新疆博斯騰下游灌區(qū)明渠量水方式選擇及敏感要素分析

山巴依爾，王靜茹

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

博斯騰灌區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，地處開(kāi)都河、孔雀河流域平原區(qū)，規(guī)劃灌溉面積 260萬(wàn)畝，是自治區(qū)商品糧和優(yōu)質(zhì)棉基地。庫(kù)塔干渠位于博斯騰灌區(qū)下游，行政單位隸屬于塔里木河流域巴音郭楞管理局，現(xiàn)狀年控制灌溉面積43.75萬(wàn)畝。主要承擔(dān)庫(kù)爾勒市、尉犁縣的農(nóng)業(yè)灌溉用水任務(wù)和向農(nóng)二師塔墾區(qū)、西尼爾水庫(kù)輸水及塔河下游輸送生態(tài)水的任務(wù)。1998年開(kāi)始冬季輸水任務(wù)。

庫(kù)塔總干渠自孔雀河第一分水樞紐引水，末端分為兩支渠道，一支為西干渠，一支為希尼爾水庫(kù)進(jìn)水渠，庫(kù)塔總干渠水進(jìn)入希尼爾水庫(kù)后經(jīng)過(guò)放水閘進(jìn)入東干渠?？偢汕L(zhǎng)19.246 km，設(shè)計(jì)流量35～40 m3/s，西干渠長(zhǎng)38 km，設(shè)計(jì)流量15～23 m3/s，庫(kù)塔東干渠長(zhǎng)43.46 km，設(shè)計(jì)流量25 m3/s。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(GB50600-2010)確定，庫(kù)塔總干渠改造段工程規(guī)模為大型，渠道及主要建筑物工程級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)。

1 量水方法選取

1.1 灌區(qū)量水特點(diǎn)

博斯騰灌區(qū)下游灌區(qū)位于孔雀河沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)自西北向東南傾斜，地形由陡趨向平緩，地面高程為950～880 m，地面坡度為2.3‰～0.5‰。

新疆南疆地區(qū)的水資源特點(diǎn)是降雨量少、蒸發(fā)量大，存在嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題?？兹负邮情_(kāi)都河匯入博斯騰湖，經(jīng)博斯騰湖調(diào)節(jié)后出流，因博斯騰湖的沉淀作用，除洪水期哈滿溝洪水匯入帶進(jìn)一些泥沙外，其余時(shí)段水質(zhì)清澈，含沙量少。

1.2 常用量水方法

目前用于灌區(qū)的常用量水方法包括水工建筑物量水(包括閘門(mén)、跌水、渡槽、倒虹吸等)、特設(shè)量水設(shè)備量水(包括簡(jiǎn)易量水檻、無(wú)喉道量水槽、長(zhǎng)喉道量水槽、巴歇爾量水槽等)、流速儀量水、標(biāo)準(zhǔn)斷面量水以及專(zhuān)用量水儀器等。

水工建筑物量水經(jīng)濟(jì)、方便但不夠精確，適用于含沙量小的渠道；特設(shè)量水設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，量測(cè)小流量時(shí)精度較高，但需要額外水頭；流速儀量水適用性廣、方法正確時(shí)較準(zhǔn)確，但比較耗時(shí)；標(biāo)準(zhǔn)斷面量水成本低，水頭損失小，但對(duì)斷面要求較高；儀表類(lèi)流量計(jì)量水最精確，但價(jià)格較貴，對(duì)灌溉水質(zhì)有一定要求[1-3]。

可見(jiàn)不同的量水方法適用性、水頭損失、通過(guò)泥沙能力、自動(dòng)化程度、運(yùn)行管理要求、率定要求等各不相同，針對(duì)不同的渠道特點(diǎn)及測(cè)流要求，選擇考慮的要素及方案千差萬(wàn)別。

1.3 灌區(qū)量水方法選取

庫(kù)塔總干渠自孔雀河第一分水樞紐引水，目前常用量水方法包括水工建筑物量水、流速儀量水。在沒(méi)有設(shè)置進(jìn)水涵閘的渠段測(cè)流時(shí)，可考慮量水槽量水[4](見(jiàn)圖1)。其中長(zhǎng)喉道量水槽具有水流非阻流性的特點(diǎn)，量測(cè)范圍廣泛，適用于各級(jí)灌溉渠道的流量量測(cè)，具有水頭損失小，精確度較高的特點(diǎn)。

超聲波流量計(jì)測(cè)流直觀簡(jiǎn)便，高精度，水頭損失小，基本不需要現(xiàn)場(chǎng)率定。它的缺點(diǎn)也比較明顯，初始建設(shè)成本和維修成本比較高。而對(duì)于大型渠道，量水設(shè)備的建設(shè)成本相對(duì)渠道的建設(shè)成本較低，因此在灌區(qū)可承受范圍之內(nèi)。

因此根據(jù)氣候條件、渠道的特性、水質(zhì)要求、建設(shè)施工要求、量測(cè)水人員的準(zhǔn)確操作程度等原因考慮，選取長(zhǎng)喉槽和超聲波流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)。

2 量水方案對(duì)比

已知總干渠上有矩形斷面和梯形斷面兩種斷面，同時(shí)為使量水設(shè)備的選擇能為庫(kù)塔干渠灌區(qū)提供可行性建議，需要同時(shí)考慮大流量工況和小流量工況，因此從總干渠選擇①0+350～0+820渠段、②10+700～10+950渠段，從西干渠選擇③金鹿閘渠段進(jìn)行比對(duì)。

2.1 總干渠量水方案

2.1.1 典型渠段1

0+350～0+820渠段底寬4 m，邊坡為1∶1.5，設(shè)計(jì)流量35 m3/s，設(shè)計(jì)水深1.95 m，加大2.09 m，設(shè)計(jì)的渠深2.98 m，測(cè)流范圍為0.7～35 m3/s。

1)長(zhǎng)喉槽。長(zhǎng)喉槽實(shí)際上是一種改進(jìn)型的寬頂堰。一般來(lái)說(shuō)主要由行進(jìn)渠道段、收縮段、控制段、擴(kuò)散段和尾水渠段五部分組成。在行進(jìn)渠道段設(shè)計(jì)一個(gè)水位觀測(cè)站，測(cè)堰頂水頭h1，由上游水位代入長(zhǎng)喉槽流量公式就可計(jì)算得對(duì)應(yīng)流量(見(jiàn)表1)。

圖1 量水槽平面布置圖

表1 長(zhǎng)喉槽尺寸表 m

2)超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)主要由超聲波換能器和帶微處理器的二次儀器組成。超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，可以載上流體流速的信息，因而通過(guò)接收穿過(guò)流體的超聲波就可以監(jiān)測(cè)處流體的流速，從而轉(zhuǎn)換成為流量。超聲波測(cè)流方法主要有傳播時(shí)間差法(時(shí)差法、相位差法、頻差法)、波束偏移法、多普勒法等。

其中比較常用的是時(shí)差法和多普勒法。時(shí)差法超聲波流量計(jì)只能用于清潔液體和氣體，多普勒法超聲波流量計(jì)主要適用于含有固體顆粒或雜質(zhì)的流體的計(jì)量。多普勒流量計(jì)誤差大于時(shí)差式超聲波流量計(jì)且時(shí)差法使用較為普遍?？紤]到庫(kù)塔干渠水質(zhì)較為清澈，泥沙含量較少，因此選取時(shí)差法測(cè)流的UF-911多聲路超聲波流量計(jì)。

由于總干渠渠底寬不超15 m，根據(jù)換能器及水位計(jì)選配原則，UF-911流量計(jì)采用2聲路布置，投入式水位計(jì)，換能器頻率為1 MHz , 選擇直段超過(guò)20倍渠寬的位置安裝[5]。其設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 干渠設(shè)備配置表

3)兩種方案對(duì)比。長(zhǎng)喉槽和超聲波流量計(jì)兩種量水方法在建設(shè)成本、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)比如表3所示。

表3 兩種量水方法對(duì)比表

2.1.2 典型渠段2

總干渠10+700～10+950段渠道為矩形斷面，底寬為16 m，渠深2.3～3.15 m，渠底采用12 cm厚C20F200W6現(xiàn)澆混凝土板襯砌，兩側(cè)邊墻采用現(xiàn)澆混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)?？偢汕木匦螖嗝婧吞菪螖嗝媲赖牧髁孔兓淮螅部筛鶕?jù)①的比對(duì)方法以此類(lèi)推。

2.2 西干渠量水方案

西干渠上選取的典型渠段為金鹿閘處，與取水口距離39 km，有電子水情監(jiān)測(cè)設(shè)施，設(shè)計(jì)流量為13 m3/s，底寬3.3 m、渠深2.05 m，邊坡為1∶1.5。測(cè)流范圍為0.3～13 m3/s。

與總干渠相同，選取長(zhǎng)喉槽、超聲波流量計(jì)進(jìn)行比對(duì)。設(shè)計(jì)的長(zhǎng)喉槽尺寸如表4所示。

表4 長(zhǎng)喉槽尺寸表 m

與總干渠相同，超聲波流量計(jì)同樣選取UF-911多聲路超聲波流量計(jì)。

計(jì)算出長(zhǎng)喉槽建設(shè)費(fèi)用約為0.3萬(wàn)元，對(duì)水位計(jì)的維護(hù)費(fèi)用需每三年花費(fèi)1.2萬(wàn)元率定一次；超聲波流量計(jì)總共只需要17.5萬(wàn)元的建設(shè)成本，其中14萬(wàn)設(shè)備費(fèi)用，3.5萬(wàn)安裝費(fèi)用。

2.3 灌區(qū)量水方案確定

庫(kù)塔干渠總干渠、金鹿閘西干渠是開(kāi)放式明渠，其量水方法的選擇考慮了水工建筑物、巴歇爾槽、流速儀、長(zhǎng)喉槽、超聲波流量計(jì)等。考慮到灌區(qū)地形由陡趨向平緩，水質(zhì)清澈，含沙量少等原因，主要選擇長(zhǎng)喉槽和UF-911多聲路超聲波流量計(jì)進(jìn)行了對(duì)比。

大流量工況下(即總干渠)用長(zhǎng)喉槽測(cè)流水頭損失比較大，可達(dá)到0.5 m以上，建設(shè)成本較小，但后期定期率定需要額外的費(fèi)用；而超聲波流量計(jì)雖然建設(shè)成本比較高，共需要17.5萬(wàn)元(其中14萬(wàn)設(shè)備費(fèi)用，3.5萬(wàn)安裝費(fèi)用)，但后期基本不需要維護(hù)費(fèi)用，且?guī)缀鯖](méi)有水頭損失，因此建議在大流量工況下的總干渠渠段選用超聲波流量計(jì)。

小流量工況下(即西干渠)，用長(zhǎng)喉槽測(cè)流水頭損失約0.2 m，建設(shè)成本只需約0.3萬(wàn)元，定期率定需每三年花費(fèi)1.2萬(wàn)元。相比超聲波流量計(jì)花費(fèi)較少，且相對(duì)總干渠對(duì)水頭損失要求沒(méi)有太高時(shí)考慮選用長(zhǎng)喉槽測(cè)流。

因此，本灌區(qū)在選擇量水方法時(shí)，要考慮所選渠段的流量工況、選取的量水設(shè)備造成的水頭損失、建設(shè)成本以及運(yùn)行成本，同時(shí)考慮到本灌區(qū)混凝土襯砌易發(fā)生凍融破壞，在襯砌表面鋪設(shè)土工膜[6-7]。即本灌區(qū)選擇量水方法的敏感因素有地形、流量、水頭損失、成本等。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在庫(kù)塔干渠灌區(qū)總干渠上選擇量水方法時(shí)，考慮到盡可能減小水頭損失，建議選擇超聲波流量計(jì)測(cè)流。

2)在庫(kù)塔干渠灌區(qū)西干渠上選擇量水方法時(shí)，主要考慮量水設(shè)備的建設(shè)成本和運(yùn)行成本，建議采用長(zhǎng)喉槽測(cè)流。

3)在總干渠和西干渠量水方法選擇上主要考慮了地形、流量、水頭損失、成本等敏感因素，在本灌區(qū)其他渠道上以及類(lèi)似灌區(qū)量水設(shè)備的選用也要考慮這些敏感因素。