寧夏引黃灌區(qū)斗渠量測水設(shè)備比測試驗(yàn)研究

王懷博， 徐利崗， 劉學(xué)軍， 蘇笑曦

(1.寧夏水利科學(xué)研究院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏唐徠渠管理處， 寧夏 銀川 750001)

1 研究背景

根據(jù)國內(nèi)外灌區(qū)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展趨勢，建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)是適應(yīng)新形勢、解決新問題的必然選擇，灌區(qū)現(xiàn)代化的一個(gè)主要標(biāo)志就是量水技術(shù)的提高。準(zhǔn)確計(jì)量對保護(hù)和節(jié)約水資源、提高經(jīng)濟(jì)效益、保障水資源可持續(xù)利用具有重要意義[1-3]。國內(nèi)灌區(qū)多以明渠灌溉為主，灌溉用水以斗農(nóng)渠口水量按方收費(fèi)[4]，因此明渠測流是灌區(qū)管理的重要任務(wù)之一，也直接關(guān)系著灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益。

寧夏引黃灌區(qū)地處中溫帶干旱區(qū)，晝夜溫差較大，年均氣溫8～9℃，4-9月大于等于10℃的積溫為3 200～3 400℃，襯砌良好的斗農(nóng)渠中引用的黃河水泥沙含量在1.5～2.2kg/m3之間。灌區(qū)測流主要存在量測水設(shè)備多樣，精度不一，對不同流量級別、不同工況條件下適宜的量測水設(shè)備缺乏系統(tǒng)研究及選用依據(jù)[5-7]。隨著水費(fèi)制度的改革，對斗農(nóng)渠的量水精度要求將會越來越高。按照測流原理分類，近些年現(xiàn)場應(yīng)用的流量計(jì)可分為電磁流量計(jì)[8]、質(zhì)量流量計(jì)[9]、渦街流量計(jì)、超聲波流量計(jì)(時(shí)差式超聲波流量計(jì)、多普勒超聲波流量計(jì)、氣體超聲波流量計(jì))[10-12]。受環(huán)境、流場、傳輸信號、硬件電路和軟件算法等多方面因素的影響和制約[13]，各類流量計(jì)在不同情況下測流精度不一致。多數(shù)相關(guān)設(shè)備的研究針對單一原理研究的較多，技術(shù)也得到很大改進(jìn)，目前大多明渠測流系統(tǒng)注重集成多種流量計(jì)技術(shù)以提高測流精度[14-16]，澳大利亞的全渠道控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測控一體，灌溉水有效利用系數(shù)提高至84%～90%，電磁流量計(jì)對明渠測流上摩擦和黏附效應(yīng)較敏感，質(zhì)量流量計(jì)和渦街流量計(jì)主要用于管道測流，超聲波流量計(jì)主要用時(shí)差法和多普勒法測流，多以測流速和水位得出流量，在高含沙的黃河水測流中表現(xiàn)出劣勢。本研究引進(jìn)不同測流原理的量測水設(shè)備，構(gòu)建量測水設(shè)備比測綜合評價(jià)指標(biāo)體系，評價(jià)各類設(shè)備的可靠性，旨在為寧夏引黃灌區(qū)不同流量級別渠道推薦適宜的量測水設(shè)備，為灌溉管理部門提高量測水管理水平，以及灌區(qū)信息化、現(xiàn)代化建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2 資料和方法

2.1 研究區(qū)概況

在寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠支干渠第二農(nóng)場渠的斗渠上選擇合適位置建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化測流斷面，確定流量級別為1～3 m3/s。在該渠道上將各類設(shè)備按照灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范(GB/T 21303-2007)的要求進(jìn)行安裝布設(shè)，各類設(shè)備在同一時(shí)段(流量指標(biāo)相對穩(wěn)定)或時(shí)間相隔不大的時(shí)限內(nèi)同時(shí)進(jìn)行觀測，以保證各類設(shè)備監(jiān)測時(shí)的工況及基本條件近似，具有數(shù)據(jù)的可比性。測流時(shí)的水位、流量范圍盡可能調(diào)控到被檢測設(shè)備最不利工況(即從最小水位到最大水位)。

2.2 比測試驗(yàn)方案

按照斷面流量設(shè)置級別及唐徠渠不同流量斗口分布情況，選取團(tuán)結(jié)斗典型渠道進(jìn)行設(shè)備比測試驗(yàn)。該斗渠位于第二農(nóng)場渠進(jìn)口以下4+020右岸，灌溉面積340 hm2，渠道長8 km。斗口為0.8 m×0.8 m雙孔方涵，斷面最大流量3.3 m3/s，測水?dāng)嗝嬖O(shè)置于出口以下200 m，斷面型式為梯形漿砌石砌護(hù)。典型斷面安裝了直開口手動閘門量控水系統(tǒng)、超聲波測流系統(tǒng)、智能化明渠流量測量系統(tǒng)、恒流量電動閘門監(jiān)控系統(tǒng)和非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)[17]共5臺設(shè)備(表1)，各類設(shè)備每5 min返回1次數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)備編號及名稱

試驗(yàn)采取人工測流與設(shè)備自動測流兩種方式，通過獲得數(shù)據(jù)及其他參數(shù)分析，綜合評價(jià)各類設(shè)備。測流期間水量以調(diào)解水位的方式進(jìn)行控制，人工及設(shè)備監(jiān)測不同水位條件下典型斷面的水位、水面寬度、斷面面積、斷面平均流速、斷面瞬時(shí)流量。根據(jù)典型斷面實(shí)際情況，團(tuán)結(jié)斗斷面測線布置采用3垂線兩點(diǎn)法(圖1)，每個(gè)水位需獲得5個(gè)測次的有效數(shù)據(jù)，同一水位重復(fù)測量3次。由于灌溉期應(yīng)注意每日的調(diào)度水位，可人工調(diào)節(jié)正常調(diào)度水位的±10 cm，并及時(shí)進(jìn)行短時(shí)水位的測定，對運(yùn)行的最低至最高水位均進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 團(tuán)結(jié)斗典型比測斷面測線布置圖

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

2.3.1 誤差與準(zhǔn)確度計(jì)算方法 誤差是測定值Xi(各類必測設(shè)備的監(jiān)測值)與真值Pi(LS25-3D監(jiān)測值)之差，可分為絕對誤差E和相對誤差Er，其計(jì)算公式分別為公式(1)、(2)。

E=Xi-Pi

(1)

Er=(Xi-Pi)/Pi

(2)

絕對誤差和相對誤差有正負(fù)之分，正誤差表示分析結(jié)果偏高，負(fù)誤差表示分析結(jié)果偏低。

2.3.2 測量不確定度計(jì)算方法 誤差不宜用來定量表明測量結(jié)果的可靠程度，測量不確定度[18]合理地賦予了被測量值的分散性，是與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，有合理性、分散性、聯(lián)系性3個(gè)特點(diǎn)，不確定度和測量結(jié)果相結(jié)合用來表示在給定條件下對測量進(jìn)行測量時(shí)測量結(jié)果所可能出現(xiàn)的區(qū)間，可用來描述測量結(jié)果的可靠性。

按照《水位觀測標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50138-2010)，比測試驗(yàn)對于監(jiān)測數(shù)據(jù)不確定度的計(jì)算采用如下算法：

(1)系統(tǒng)不確定度的計(jì)算公式

(3)

式中：Pyi為各類比測設(shè)備監(jiān)測的數(shù)值或誤差(水位、斷面平均流速、斷面平均流量)；Pi為LS25-3D監(jiān)測的數(shù)據(jù)或誤差；N為觀測次數(shù)。

(2)隨機(jī)不確定度的計(jì)算公式

(4)

(3)綜合不確定度的計(jì)算公式

(5)

2.3.3 可靠性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 可靠性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照比測試驗(yàn)實(shí)際情況制定，評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重采用德爾菲法和層次分析法相結(jié)合的方法確定。通過征求寧夏引黃灌區(qū)管理部門人員、長期從事監(jiān)測工作的技術(shù)人員、水利專家、水文氣象專家、農(nóng)業(yè)專家、工程設(shè)計(jì)人員、設(shè)備廠家等對評價(jià)指標(biāo)重要性的比較意見，計(jì)算各層次指標(biāo)的權(quán)重值(表2)。

表2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

總體評價(jià)以流量指標(biāo)為主，參照水位和流速指標(biāo)，總評判值100分，其中數(shù)據(jù)穩(wěn)定性占40分，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性占40分，設(shè)備對泥沙阻抗性占10分，對氣溫變化(夏秋灌高溫、冬灌低溫)的阻抗性占10分。各指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法如下：

(1)穩(wěn)定性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)整個(gè)比測期流量的誤差統(tǒng)計(jì)表(范圍1：-5%

(2)準(zhǔn)確性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)整個(gè)比測期流量值的綜合不確定度、趨勢線斜率和R2值，不確定度賦分20，斜率賦分10，R2值賦分10。據(jù)綜合不確定度(誤差)Xz，按照范圍(范圍1：-5%

(3)設(shè)備對泥沙阻抗性評分標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)整個(gè)比測期不同斷面監(jiān)測的泥沙含量，對泥沙含量從小到大進(jìn)行排序，以斷面泥沙含量最小時(shí)的流量測量誤差為基準(zhǔn)值，計(jì)算出不同泥沙含量下流量測量誤差的變幅，按照范圍(范圍1：-5%

(4)設(shè)備對氣溫變化阻抗性評分標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)冬灌和夏秋灌兩個(gè)時(shí)期氣溫變化時(shí)段各類設(shè)備的流量誤差進(jìn)行計(jì)算。由于比測期試驗(yàn)點(diǎn)在冬灌期間氣溫為-3～8℃，該溫度區(qū)間均在現(xiàn)有電子元件適用范圍內(nèi)，比測期連續(xù)多天氣溫超過35℃，因此低溫賦分4，高溫賦分6，冬灌以時(shí)段最高溫(夏秋灌以時(shí)段最低溫)時(shí)流量誤差為基準(zhǔn)值，計(jì)算出氣溫顯著變化情況下流量誤差的變幅，按照范圍(范圍1：-5%

3 結(jié)果與分析

3.1 比測資料的選取

比測時(shí)間分為2016年冬灌和2017年夏秋灌兩個(gè)時(shí)期，冬季比測時(shí)間始于11月3日，11月7日終止，夏秋季比測時(shí)間始于2017年5月20日，7月25日終止，獲得0.35、0.43、0.54、0.60、0.66、0.71、0.74、0.80、0.88、0.93、0.96、1.03 m共12個(gè)水位不同時(shí)段的數(shù)據(jù)。特定渠道水位不同水流態(tài)也會發(fā)生變化[19-20]，研究中將獲取的數(shù)據(jù)相應(yīng)水位分為低、中、高3類，即0.35～0.60 m、0.66～0.74 m、0.80～1.03 m。對行水期內(nèi)人工及各類設(shè)備監(jiān)測得到數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析，包括穩(wěn)定性、準(zhǔn)確定及其他因素干擾分析。其中，穩(wěn)定性評價(jià)是對各比測設(shè)備值相對人工監(jiān)測值的變幅和誤差范圍(范圍1：-5%

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

3.2.1 穩(wěn)定性分析 通過LS25-3D型流速儀監(jiān)測獲得標(biāo)尺數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)段內(nèi)各比測設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行提取并統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)，并計(jì)算該數(shù)據(jù)誤差，對每個(gè)數(shù)據(jù)的誤差在各誤差范圍(范圍1：-5%設(shè)備1>設(shè)備3>設(shè)備2>設(shè)備4。

表3 團(tuán)結(jié)斗斗口各類設(shè)備誤差統(tǒng)計(jì)表

比較不同水位下比測時(shí)段各類設(shè)備流量并得出其變幅(器測數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)的誤差變幅)。低水位如水位為0.43 m時(shí)(LS25-3D斷面平均流量：0.644 m3/s)設(shè)備5變幅最小，波動區(qū)間在0.004～0.018 m3/s(對應(yīng)誤差0～2.80%)之間；中水位如水位為0.71 m時(shí)(LS25-3D斷面平均流量：1.503 m3/s)設(shè)備1變幅最小，波動區(qū)間在0.034～0.075 m3/s(對應(yīng)誤差2.26%～4.99%)之間；高水位如水位為0.96 m時(shí)(LS25-3D斷面平均流量：2.821 m3/s)，設(shè)備5變幅最小，波動區(qū)間0.0125～0.0191 m3/s(對應(yīng)誤差趨于0)。

3.2.2 準(zhǔn)確性分析 繪制不同水位下比測設(shè)備數(shù)據(jù)與LS25-3D型流速儀擬合直線，截距設(shè)置為0，統(tǒng)計(jì)分析各類設(shè)備流量擬合直線斜率和R2值并計(jì)算誤差綜合不確定度Xz值。圖2為全測期的水位-流量關(guān)系曲線和不同設(shè)備與流速儀獲得的流量數(shù)據(jù)的擬合線，表4統(tǒng)計(jì)了各類設(shè)備與流速儀流量值擬合直線。

表4 流速儀與各設(shè)備擬合線指標(biāo)

注：--表示不存在相關(guān)關(guān)系。

由圖2和表4可見，全水位條件下，比測數(shù)據(jù)和流速儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的吻合程度由高到低為：設(shè)備5>設(shè)備1>設(shè)備3>設(shè)備4>設(shè)備2；低水位時(shí)除設(shè)備2外其他設(shè)備擬合均較好，設(shè)備1最優(yōu)(y=1.0529x，R2=0.9597)，其次是設(shè)備3，中、高水位時(shí)各類設(shè)備擬合均較好，中水位時(shí)設(shè)備5擬合最優(yōu)(y=1.0107x，R2=0.9480)，其次是設(shè)備2，高水位時(shí)設(shè)備5擬合最優(yōu)(y=0.9356x，R2=0.9222)，其次是設(shè)備3。

圖3為各類設(shè)備流量綜合不確定度在不同水位條件下的堆積面積圖，某水位下堆積值越低，則各類設(shè)備不確定度越低，表明在該種水位下適宜性越好，同一水位，對堆積值貢獻(xiàn)越小的設(shè)備，表明其測流越可靠。整體來看，各個(gè)水位條件下堆積貢獻(xiàn)率最大的是設(shè)備2，最小的是設(shè)備5，其次是設(shè)備1，如0.54 m時(shí)，貢獻(xiàn)率從小到大依次為：設(shè)備5>設(shè)備3>設(shè)備1>設(shè)備4>設(shè)備2。從綜合不確定的大小比較，設(shè)備5綜合不確定度除0.35 m和1.03 m兩個(gè)極端水位外均符合測流規(guī)范(小于5%)其次是設(shè)備3和設(shè)備1基本符合測流規(guī)范，其中設(shè)備1不確定在極端水位下明顯大于設(shè)備3，其他水位反之。設(shè)備5在低水位時(shí)綜合不確定度為8.87%，中水位時(shí)為2.87%，高水位時(shí)為4.68%。

圖2 全水位下各比測設(shè)備水位流量關(guān)系曲線和流量數(shù)據(jù)擬合線

圖3 各類設(shè)備在不同水位條件下流量綜合不確定度的變化

3.2.3 設(shè)備對泥沙和氣溫變化的阻抗性分析 渠道行水期，在比測斷面采取水樣檢測當(dāng)日泥沙含量和泥沙顆粒級配[22-23]。結(jié)果表明行水期泥沙含量最小為0.320 kg/m3，最大為0.840 kg/m3，泥沙含量小于 0.433 kg/m3時(shí)， 泥沙含量對誤差影響不大，泥沙含量大于0.433 kg/m3時(shí)，各類設(shè)備的誤差隨著泥沙含量的增大而增大， 泥沙量為0.433 kg/m3時(shí)，粒徑區(qū)間16.70～21.28 μm的顆粒占總含量比例最高，為8.45%，粒徑小于20 μm的顆粒占總含量的68%以上。為了確定測流誤差來源，結(jié)合寧夏氣候條件，于2016年11月試驗(yàn)點(diǎn)最低氣溫-10℃和2017年7月12日至7月21日試驗(yàn)點(diǎn)最高氣溫達(dá)39℃，且溫度超過35℃持續(xù)極端高溫日數(shù)突破歷史極值的條件下，分析溫度突變前后的測流誤差，誤差變化穩(wěn)定，表明溫度變化對設(shè)備測量誤差無明顯影響。

3.3 綜合評價(jià)

從可靠性指標(biāo)方面分析得出最后評分(表5)可見，設(shè)備5得分74.09分，排名第一；設(shè)備1，得分61.35分，排名第二；設(shè)備3得分44.45分，排名第三；設(shè)備4得分27.95分，排名第四；設(shè)備2得分21.18分，排名第五。在唐徠渠斗渠(流量級別為1～3 m3/s)推薦采用設(shè)備5，其次是設(shè)備1。

表5 團(tuán)結(jié)斗斗口量測水設(shè)備比測綜合評價(jià)得分表

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有量測水設(shè)備測流原理多樣化，精度均在不斷提高，本研究是基于全面數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)單純基于超聲波原理的設(shè)備不適宜在泥沙含量較大的渠道上應(yīng)用，通過閘門控制水量計(jì)算流量的設(shè)備1和設(shè)備4對測流斷面的標(biāo)準(zhǔn)要求較高，結(jié)合電磁法和超聲波原理的設(shè)備3準(zhǔn)確性較高，但是穩(wěn)定性不足，設(shè)備5將聲學(xué)和雷達(dá)多普勒效應(yīng)結(jié)合明顯提高了設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)論與討論

本研究建立量測水設(shè)備比測綜合評價(jià)指標(biāo)體系，對不同測流原理設(shè)備進(jìn)行比測，并對各類設(shè)備進(jìn)行量化評價(jià)，得到如下結(jié)論：

(1)推薦在唐徠渠斗渠(流量級別為1～3 m3/s)采用非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)，其次是直開口手動閘門量控水系統(tǒng)。除0.35 m和1.03 m兩個(gè)極端水位外，非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)的流量值均符合測流規(guī)范(小于5%)，其低水位時(shí)綜合不確定度為8.87%，中水位時(shí)為2.87%，高水位時(shí)為4.68%。

(2)單純基于超聲波原理的設(shè)備不適宜在泥沙含量較大的渠道上應(yīng)用，通過閘門控制水量計(jì)算流量的設(shè)備對測流斷面的標(biāo)準(zhǔn)要求較高，結(jié)合電磁法和超聲波原理的設(shè)備準(zhǔn)確性較高，但是穩(wěn)定性不足，將聲學(xué)和雷達(dá)多普勒效應(yīng)結(jié)合能明顯提高設(shè)備的可靠性。

(3)灌溉期氣溫變化不足以影響設(shè)備精度，泥沙對新安裝量測水設(shè)備的精度影響不大。

所建立的量測水設(shè)備比測綜合評價(jià)指標(biāo)體系可用于比測引黃灌區(qū)不同流量級別渠道上的設(shè)備，通過對不同原理量測水設(shè)備全面數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和其他指標(biāo)影響的定量評價(jià)方法，為渠道引選各類設(shè)備提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本研究結(jié)果是對全面數(shù)據(jù)的分析，由于在野外渠道上進(jìn)行測量，受時(shí)間的影響，對于校準(zhǔn)各類設(shè)備測流模型的參數(shù)缺乏探索，下一步研究工作主要對各類設(shè)備多年長系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出校準(zhǔn)量測水設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步改善量測水設(shè)備的可靠性。