大中型灌區(qū)取用水量測(cè)控設(shè)施計(jì)量能力提升探討

謝崇寶

（中國灌溉排水發(fā)展中心，100054，北京）

為深入貫徹新發(fā)展理念，全面落實(shí)“十六字”治水思路，切實(shí)執(zhí)行水資源剛性約束機(jī)制，有效推動(dòng)水資源集約節(jié)約安全利用，迫切需要切實(shí)提升灌區(qū)取用水設(shè)備計(jì)量性能。目前我國大中型灌區(qū)共有7 880多處，有效灌溉面積5.2億畝（1畝＝1/15 hm2），年均灌溉用水量2 150億m3左右，占全國農(nóng)業(yè)灌溉用水總量的61%，但與此同時(shí)，大型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)僅為0.525，中型灌區(qū)僅為0.540，與國際先進(jìn)水平相比仍有較大差距，因此，大中型灌區(qū)仍是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要領(lǐng)域。實(shí)踐表明，灌區(qū)取用水的總量控制和定額管理、水權(quán)明晰和水價(jià)改革、區(qū)域配置和精細(xì)化管理，灌區(qū)水量的計(jì)量和控制都是構(gòu)成這些重要措施的基礎(chǔ)性工作。為全面、準(zhǔn)確、及時(shí)掌握灌區(qū)取用水情況，提高水資源管理精細(xì)化水平，大中型灌區(qū)取用水量測(cè)控設(shè)施必將得到進(jìn)一步推廣與普及，因此，對(duì)其計(jì)量性能的提升和完善，是一項(xiàng)十分必要和緊迫的工作。

一、量測(cè)控設(shè)備計(jì)量性能室內(nèi)檢定與校準(zhǔn)測(cè)試方法

灌區(qū)量測(cè)控設(shè)備不僅包括量水、測(cè)水和控水設(shè)備，也包括集成設(shè)備即水量測(cè)控一體化設(shè)備，其內(nèi)涵關(guān)鍵詞所界定為“比較”“探究”“駕馭”“集成”。量測(cè)控設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)維等過程需要開展大量的試驗(yàn)與測(cè)試工作，這些工作對(duì)量測(cè)控設(shè)備計(jì)量性能的提升和完善具有重要的作用。由于流量計(jì)量設(shè)備種類繁多，其測(cè)量原理、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、加工工藝、使用環(huán)境等不盡相同,有必要通過室內(nèi)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)這些量測(cè)控設(shè)施的計(jì)量性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)室檢定與校準(zhǔn)主要測(cè)試方法包括標(biāo)準(zhǔn)表法、容積法和靜水槽法三大類。

1.標(biāo)準(zhǔn)表法

以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，通過構(gòu)建適當(dāng)?shù)乃魍ǖ?，使流體在相同的時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量設(shè)備，比較兩者的輸出流量值，從而確定被檢測(cè)流量設(shè)備的計(jì)量性能，其主要組成包括水源、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、待檢流量裝置、循環(huán)水流系統(tǒng)和相關(guān)測(cè)控系統(tǒng)等。標(biāo)準(zhǔn)表法可用于各種類型的流量裝置的檢定、校準(zhǔn)、比對(duì)及流量測(cè)試方法的研究，是流量量值傳遞的重要手段，標(biāo)準(zhǔn)表法系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法流量檢定與校準(zhǔn)

2.容積法

容積法也稱體積法，以儲(chǔ)水池為標(biāo)準(zhǔn)器，通過構(gòu)建適當(dāng)?shù)乃魍ǖ篮涂蓽y(cè)變化容積裝置，測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)水池中水體體積變化來標(biāo)定待測(cè)裝置的計(jì)量性能。具體操作中，在試驗(yàn)渠槽中或管道上安裝待測(cè)流量裝置，通過閘門或泵站控制輸水，啟動(dòng)待測(cè)裝置并記錄瞬間流量和累計(jì)水量，同時(shí)監(jiān)測(cè)入池水量體積變化，通過與待測(cè)流量裝置累計(jì)水量相比較，從而評(píng)價(jià)待測(cè)流量裝置的計(jì)量性能，如圖2所示。實(shí)踐中，遵循容積法相同檢定原理，標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)水池可用標(biāo)準(zhǔn)容量罐代替，水體體積變化監(jiān)測(cè)可用高準(zhǔn)確度的稱量設(shè)備代替，在這種工況下，由于標(biāo)準(zhǔn)量器從儲(chǔ)水池和容量罐調(diào)整為稱量設(shè)備，因此，這種檢定與校準(zhǔn)方法也稱之為稱量法或稱重法。

圖2 容積法流量檢定

3.靜水槽法

靜水槽法也稱為靜水拖曳法，以檢定車為標(biāo)準(zhǔn)器，通過構(gòu)建橫截面均勻一致的直線矩形長水槽，以各種穩(wěn)定的車速牽引拖曳被測(cè)裝置，測(cè)出被測(cè)裝置的流速計(jì)量性能。一般而言，矩形長水槽其槽體尺寸的大小，應(yīng)根據(jù)檢定儀器的類型、檢定數(shù)量和最大檢定速度等確定，且應(yīng)保持必要的長度、寬度和水深，并要求水槽邊壁光滑平整。靜水槽在長度方向應(yīng)分為三個(gè)區(qū)間，分別為加速區(qū)、勻速運(yùn)動(dòng)區(qū)和減速區(qū)，其中勻速運(yùn)動(dòng)區(qū)為儀器檢定階段，如圖3所示。靜水槽法是水體不動(dòng)，待測(cè)設(shè)備在檢定車的帶動(dòng)下穿過水體，以穩(wěn)定的檢定車速度表示待測(cè)設(shè)備穿過水體的速度，從而標(biāo)定待測(cè)設(shè)備的流速計(jì)量性能。動(dòng)水槽法與此相反，待檢設(shè)備固定于水槽水體中的某個(gè)位置，水流運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)器來標(biāo)定待測(cè)設(shè)備的流速計(jì)量性能。動(dòng)水槽法通常需要較大投資才能獲得可精確控制流速的水流,因而實(shí)際應(yīng)用較少，相應(yīng)靜水槽法卻簡(jiǎn)單易行且精度較高，已得到普遍應(yīng)用。

圖3 靜水槽法流速檢定與校準(zhǔn)

二、量測(cè)控設(shè)備計(jì)量精度現(xiàn)場(chǎng)檢定與校準(zhǔn)測(cè)試方法

量測(cè)控設(shè)備安裝到灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)后，由于環(huán)境的改變，理想的水力學(xué)條件被打破，加之運(yùn)行的持續(xù)，部分結(jié)構(gòu)參數(shù)或運(yùn)行參數(shù)不可避免地會(huì)發(fā)生變化，因此，定期對(duì)運(yùn)行中的量測(cè)控設(shè)備的計(jì)量性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是十分必要的?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法主要包括實(shí)流標(biāo)定法和幾何檢驗(yàn)法兩大類。實(shí)流現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)中應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)測(cè)試規(guī)程規(guī)范，并應(yīng)對(duì)相關(guān)施測(cè)單位提出資質(zhì)要求。

1.實(shí)流標(biāo)定法

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，流速儀測(cè)流成果可用于率定水工建筑物流量系數(shù)、確定過流斷面水位流量關(guān)系曲線、分析渠道水利用系數(shù)等，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流標(biāo)定法目前仍以國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的流速儀量水為依據(jù)。流速儀量水主要包括過流斷面面積測(cè)量和過流斷面平均流速測(cè)量與計(jì)算。具體操作中，應(yīng)在待檢設(shè)備的上下游適當(dāng)位置水流平穩(wěn)處，選擇布設(shè)實(shí)流測(cè)定斷面，在整個(gè)測(cè)試期間，兩個(gè)測(cè)流斷面的上下游不應(yīng)對(duì)施測(cè)斷面的過流過程造成影響，兩測(cè)流斷面之間不應(yīng)有任何其他入流或出流，過流斷面水流流態(tài)應(yīng)保持穩(wěn)定。流速儀量水重點(diǎn)要把握測(cè)流垂線和垂線測(cè)點(diǎn)的布置及測(cè)流傳感器的選定。當(dāng)測(cè)流點(diǎn)布設(shè)確定以后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和人力物力配備情況，選擇確定適宜的測(cè)量方式和每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)流歷時(shí)。這些方式主要包括人工逐點(diǎn)流速施測(cè)和自動(dòng)控制逐點(diǎn)流速施測(cè)，推薦采用框架式流速儀多點(diǎn)同時(shí)施測(cè)方法。隨著新型量測(cè)水設(shè)備的研制并獲得計(jì)量認(rèn)證許可，可以逐步實(shí)現(xiàn)更加便捷的斷面流量實(shí)測(cè)，如不同水深層流速施測(cè)，全斷面走航式ADCP施測(cè)等。

2.幾何檢驗(yàn)法

當(dāng)實(shí)流標(biāo)定法由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)、人力物力、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等多種因素導(dǎo)致無法便捷使用時(shí)，可采用幾何檢驗(yàn)法對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)流設(shè)備的計(jì)量精度進(jìn)行可靠度分析。實(shí)際上，幾何檢驗(yàn)法是在現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，直接由尺寸測(cè)量來確定流量監(jiān)測(cè)設(shè)備計(jì)量性能的校驗(yàn)方法。幾何檢驗(yàn)法所需要使用的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具主要包括水準(zhǔn)儀、長度尺、角度儀、鋼卷尺、測(cè)深桿、水位計(jì)等，依靠這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和附近的固定水準(zhǔn)點(diǎn)高程，對(duì)待測(cè)的計(jì)量設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和水位測(cè)量設(shè)備的安裝高程及水頭參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得到多種參數(shù)的不確定度，再經(jīng)過綜合分析得到待測(cè)設(shè)備過流量的不確定度。

綜合上述測(cè)試方法，在實(shí)際工作中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，測(cè)試目標(biāo)和測(cè)試要求不盡相同，因此可根據(jù)待檢測(cè)設(shè)施周邊具體條件，因地制宜選擇適宜的測(cè)試比對(duì)方法。如就近具備體積足夠大的規(guī)范蓄水池或規(guī)整的干涸渠道，可依據(jù)容積法原理完成現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)試；如就近具備良好測(cè)流裝置的固定泵站或移動(dòng)水泵，可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)表法原理完成流量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

三、意見與建議

1.科學(xué)制定灌區(qū)取用水量測(cè)控系統(tǒng)整體規(guī)劃

灌區(qū)量測(cè)控系統(tǒng)整體規(guī)劃布局關(guān)系到全灌區(qū)水資源的優(yōu)化調(diào)度及灌溉供水服務(wù)的安全性、公平性、可靠性和靈活性。由于灌區(qū)水資源的全局性和水流的系統(tǒng)性及水量調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)性，灌區(qū)量測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)站布局應(yīng)遵循整體規(guī)劃和分步實(shí)施的原則，應(yīng)力求避免在具體項(xiàng)目執(zhí)行過程中出現(xiàn)上下游不匹配和先后建設(shè)相矛盾的尷尬局面。應(yīng)高度重視大中型灌區(qū)量測(cè)控設(shè)施的整體規(guī)劃，充分利用現(xiàn)有渠系及建筑物來完成計(jì)量功能的提升，同時(shí)應(yīng)保持灌區(qū)上下游量測(cè)控設(shè)備選型和計(jì)量精度的合理一致性。在實(shí)現(xiàn)途徑上，應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革及大中型灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造，補(bǔ)充完善灌區(qū)量測(cè)控設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃或?qū)ｉT章節(jié)，細(xì)化實(shí)化水量測(cè)控方案，在取水口、干支斗渠口門、行政管理邊界、特定用戶取水點(diǎn)、骨干工程與田間工程輸配水分界點(diǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過新建安裝適宜的計(jì)量設(shè)施或采用適當(dāng)方法改善已有設(shè)施的計(jì)量性能，有效擴(kuò)大灌區(qū)取用水計(jì)量覆蓋面，全面提升灌區(qū)取用水監(jiān)測(cè)與控制水平。

2.努力提升經(jīng)典量水方法模型創(chuàng)新能力

根據(jù)量測(cè)控相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，灌區(qū)量水應(yīng)優(yōu)先推薦使用建筑物量水和標(biāo)準(zhǔn)斷面量水，這些經(jīng)典量水方法不僅節(jié)約建設(shè)成本，而且不增加新的水頭損失，也不會(huì)由于新增計(jì)量設(shè)施導(dǎo)致渠道輸配水淤堵的風(fēng)險(xiǎn)，但這些經(jīng)典量水方法在實(shí)際運(yùn)用過程中，相較其他新型量水技術(shù)而言確實(shí)存在計(jì)量精度相對(duì)較低的問題。究其原因，這些經(jīng)典量水方法為便于應(yīng)用采取了一些過于簡(jiǎn)化的算法，突出表現(xiàn)在對(duì)流量系數(shù)選擇和斷面流場(chǎng)分布研究上缺乏深入分析，以簡(jiǎn)單應(yīng)用代替復(fù)雜運(yùn)算。因此針對(duì)建筑物量水，應(yīng)分門別類建立流量系數(shù)與閘門開度或其他單一影響因素的相關(guān)關(guān)系，以更簡(jiǎn)捷且更精準(zhǔn)地得到變化條件下實(shí)際流量與理論流量之間的關(guān)系，提升流量計(jì)算精度；針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面量水，應(yīng)滿足必要的順直渠段長度，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面量水流速場(chǎng)分布進(jìn)行創(chuàng)新研究，可以有效提高流量計(jì)算精度和監(jiān)測(cè)效率，將推薦優(yōu)先使用的量水方法真正落到實(shí)處。

3.著力構(gòu)建量測(cè)控設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)平穩(wěn)流態(tài)

灌區(qū)量測(cè)控設(shè)施安裝應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，并應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求。對(duì)更新改造工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和更新改造要求，選擇更加科學(xué)合理的量測(cè)控模式，以模式確定設(shè)備，力求同時(shí)滿足不過大破壞原有基礎(chǔ)設(shè)施又能滿足水力學(xué)測(cè)流條件，實(shí)現(xiàn)量測(cè)控功能的整體提升，但現(xiàn)實(shí)條件若必須在原址上改造，則應(yīng)進(jìn)行水力學(xué)復(fù)核，多方案比較優(yōu)化，盡可能通過適當(dāng)位移或局部修正增加或完善一些導(dǎo)流設(shè)施，以期為新的量測(cè)控設(shè)施創(chuàng)造良好的入流條件，持續(xù)保持現(xiàn)場(chǎng)平穩(wěn)流態(tài)；當(dāng)然，對(duì)新建工程，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該滿足水流平穩(wěn)要求，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)更應(yīng)嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)執(zhí)行，后期加強(qiáng)維護(hù)，從根本上解決現(xiàn)場(chǎng)流態(tài)的平穩(wěn)問題。

4.切實(shí)提高量測(cè)控設(shè)施全程運(yùn)維質(zhì)量

量測(cè)控設(shè)施全程運(yùn)維應(yīng)包括設(shè)備制造到數(shù)據(jù)分析加工的全過程。設(shè)計(jì)制造階段，應(yīng)著眼于設(shè)備的全生命周期，從結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算、制造的材料工藝、現(xiàn)場(chǎng)的水力條件、安裝的土建施工、維修的方便快捷等多方面綜合考慮，完成設(shè)計(jì)后再按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行加工制造。出廠銷售階段，所有量測(cè)控設(shè)備出廠前必須完成質(zhì)量檢驗(yàn)，特別是對(duì)具有計(jì)量功能的量測(cè)控設(shè)備更應(yīng)該完成計(jì)量檢定或校準(zhǔn)的室內(nèi)測(cè)試，以保證合適的測(cè)量精度要求。安裝運(yùn)維階段，對(duì)已在現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)控設(shè)備，應(yīng)定期開展計(jì)量精度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，保障計(jì)量設(shè)施在滿足計(jì)量準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上正常運(yùn)行，同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備后期運(yùn)維，做好設(shè)施改造升級(jí)。管理運(yùn)行階段，要科學(xué)合理制定適宜的運(yùn)維方案，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的實(shí)操培訓(xùn)，同時(shí)應(yīng)建立有效的量測(cè)控設(shè)施全程運(yùn)維質(zhì)量責(zé)任體系，細(xì)化操作流程，明確計(jì)量設(shè)施各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)要求和管理要求，完善監(jiān)測(cè)計(jì)量信息管理平臺(tái)，同步推進(jìn)數(shù)據(jù)信息共享，提高設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維效能，切實(shí)保障計(jì)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量安全和信息安全。

5.落實(shí)責(zé)任主體實(shí)化監(jiān)測(cè)計(jì)量成果應(yīng)用

目前灌區(qū)的管理體制主要是采用專管與群管相結(jié)合的模式，但無論采取何種管理體制和運(yùn)行機(jī)制，灌區(qū)引水、輸水、配水、用水和排水是一個(gè)完整的鏈條，應(yīng)逐級(jí)落實(shí)水量計(jì)量的責(zé)任主體。為有效建立水資源剛性約束機(jī)制，不僅應(yīng)提升灌區(qū)全程量測(cè)控水量計(jì)量數(shù)據(jù)質(zhì)量，更應(yīng)加強(qiáng)量測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用力度，實(shí)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用途徑，實(shí)現(xiàn)計(jì)有所用和以用促計(jì)。