四川省大中型灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)模式研究①

(四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

大中型灌區(qū)是四川省農(nóng)業(yè)灌溉的主體，截至2017年，全省大中型灌區(qū)有效灌面134.89萬(wàn)hm2，占全省有效灌溉總面積的46.95%，用水量占全省農(nóng)業(yè)用水總量的一半以上，在灌溉、供水、水生態(tài)和水環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)保障糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村建設(shè)、農(nóng)民增收起到了顯著作用。當(dāng)前，大中型灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量設(shè)施建設(shè)存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)調(diào)查，主要取水口計(jì)量設(shè)施配備率僅72.1%，其中人工計(jì)量設(shè)施占比達(dá)84.2%，自動(dòng)計(jì)量設(shè)施中運(yùn)行正常率僅56.8%，主要存在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選擇不合理、監(jiān)測(cè)方法不科學(xué)、自動(dòng)化程度較低、故障率較高和運(yùn)行維護(hù)困難等問(wèn)題。根據(jù)自動(dòng)化程度、取水口類(lèi)型等特點(diǎn)，本文提出了大中型灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)模式。

1 按自動(dòng)化程度劃分的灌區(qū)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

1.1 人工計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

1.1.1 模式特點(diǎn)

基于水位-流量關(guān)系曲線推流原理，利用水工建筑物量水、特設(shè)量水設(shè)備或者標(biāo)準(zhǔn)斷面量水的方法，進(jìn)行人工推算流量；基于流速-面積法測(cè)流原理，采用機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀計(jì)測(cè)水流速度，同時(shí)輔以水尺以獲取斷面面積，進(jìn)行人工推算流量。

1.1.2 技術(shù)要點(diǎn)

利用閘門(mén)、涵洞、渡槽等水工建筑物的斷面水位及閘門(mén)開(kāi)度，或標(biāo)準(zhǔn)斷面渠道的水位，對(duì)照水工建筑物或渠道的水位-流量曲線推算流量；利用安設(shè)不同類(lèi)型的特設(shè)量水設(shè)備(堰、槽)，采用人工讀數(shù)的方法，讀取量水槽側(cè)壁上的水尺水位刻度，并對(duì)照特設(shè)量水設(shè)備的水位-流量公式計(jì)算流量；或采用機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀計(jì)測(cè)渠道某斷面流速，依據(jù)流速面積法測(cè)算流量。

1.1.3 適用條件和范圍

適用于灌區(qū)資金條件有限，量水精度要求相對(duì)不高的大型灌區(qū)斗渠、農(nóng)渠，中型灌區(qū)支渠、斗渠和毛渠，可充分利用水工建筑物量水、標(biāo)準(zhǔn)斷面量水、量水堰、槽量水和機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀的方法進(jìn)行人工測(cè)定。另外，基于采用水位-流量曲線推流的計(jì)量模式，一般要求監(jiān)測(cè)渠道斷面盡量規(guī)整順直、水流平穩(wěn)，水位-流量曲線需要提前擬定，并進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)。

1.2 自動(dòng)計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

1.2.1 模式特點(diǎn)

基于水位-流量關(guān)系曲線推流和流量流速面積法測(cè)流原理，利用自動(dòng)化量水設(shè)備對(duì)水工建筑物或渠道(河道)進(jìn)行水位、流速等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)計(jì)算、記錄流量及累計(jì)水量，并自動(dòng)采集、上報(bào)的方法。

1.2.2 技術(shù)要點(diǎn)

利用水工建筑物或渠道斷面的自動(dòng)化水位量測(cè)設(shè)備(閘位計(jì)、浮子式、氣泡式、雷達(dá)、超聲波水位計(jì)和電子水尺等)，對(duì)水工建筑物或渠道進(jìn)行閘門(mén)開(kāi)度、水位等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，通過(guò)軟件系統(tǒng)中事先擬定好的水位-流量關(guān)系曲線或公式，自動(dòng)調(diào)取、推算、記錄流量及累計(jì)水量，并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)自動(dòng)上報(bào)至灌區(qū)用水平臺(tái)或業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

利用自動(dòng)化水位及流速類(lèi)量水設(shè)備(水位識(shí)別類(lèi)：浮子式、氣泡式、雷達(dá)、超聲波水位計(jì)和電子水尺等；流速儀類(lèi)：電磁類(lèi)、聲波類(lèi)等；管道流量計(jì)(電磁式、插入式、管段式))，對(duì)水工建筑物或渠道(管道)進(jìn)行水位、流速、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及采集，并通過(guò)軟件系統(tǒng)按流速面積自動(dòng)計(jì)算、記錄流量及累計(jì)水量，并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)自動(dòng)上報(bào)至灌區(qū)用水平臺(tái)或業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2.3 適用條件和范圍

主要適用于規(guī)模較大、渠系配套完善、條件優(yōu)越的大中型灌區(qū)渠首、骨干渠道和有特別計(jì)量需求的田間渠道，自動(dòng)化量水系統(tǒng)一次性投入大，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可極大地提高灌區(qū)的灌溉效率，提高量水精度，還能節(jié)約水量，節(jié)省大量的人力物力。同上，基于采用水位-流量曲線推流的計(jì)量模式，一般要求監(jiān)測(cè)渠道斷面盡量規(guī)整順直、水流平穩(wěn)，水位-流量曲線需要提前擬定，并進(jìn)行長(zhǎng)期維護(hù)。

2 按取水口類(lèi)型劃分的灌區(qū)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

2.1 管道型取水口計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

2.1.1 模式特點(diǎn)

利用管道流量?jī)x表對(duì)灌區(qū)取水管道流量進(jìn)行人工或自動(dòng)采集、計(jì)量及累計(jì)水量，并用人工或自動(dòng)采集數(shù)據(jù)上報(bào)的流量監(jiān)測(cè)模式。

2.1.2 技術(shù)要點(diǎn)

針對(duì)灌區(qū)取水口采用鑄鐵管、鋼管、塑料管等形式輸水管道，利用聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)、聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)、電磁管道流量計(jì)、電子遠(yuǎn)傳水表和普通水表采集、計(jì)量、存儲(chǔ)管道流量及累計(jì)水量，并用人工或自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)上報(bào)用水管理業(yè)務(wù)平臺(tái)。

2.1.3 適用條件和范圍

適用于以管道引水為主的提水灌區(qū)取水口，或灌區(qū)中利用提灌站提水的區(qū)域；管道材質(zhì)以鑄鐵、鋼管、PE管等為主，尺寸一般為10cm～3000cm為宜，適宜有壓管流，量水精度較高，除常規(guī)校準(zhǔn)外，無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)率定，同渠道用水計(jì)量模式相比，能節(jié)省大量的人力物力。

2.2 渠道型取水口計(jì)量監(jiān)測(cè)模式

2.2.1 模式特點(diǎn)

針對(duì)渠道(河道)型取水口灌區(qū)，基于水位-流量關(guān)系曲線推流和流速面積法測(cè)流原理，利用水工建筑物法、特設(shè)量水設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)斷面法、流速面積法等對(duì)水工建筑物或渠道(河道)進(jìn)行水位、流速、流量等參數(shù)的采集，或人工或軟件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算、記錄流量及累計(jì)水量，并傳輸、上報(bào)至用水管理業(yè)務(wù)平臺(tái)。

2.2.2 技術(shù)要點(diǎn)

(1)標(biāo)準(zhǔn)斷面量水模式：利用穩(wěn)定的斷面水位-流量關(guān)系推流，是灌區(qū)量水中常用的方法之一，具有觀測(cè)簡(jiǎn)便、精度適用、省工省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)；適用于渠段順直、斷面規(guī)則、水流均勻、測(cè)流斷面不受建筑物泄流影響的渠道；該方法需要率定水位-流量函數(shù)關(guān)系，配置水位傳感器設(shè)備，由監(jiān)測(cè)水位和水位-流量函數(shù)關(guān)系表查算流量。

(2)流速面積法量水模式：利用流速儀表測(cè)量渠道斷面上流速，并結(jié)合過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，計(jì)算流量的方法。以流速儀法應(yīng)用比較廣泛，主要分機(jī)械、電測(cè)和超聲三種類(lèi)型，其中機(jī)械型以轉(zhuǎn)子式為主，按轉(zhuǎn)子類(lèi)型有旋漿式和旋杯式流速儀，電測(cè)式有電磁式流速儀，超聲型有聲學(xué)時(shí)差法流速儀、多普勒流速儀等。其特點(diǎn)是成果精確，但費(fèi)用高，施測(cè)和計(jì)算繁雜，多在無(wú)水工建筑物及特設(shè)量水設(shè)備不可利用的情況下使用，同時(shí)對(duì)明渠而言須輔助水位測(cè)量。

(3)水工建筑物量水模式：利用渠道上已有的堰閘、涵洞、抽水站、水電站、渡槽等水工建筑物，通過(guò)實(shí)測(cè)水頭、閘門(mén)開(kāi)啟高度等水力參數(shù)，經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗(yàn)公式確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計(jì)算得到流量；用于測(cè)流的水工建筑物應(yīng)滿足一定的邊界條件和水力條件，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)率定、模型實(shí)驗(yàn)、同類(lèi)綜合和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等方法來(lái)確定流量系數(shù)。它既可以減少因灌溉系統(tǒng)設(shè)置其他量水設(shè)施產(chǎn)生水頭損失，又可以節(jié)省大量建設(shè)費(fèi)用。

(4)量水堰槽量水模式：測(cè)流堰橫槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成，通過(guò)量水建筑物主體段過(guò)水?dāng)嗝娴目茖W(xué)收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩(wěn)定的水位與流量關(guān)系。測(cè)流堰槽量水的結(jié)果比較準(zhǔn)確，但要增加設(shè)備費(fèi)用，加大水頭損失。按照結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有的設(shè)施主要有量水堰、測(cè)流槽等。

2.2.3 適用條件和范圍

此模式主要適用于廣大的渠道型取水口灌區(qū)，具體技術(shù)選擇宜結(jié)合灌區(qū)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)條件、斷面情況和精度要求等綜合確定，條件優(yōu)越的大中型灌區(qū)渠首取水口和骨干渠道，可配套水工建筑物法、特設(shè)量水設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)斷面法、流速面積法的自動(dòng)化量水模式；其他渠道等級(jí)較低、量水精度要求不高的渠道取水口，可選擇上述方法的人工量水測(cè)量模式。

3 結(jié)論與建議

灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量涉及監(jiān)測(cè)、傳輸、應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，涉及面廣，應(yīng)用條件復(fù)雜，上述模式通過(guò)在國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)二期項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐，取得了較好的效果。但在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些關(guān)聯(lián)問(wèn)題，對(duì)此提出以下對(duì)策和建議。

(1)四川省灌區(qū)分布較廣，計(jì)量監(jiān)測(cè)建設(shè)任務(wù)艱巨，需要持續(xù)的資金和技術(shù)投入，是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，建議相關(guān)部門(mén)要科學(xué)合理規(guī)劃、密切配合、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，在不斷加大政策支持和技術(shù)及資金投入的同時(shí)，專(zhuān)題研究重點(diǎn)復(fù)雜問(wèn)題，分批次分重點(diǎn)逐步推進(jìn)計(jì)量用水工作開(kāi)展；另一方面，部分灌區(qū)渠首或重要斷面站點(diǎn)大多分布在野外，由于缺乏基本的站房保護(hù)和人員維護(hù)，同時(shí)需要配備相應(yīng)的電源和網(wǎng)絡(luò)條件，其運(yùn)行安全和長(zhǎng)期維護(hù)的代價(jià)是需要考慮的問(wèn)題，因此，建議通過(guò)專(zhuān)題研究解決此類(lèi)問(wèn)題。

(2)四川灌區(qū)條件復(fù)雜，河、渠交錯(cuò)分布，同一灌區(qū)可能存在多種水源、多個(gè)取水口、多種取水形式，干、支渠道間相互補(bǔ)水、退水情況普遍，同一渠道用水類(lèi)型多樣，即使純灌溉渠道也存在退排水任務(wù)，單靠渠首取水口監(jiān)測(cè)的水量判斷農(nóng)業(yè)用水量的方法，在很多渠道斷面行不通。因此，建議合理布局，加大對(duì)灌區(qū)渠首以下渠道用水的計(jì)量監(jiān)測(cè)力度，提高監(jiān)測(cè)布點(diǎn)密度；另一方面，需要綜合考慮多種影響因素，判定渠道灌溉水量，特別復(fù)雜的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水量分析可進(jìn)行專(zhuān)題研究。

(3)通過(guò)對(duì)已建或在建計(jì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)高達(dá)70%以上的站點(diǎn)均采用標(biāo)準(zhǔn)斷面法計(jì)量模式量水，這一類(lèi)通過(guò)水位-流量曲線推流的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，需要事先率定水位與流量的函數(shù)關(guān)系，但根據(jù)灌區(qū)監(jiān)測(cè)斷面現(xiàn)狀及水文變化特征分析，一次性率定好水文要素～流量函數(shù)關(guān)系是不現(xiàn)實(shí)的，常規(guī)做法是經(jīng)多年監(jiān)測(cè)資料累積確定(綜合線法)，這就需要配備相應(yīng)的技術(shù)人員，參與長(zhǎng)期維護(hù)。因此，建議加強(qiáng)相關(guān)管理人員的技術(shù)培訓(xùn)和信息水平提升，有計(jì)劃地進(jìn)行人員培訓(xùn)和人才儲(chǔ)備，以適應(yīng)斷面維護(hù)與率定、設(shè)備更新和系統(tǒng)建設(shè)對(duì)人才的需求。

(4)現(xiàn)階段，由于相關(guān)的用水計(jì)量監(jiān)測(cè)體系不可能大面積覆蓋，為更加準(zhǔn)確獲取灌區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)及全口徑農(nóng)業(yè)用水量，同時(shí)為驗(yàn)證計(jì)量監(jiān)測(cè)體系獲取數(shù)據(jù)的科學(xué)性和有效性提供核實(shí)依據(jù)，建議加強(qiáng)灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)建設(shè)和試驗(yàn)開(kāi)展工作，逐步開(kāi)展各類(lèi)作物灌溉需水規(guī)律和灌溉制度的試驗(yàn)研究，健全墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，減少以往灌區(qū)用水量估算時(shí)采用的經(jīng)驗(yàn)值法的使用，進(jìn)一步提高灌區(qū)用水量監(jiān)測(cè)的科學(xué)合理性，做到總量控制，實(shí)現(xiàn)定額管理。