范縣彭樓引黃灌區(qū)量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)探索與實(shí)踐

王 舒，馬山玉，張玉明，馮永善

（1河南省濮陽(yáng)市范縣水利局；2河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 范縣彭樓引黃灌區(qū)測(cè)流系統(tǒng)建設(shè)背景

范縣彭樓引黃灌區(qū)是全國(guó)434處大型灌區(qū)之一，灌區(qū)位于河南省濮陽(yáng)市范縣中西部，南鄰黃河，北依金堤河，東西長(zhǎng)約23 km，南北寬約14 km，設(shè)計(jì)灌溉面積20 720 hm2。灌區(qū)近年來(lái)開(kāi)展了續(xù)建配套與節(jié)水改造建設(shè)，灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施基本完善，但信息化建設(shè)不足，成為灌區(qū)現(xiàn)代化改造的短板，與水利部提出“十三五”期間全面完成大型灌區(qū)信息化建設(shè)任務(wù)和以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化的總體要求存在差距。為響應(yīng)國(guó)家用水效率控制要求，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃引配水、減少浪費(fèi)、節(jié)約用水目標(biāo)，灌區(qū)管理單位計(jì)劃利用專(zhuān)項(xiàng)資金初步開(kāi)展灌區(qū)信息化建設(shè)。量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是灌區(qū)信息化建設(shè)的重要組成部分，對(duì)灌區(qū)干支渠水量監(jiān)測(cè)及合理分配具有重要意義。

2 范縣彭樓引黃灌區(qū)量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)

2.1 節(jié)水灌溉與地下水補(bǔ)給很難量化平衡

范縣彭樓灌區(qū)地處豫東平原東北角，歷史上金堤河改道、降雨偏少、超采地下水等原因，造成灌區(qū)所屬區(qū)域在內(nèi)的土地鹽堿化，糧食產(chǎn)量極低。為改善土地鹽堿化問(wèn)題，利用緊鄰黃河的地理優(yōu)勢(shì)，興建了彭樓引黃灌區(qū)，耕地由種植小麥、玉米的旱地發(fā)展為種植水稻的稻田，渠系及田間入滲轉(zhuǎn)換為地下水，多年的灌溉使土壤中的鹽堿溶解后下滲，鹽堿化問(wèn)題得到改善，水稻年年豐收，促進(jìn)了地下水補(bǔ)給，特別是灌區(qū)南部區(qū)域地下水回補(bǔ)明顯。過(guò)去采用的大田漫灌方式，雖然屬于嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)，但對(duì)土地鹽堿化改善起到至關(guān)重要的作用。目前，鹽堿化初步得到改善，應(yīng)該研究節(jié)水灌溉與地下水補(bǔ)給的平衡關(guān)系，但是因?yàn)橐?、引水時(shí)間、降雨量、蒸發(fā)量等多因素相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致節(jié)水灌溉與地下水補(bǔ)給很難量化平衡。

2.2 農(nóng)民節(jié)水認(rèn)識(shí)不夠

范縣彭樓灌區(qū)是曾經(jīng)的貧困地區(qū)，農(nóng)村居民科學(xué)文化水平還有待提高，多數(shù)農(nóng)民認(rèn)為節(jié)水灌溉很難保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)，對(duì)節(jié)水灌溉所帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)利益與長(zhǎng)遠(yuǎn)利益缺乏全面認(rèn)識(shí)，同時(shí)為了節(jié)省灌溉時(shí)間，采用大田漫灌減少灌溉次數(shù)，而拒絕采用多次少量的節(jié)水灌溉模式。

2.3 用水和供水時(shí)空矛盾

范縣彭樓灌區(qū)地處北方，又以水稻為糧食作物，用水高峰相對(duì)集中，特別是整地插秧期間、夏季稻穗分化到抽穗期間，灌區(qū)南部干支渠利用區(qū)域優(yōu)勢(shì)優(yōu)先用水，導(dǎo)致灌區(qū)北部用不上水或水量很小。同時(shí)，彭樓灌區(qū)為自流灌區(qū)，小浪底水庫(kù)建成后，通過(guò)調(diào)水調(diào)沙，導(dǎo)致黃河中下游主河槽下切約1.50 m，灌區(qū)渠首常年很難達(dá)到設(shè)計(jì)引水流量，引水流量的不足，只能通過(guò)增加引水時(shí)間彌補(bǔ)。因此，用水和供水的時(shí)間、空間均存在矛盾，加大了管理和調(diào)度的難度。

2.4 自動(dòng)化信息化基礎(chǔ)設(shè)施薄弱

灌區(qū)總干渠長(zhǎng)約2.47 km，設(shè)計(jì)流量50 m3/s，經(jīng)絳河樞紐分叉為兩支，向東北方向?yàn)樾翖罡汕硪恢П鄙霞s1.16 km后分在豆莊樞紐分為濮東干渠和濮西干渠。干渠共4 條長(zhǎng)約55.30 km，支渠39 條共102.10 km。各類(lèi)樞紐閘、節(jié)制閘、分水閘、退水閘、斗口閘等共計(jì)近百座，樞紐閘及節(jié)制閘等雖為手電兩用啟閉機(jī)，除辛楊樞紐閘通電外，其他水閘現(xiàn)地未通電，使用時(shí)需接移動(dòng)電源；部分水閘為手動(dòng)螺桿機(jī)啟閉；灌區(qū)基本沒(méi)有自動(dòng)化裝置。渠道上的量測(cè)水裝置幾乎空白，全靠管理人員通過(guò)觀察水位、鉛魚(yú)測(cè)流和經(jīng)驗(yàn)調(diào)度。

2.5 泥沙淤積嚴(yán)重

范縣彭樓灌區(qū)為自流引水灌區(qū)，可利用水頭小，特別是黃河主河槽下切后，灌區(qū)取水流量不足，流速較小，導(dǎo)致干渠、支渠、斗渠泥沙淤積嚴(yán)重，每年的冬季均需組織人力物力開(kāi)展清淤工作。隨著年度灌溉的持續(xù)，淤積持續(xù)，造成渠道斷面全年變化，增加了測(cè)流系統(tǒng)建設(shè)的難度。

3 范縣彭樓引黃灌區(qū)量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)探索

范縣彭樓灌區(qū)信息化建設(shè)首要任務(wù)是節(jié)水優(yōu)先，根據(jù)各支渠的灌溉面積，合理確定分水流量。其次，掌握各干渠、支渠的引水流量，便于灌區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水資源的優(yōu)化配置，結(jié)合水稻生長(zhǎng)用水量情況，盡可能實(shí)現(xiàn)空間均衡，避免出現(xiàn)灌區(qū)南部漫灌后進(jìn)入排水溝，而灌區(qū)北部無(wú)水可灌的情況；同時(shí)，在水稻分蘗等稻田不需要深水的時(shí)段，減少總干的引水量，避免直接退水。

綜合分析灌區(qū)現(xiàn)狀及信息化建設(shè)難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析、思考和論證。為實(shí)現(xiàn)彭樓灌區(qū)的信息化建設(shè)總目標(biāo)，必然要經(jīng)歷多個(gè)階段。先期建設(shè)階段：加強(qiáng)灌區(qū)管理單位人員的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，使其理解水利信息化管理業(yè)務(wù)的核心內(nèi)容，提高灌區(qū)管理單位對(duì)灌區(qū)水利信息化的管理能力；吸收消化其他灌區(qū)信息化建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)，特別是泥沙淤積嚴(yán)重的其他引黃灌區(qū)成功經(jīng)驗(yàn)，以量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)為依托，開(kāi)展相關(guān)研究探索，逐步建立彭樓灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)，從而逐漸實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的現(xiàn)代化。

3.1 灌區(qū)管理單位信息化管理業(yè)務(wù)職能建設(shè)

3.1.1 農(nóng)作物需水計(jì)劃編制

范縣彭樓灌區(qū)覆蓋6 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，255 個(gè)自然村。灌區(qū)以支渠作為供水單元，每個(gè)支渠覆蓋不同的自然村，結(jié)合灌溉面積和農(nóng)作作物生長(zhǎng)周期的用水量，可初步確定一定周期內(nèi)的用水需要，各級(jí)管理機(jī)構(gòu)將編制的支渠、干渠計(jì)劃用水量匯總，形成整改灌區(qū)的需水計(jì)劃表。

3.1.2 配水計(jì)劃編制

配水計(jì)劃主要是制定各支渠口的水量分配計(jì)劃，按照各區(qū)段和田間的水利用系數(shù)，分別求出每日及每個(gè)輪灌期的配水量，計(jì)算公式如下：

式中：W斗j為第j條斗渠口門(mén)分水的毛需水量；Aji為第j條斗渠控制的第i類(lèi)作物種植的面積；mji為對(duì)應(yīng)于灌溉面積的灌水定額；μ斗i為第j條斗渠農(nóng)渠的平均水利用系數(shù)；μ田為田間水利用系數(shù)；W支k為第k條支渠口門(mén)的毛需水量；μ斗j-k為第k條支渠第j 條斗渠到該條支渠分水口之間的渠道水利用系數(shù)；W干s為第s 條干渠樞紐閘的毛需水量，μk-s為第s 條干渠中第k 條支渠到該支渠口門(mén)之間渠道水利用系數(shù)。

3.1.3 水量平衡計(jì)算

由于灌區(qū)范圍內(nèi)的降雨、氣溫、蒸發(fā)等氣象情況復(fù)雜多變；其次，黃河分配給灌區(qū)的用水指標(biāo)為年度總用水指標(biāo)，未細(xì)化到各時(shí)間段；再次，灌區(qū)渠首取水流量不足，用水高峰時(shí)段分不到足夠的水量，導(dǎo)致各干渠、支渠、斗渠的分水量與配水計(jì)劃不能完全吻合，因此必須根據(jù)灌區(qū)渠首的引水量進(jìn)行水量平衡，以確定實(shí)際配水量。

3.1.4 供水計(jì)劃編制

水量平衡后，就可確定各干渠、支渠和斗渠的分水流量和分水持續(xù)時(shí)間。因灌區(qū)取水量不足，必須采取輪灌措施才能基本保證配水平衡。分水計(jì)劃主要依據(jù)輪期計(jì)劃分水量、輪期時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)也需考慮因淤積導(dǎo)致的過(guò)流能力等特殊情況，如輪期分水量較大，而流量較小，就需要延長(zhǎng)輪灌時(shí)間。

3.1.5 控制點(diǎn)上下游水位、流量確定

在計(jì)算出灌區(qū)上下游各區(qū)段的毛配水量后，可根據(jù)渠道的坡降，樞紐閘、節(jié)制閘、分水口建筑物的結(jié)構(gòu)形式、物理特性，可推算水位流量關(guān)系曲線，依此得出各區(qū)段的控制水位值，指導(dǎo)各渠道區(qū)段的水閘運(yùn)行。也可建設(shè)適量的量測(cè)水設(shè)施，使用量測(cè)水設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)水量分配與調(diào)度。

3.2 測(cè)流系統(tǒng)建設(shè)

要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的水量分配與調(diào)度，首先要全面、系統(tǒng)地獲取灌區(qū)的各種信息，特別是渠道的水位信息、流速信息、流量信息，并通過(guò)智能化設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，管理人員依據(jù)供水計(jì)劃，結(jié)合灌區(qū)的實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的水量調(diào)度和分配。為此彭樓灌區(qū)計(jì)劃在干渠和較大支渠上建設(shè)自動(dòng)化量測(cè)水的監(jiān)測(cè)站和遙測(cè)站等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水位、流速、流量等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)送，在灌區(qū)管理所建設(shè)中心站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受、存儲(chǔ)和分析使用。

3.2.1 灌區(qū)量測(cè)水設(shè)備選型

王懷博等人在寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠支干渠第二農(nóng)場(chǎng)渠的斗渠上建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)流斷面，在流量為1～3 m3量級(jí)開(kāi)展了量測(cè)水設(shè)備比測(cè)試驗(yàn)，得出了：①推薦唐徠渠斗渠采用非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)，其次是直開(kāi)口手動(dòng)閘門(mén)量控水系統(tǒng)，除個(gè)別水位外非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)的流量值符合測(cè)流規(guī)范的誤差要求；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。

王成福等人在《淺析我國(guó)農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水量測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展》一文中，列舉農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水量測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀。因泥沙淤積、投資、能否直接采集數(shù)據(jù)等多種原因，水工建筑物量水、特種量水設(shè)備、電子水尺、水位流量法均不太適合彭樓灌區(qū)。

綜合分析其他灌區(qū)已建量測(cè)水設(shè)備，非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)具有更加智能的特點(diǎn)，并且在標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面時(shí)各水位流量值符合測(cè)流規(guī)范誤差要求。經(jīng)過(guò)近幾年連續(xù)的續(xù)建配套和節(jié)水改造，彭樓灌區(qū)渠道全部硬化，渠道斷面平直、標(biāo)準(zhǔn)，適合采用非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)測(cè)流。

3.2.2 非接觸式一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)建設(shè)

范縣彭樓灌區(qū)利用專(zhuān)項(xiàng)資金，在總干渠、干渠和主要支渠建設(shè)了共計(jì)19套非接觸式一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)。通過(guò)安裝在鋼結(jié)構(gòu)懸臂桿下部的一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)采集渠道的水位、表面流速，系統(tǒng)還包括太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和RTU終端。水位計(jì)、流速儀內(nèi)置固化了不同現(xiàn)場(chǎng)邊界條件下的流量計(jì)算模型（表面流速與過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉訇P(guān)系）及流量計(jì)算軟件。流量計(jì)還植入了智能判斷模塊，當(dāng)流速小于0.15 m/s 時(shí)，自動(dòng)啟用大功率雷達(dá)波以保證流速獲取，同時(shí)利用上位機(jī)程序，輸入渠道斷面和泥沙淤積曲線，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，得到不同過(guò)水?dāng)嗝?、糙率下的斷面平均流速點(diǎn)位置與水文關(guān)系，大幅度降低了率定的工作量，也提高了一體化智能量測(cè)精度。

3.2.3 流量率定結(jié)論

量測(cè)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建成投入使用并且渠道清淤后，委托水文單位對(duì)其中的6 處非接觸式一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)進(jìn)行了率定，利用相同斷面數(shù)據(jù)（含淤泥斷面），一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)的測(cè)量成果與水文單位的測(cè)量成果接近，誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.2.4 量測(cè)水系統(tǒng)建成后存在的問(wèn)題

灌區(qū)引水量不足，導(dǎo)致流速達(dá)不到設(shè)計(jì)流速，進(jìn)而導(dǎo)致水中的泥沙緩慢析出沉淀，造成渠道淤積，淤積后因過(guò)水?dāng)嗝孀冃?，?dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)逐漸偏大。針對(duì)泥沙淤積，不管采用何種測(cè)流方案和設(shè)備，幾乎沒(méi)有合適的解決方案，而采用非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)，可以采用在設(shè)備中輸入淤泥斷面和對(duì)應(yīng)K值系數(shù)的方式基本解決淤積導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。如何精準(zhǔn)測(cè)量水下的淤泥斷面，需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語(yǔ)

范縣彭樓灌區(qū)建設(shè)的非接觸式一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)測(cè)流系統(tǒng)，具有測(cè)流設(shè)施安裝簡(jiǎn)單、安全性高、容易實(shí)現(xiàn)渠道流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為灌區(qū)水量分配和調(diào)度提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為下階段信息化建設(shè)提供了參考依據(jù)。隨著管理人員管理水平的提升，運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累和充分分析，淤積導(dǎo)致精度不足的問(wèn)題也會(huì)徹底解決。