)測(cè)量?jī)x器易讀性和易損情況

末級(jí)渠系和農(nóng)戶利益息息相關(guān)，且離灌區(qū)管理單位一般較遠(yuǎn)，往往需要地方群眾參與，因此易讀性必不可少。同時(shí)由于量水設(shè)施保護(hù)措施較少，比如薄壁堰等易被人為損壞，而自動(dòng)測(cè)流儀器等則多受自然條件限制，均需結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行設(shè)置。

3 灌區(qū)量水技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

得益于我國經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展以及科技進(jìn)步，目前的灌區(qū)量水技術(shù)也越來越向著水頭低損化、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)適用化的方向發(fā)展。

對(duì)于作為農(nóng)業(yè)支柱的平原灌區(qū)，各級(jí)渠道滿足水位控制的要求是非常重要的，以往通過增加水頭損失來增加測(cè)量精度的方式現(xiàn)在已不適合實(shí)際灌溉需要，研制對(duì)水流無阻礙或小阻礙的量水技術(shù)是未來的主要發(fā)展方向之一。

隨著我國灌區(qū)體制改革的普遍推行和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，過去人工量測(cè)、調(diào)控的方法已難以滿足灌區(qū)現(xiàn)代化管理的需求，因此基于包括有線以及無線網(wǎng)絡(luò)（尤其是基于3G以及未來4G的圖形化大數(shù)據(jù)量傳輸）的自動(dòng)化量測(cè)和調(diào)控必將成為灌區(qū)用水管理的主流趨勢(shì)。

對(duì)于灌區(qū)數(shù)量龐大的末級(jí)渠系來說，如何在造價(jià)低、建設(shè)簡(jiǎn)便、精度高和使用可靠四者之間需找平衡點(diǎn)是必須面對(duì)的一個(gè)難題。如何建立標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范及行業(yè)要求作為基礎(chǔ)，怎樣在市場(chǎng)中選擇適合本灌區(qū)的新產(chǎn)品、新技術(shù)，是每個(gè)灌區(qū)發(fā)展需要面對(duì)的問題。

[1]史海濱,田軍倉,劉慶華.灌溉排水工程學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]蔡勇,周明耀.灌區(qū)量水實(shí)用技術(shù)指南[M].北京:中國水利水電出版社,2001.