塔里木灌區(qū)量測(cè)水現(xiàn)狀及對(duì)策研究

張永威 周亞平 丁宏偉

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)河湖與水文水資源中心,新疆 烏魯木齊 830002;2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所,江蘇 南京 210012;3.江蘇南水科技有限公司,江蘇 南京 210012)

《全國中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造實(shí)施方案(2021—2022)》中明確提出,要加強(qiáng)現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用,因地制宜建設(shè)集信息采集、目標(biāo)控制和信息傳輸于一體的灌區(qū)信息基礎(chǔ)設(shè)施,提高信息采集和處理的準(zhǔn)確性以及傳輸?shù)臅r(shí)效性,提升灌區(qū)管理水平;要加強(qiáng)灌區(qū)量測(cè)水設(shè)施建設(shè),提高工程計(jì)量率和水資源監(jiān)督管理能力。

水位、流量是水文監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵要素,傳統(tǒng)的流量監(jiān)測(cè)方法是利用水尺讀取水位,流速儀讀取流速,結(jié)合斷面形狀計(jì)算過水流量[4]。傳統(tǒng)方法雖然簡(jiǎn)單可行,但工作量大、連續(xù)性差、數(shù)據(jù)量小且精度易受人為因素影響[5]。在全球氣候變化加劇、極端天氣增多及最嚴(yán)格水資源管理制度的背景下,傳統(tǒng)方法已無法滿足水文監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)分析的需求。為了減少人工觀測(cè)水文要素的工作強(qiáng)度以及提高監(jiān)測(cè)的精確度,近年來,西北地區(qū)逐步引進(jìn)了各種水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備,其中雷達(dá)水位計(jì)、一體化超聲波水位計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì)的應(yīng)用最為普遍。本文圍繞以上4種設(shè)備,通過分析其監(jiān)測(cè)原理及其在塔里木灌區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀,討論量測(cè)水技術(shù)在西北農(nóng)業(yè)灌區(qū)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。

1 監(jiān)測(cè)原理

量測(cè)水是最嚴(yán)格水資源管理制度、灌區(qū)節(jié)水、農(nóng)業(yè)水價(jià)改革及灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ),通常量測(cè)水方式主要有水工建筑物量水、堰槽量水及儀器儀表量水,其中儀器儀表量水方式使用最多。根據(jù)設(shè)備的監(jiān)測(cè)原理,儀器儀表量水設(shè)備又有多種類型,如雷達(dá)水位計(jì)、一體化超聲波水位計(jì)、陶瓷壓力式水位計(jì)、氣泡水位計(jì)、雷達(dá)波流速儀、旋槳流速儀、雷達(dá)流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì)、ADCP流量計(jì)等。設(shè)備的監(jiān)測(cè)原理分析是研究誤差來源、性能指標(biāo)優(yōu)化及產(chǎn)品升級(jí)的基礎(chǔ),由于超聲波與微波在惡劣天氣條件下的適應(yīng)性強(qiáng)、受溫度粉塵等影響小,且硬件成本相對(duì)不高[6],因此以超聲波技術(shù)與微波技術(shù)為核心的監(jiān)測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于水文監(jiān)測(cè)中。塔里木灌區(qū)量測(cè)水工作中最常用的設(shè)備為雷達(dá)水位計(jì)、一體化超聲波水位計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì),其監(jiān)測(cè)原理如下。

1.1 雷達(dá)水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)采用微波技術(shù)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè),不受大氣溫度、壓強(qiáng)、空氣密度、風(fēng)、降水、相對(duì)濕度及水中漂浮物、雜草等影響,具有極高的精度和穩(wěn)定性,因此應(yīng)用廣泛。雷達(dá)水位傳感器天線垂直向水面發(fā)射雷達(dá)脈沖,然后接收從水面反射回來的脈沖,并記錄時(shí)間T,由于雷達(dá)波屬于電磁波,其傳播速度C為常數(shù),利用公式D=CT/2計(jì)算出雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離D,見圖1。

圖1 雷達(dá)水位計(jì)監(jiān)測(cè)原理

雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離為

當(dāng)前水位(水面到渠底距離)為

式中:D為雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離,m;C為雷達(dá)波速,m/s;T為雷達(dá)波發(fā)射回收時(shí)間,s;H為雷達(dá)水位計(jì)到渠底的距離,m;h為當(dāng)前水位,m。

1.2 一體化超聲波水位計(jì)

一體化超聲波水位計(jì)是一種高精度、低功耗的水位監(jiān)測(cè)設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)采集、計(jì)算、遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸、鋰電池供電等一體化,在灌區(qū)渠道水位的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。一體化超聲波水位計(jì)的監(jiān)測(cè)原理與雷達(dá)水位計(jì)相似,均采用脈沖往返記時(shí)的方式計(jì)算水位。采用測(cè)橋或安裝支架將超聲波水位計(jì)垂直安裝在水體上方,向水面發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖,隨后接收到從水面反射回的信號(hào),信號(hào)經(jīng)過變送器電路的選擇和處理,根據(jù)超聲波水位計(jì)發(fā)出到接收超聲波的時(shí)間差T,計(jì)算出超聲波水位計(jì)到水面的距離D,見圖2。

圖2 一體化超聲波水位計(jì)監(jiān)測(cè)原理

超聲波水位計(jì)到水面的距離為

當(dāng)前水位(水面到渠底距離)為

式中:D為超聲波水位計(jì)到水面的距離,m;V為超聲波在空氣中傳播的波速,m/s;T為超聲波發(fā)出到接收的時(shí)間,s;H為超聲波水位計(jì)到渠底的距離,m;h為當(dāng)前水位,m。

1.3 雷達(dá)流量計(jì)

雷達(dá)流量計(jì)內(nèi)置雷達(dá)水位計(jì)和雷達(dá)流速儀,雷達(dá)流速儀可采用多普勒原理測(cè)出水流表面流速并換算成斷面平均流速V,雷達(dá)水位計(jì)測(cè)量計(jì)算出水位h,預(yù)先在控制器設(shè)置渠道參數(shù),控制器可以根據(jù)水位自動(dòng)換算出過流面積S,然后可計(jì)算出過流斷面的瞬時(shí)流量Q(見圖3),并且建立水位-流量關(guān)系曲線,便于測(cè)定不同水位時(shí)的過水流量[7]。微波雷達(dá)不受溫度梯度、壓力、空氣密度、風(fēng)和其他氣象環(huán)境條件的影響,可全天穩(wěn)定工作。

圖3 雷達(dá)流量計(jì)測(cè)流原理

斷面過水流量為

斷面平均流速為

式中:Q為斷面過水流量,m3/s;Vm為斷面平均流速,m/s;V為表面流速,m/s;K為折算系數(shù);S為斷面過水面積,m2,由斷面形狀及水位h共同確定。

1.4 超聲波時(shí)差法流量計(jì)

超聲波時(shí)差法流量計(jì)集超聲波流速傳感器與各種水位計(jì)于一體,利用超聲波脈沖在流體中通過順流與逆流傳播的時(shí)間來測(cè)量不同水層的流速v,利用水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位h,結(jié)合超聲波傳感器安裝位置來計(jì)算各層過水面積A;某水層流速Vi與面積Ai的乘積為該層水體的流量Qi,將每層水體的流量求和即為過水?dāng)嗝娴乃矔r(shí)流量Q,并且建立水位-流量關(guān)系曲線,便于測(cè)定不同水位時(shí)的過水流量。具體測(cè)流原理見圖4。

圖4 超聲波時(shí)差法流量計(jì)測(cè)流原理

順流:

逆流:

表層:

中層:

底層:

式中:T1、T2為順流、逆流時(shí)超聲波傳播時(shí)間,s;L為同一層流速傳感器的間距,m;C為超聲波在靜水中的傳播速度,m/s;v為某一層水流的平均速度,m/s;v1為v在斜方向的分速度,m/s;θ為同一層流速傳感器的斜角,(°);Q為過水?dāng)嗝嫠矔r(shí)流量,m3/s;V1、Vi、Vn分別為最低、中間及最高流速傳感器水流的平均速度,m/s;Ai為第i與i+1個(gè)流速傳感器間的過水面積,m2;At、Am、Ab為上、中、下層水體過水面積,m2;Vt、Vm、Vb為表、中、底層水體瞬時(shí)流速,m/s;Qt、Qm、Qb為上、中、下層水體瞬時(shí)流速,m3/s;Kt、Kb為頂、底層流速內(nèi)插系數(shù),一般取0.1、0.5。

2 灌區(qū)量測(cè)水設(shè)備應(yīng)用情況

2.1 灌區(qū)介紹

塔里木灌區(qū)位于塔里木盆地東北部、塔里木河下游,地勢(shì)平坦,海拔大部分在855m以下,西高東低,南高北低,主要由河流沖積平原以及大片風(fēng)蝕地組成。灌區(qū)西南為著名的塔克拉瑪干沙漠,東北為庫魯克沙漠,屬大陸性荒漠氣候,年平均氣溫為10.8℃,年均降水量為34.7mm,平均年蒸發(fā)量為2408.6mm。該灌區(qū)是沿塔里木河所建的狹長(zhǎng)灌區(qū),全長(zhǎng)180 km、總面積2207.69km2,是塔里木河下游段“綠色走廊”的重要組成部分[8]。近年來,塔里木灌區(qū)大量開展量測(cè)水設(shè)備推廣應(yīng)用,見圖5。

圖5 塔里木灌區(qū)主要量測(cè)水設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況

2.2 設(shè)備應(yīng)用情況

本文選擇雷達(dá)水位計(jì)、一體化超聲波水位計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì)4種量測(cè)水設(shè)備對(duì)應(yīng)的12個(gè)站點(diǎn)來分析說明其應(yīng)用效果,見表1。經(jīng)過多年的應(yīng)用與完善,目前塔里木灌區(qū)推廣應(yīng)用的4種量測(cè)水設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定通暢、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)且測(cè)量精度較高。參照《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138—2010)及《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303—2017)等規(guī)范,通過比測(cè)率定發(fā)現(xiàn)誤差均滿足規(guī)范要求。

表1 量測(cè)水設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀

2.3 存在的問題

塔里木灌區(qū)的雷達(dá)水位計(jì)、一體化超聲波水位計(jì)、雷達(dá)流量計(jì)、超聲波時(shí)差法流量計(jì)等量測(cè)水設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定通暢、數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)且測(cè)量精度較高,但也存在一定的問題。

a.監(jiān)測(cè)條件破壞、設(shè)備功能降低。站點(diǎn)斷面渠道沉降變形或塌陷、泥沙淤積、枯枝落葉聚集等造成斷面形狀變化;站點(diǎn)基礎(chǔ)變形、立桿與橫桿彎曲等造成監(jiān)測(cè)設(shè)備傾斜;設(shè)備老化造成監(jiān)測(cè)功能下降。

b.設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)效率不高。管理人員及配水人員知識(shí)面廣度、學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力不足,以及工作調(diào)動(dòng)等造成量測(cè)水設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)維效率低下、水資源科學(xué)調(diào)度不合理。

c.業(yè)務(wù)交流與數(shù)據(jù)共享較少。各部門間業(yè)務(wù)交流與數(shù)據(jù)共享較少,造成灌區(qū)需水與渠系供水能力不匹配、工作難度增大、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高等問題。

3 思考與對(duì)策

3.1 加大資金投入用于監(jiān)測(cè)斷面維修、渠道清淤、老舊設(shè)備矯正更換及定期比測(cè)

在落實(shí)新時(shí)期治水思路、最嚴(yán)格水資源管理制度及水價(jià)改革倒逼農(nóng)業(yè)節(jié)水等背景下,對(duì)灌區(qū)量測(cè)水工作提出了更高的要求。面對(duì)目前塔里木灌區(qū)存在的問題,應(yīng)積極借助國家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及大中型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項(xiàng)目,加大資金投入,進(jìn)行破舊渠段補(bǔ)修及土渠襯砌,重視配水閘門與田間灌溉系統(tǒng)漏水檢修與維護(hù);特別要加強(qiáng)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面的維修,泥沙與枯枝落葉的清理,站點(diǎn)立桿、橫桿及老舊設(shè)備的矯正、更換及定期比測(cè)。既保證斷面形態(tài)穩(wěn)定不變,又保證量測(cè)設(shè)備性能良好,從而保障量測(cè)水的精確度。

3.2 加強(qiáng)復(fù)合型人才和團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)

塔里木灌區(qū)的管理人員通常具有水利水文和農(nóng)田水利的專業(yè)背景,或多年基層水利系統(tǒng)工作經(jīng)驗(yàn),但對(duì)傳感器、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、信息技術(shù)與軟件工程等接觸較少;而從事監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)維及軟件系統(tǒng)開發(fā)的工作人員在農(nóng)田水利、水文水資源規(guī)劃等方面沒有系統(tǒng)的學(xué)習(xí),雙方溝通效率不高。量測(cè)水系統(tǒng)作為灌區(qū)信息化的基礎(chǔ),是一項(xiàng)水利、水文、自動(dòng)化、測(cè)控、軟件及農(nóng)業(yè)等多學(xué)科交叉融合的工作。為滿足灌區(qū)信息化建設(shè)的發(fā)展要求,相關(guān)部門應(yīng)該積極主動(dòng)培養(yǎng)融會(huì)水利、水文、自動(dòng)化、測(cè)控、軟件及農(nóng)業(yè)等多學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才,從而解決人才稀缺問題,或者將已有的各專業(yè)工作人員組建成團(tuán)隊(duì),平時(shí)加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)業(yè)務(wù)交流學(xué)習(xí),并將配合度和工作完成效果作為團(tuán)隊(duì)和個(gè)人的考核指標(biāo),提高工作效率。

3.3 完善管理制度、重視部門間業(yè)務(wù)交流與數(shù)據(jù)共享

制定完善的管理制度,是做好工作的有利保障,制度約束可以減少外界因素對(duì)量測(cè)水精度及水資源調(diào)配的影響。管理部門應(yīng)加強(qiáng)與農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉部門及灌區(qū)水資源調(diào)配部門之間的業(yè)務(wù)交流與數(shù)據(jù)共享,形成合作機(jī)制。負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的部門可根據(jù)農(nóng)民灌水習(xí)慣與用水定額,制定灌溉需水量及灌溉制度;負(fù)責(zé)灌區(qū)水資源調(diào)配的部門可根據(jù)渠系輸水能力和農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉部門制定的灌溉制度與灌溉需水量,制定出科學(xué)的配水方案,從而為閘控配水與閘后量測(cè)水提供依據(jù)。將相關(guān)人員的工作態(tài)度、廉潔自律、灌區(qū)量測(cè)水精度及農(nóng)戶節(jié)水意識(shí)等納入考核及人才選拔要求,從而保障水資源的合理利用,增強(qiáng)農(nóng)民公平感,提高農(nóng)民節(jié)水意識(shí)。

4 結(jié) 語

量測(cè)水是最嚴(yán)格水資源管理制度、灌區(qū)節(jié)水、農(nóng)業(yè)水價(jià)改革及灌區(qū)信息化建設(shè)的基礎(chǔ),因此,應(yīng)高度重視灌區(qū)量測(cè)水工作,加大資金投入用于監(jiān)測(cè)斷面的維修、渠道清淤、老舊量測(cè)水設(shè)備的矯正、更換及定期比測(cè),保證量測(cè)水的精確度。同時(shí),加強(qiáng)人才和團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng),打造一支既懂水利、水文、農(nóng)田水利,又懂自動(dòng)化、測(cè)控、軟件的高水平隊(duì)伍,為數(shù)字灌區(qū)、智慧灌區(qū)、孿生灌區(qū)等做好人才儲(chǔ)備,從而更好地推進(jìn)灌區(qū)智慧化及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。加強(qiáng)完善管理制度、重視部門間業(yè)務(wù)交流與數(shù)據(jù)共享,相互配合、共同做好灌區(qū)量測(cè)水及水資源優(yōu)化配置工作,保障灌區(qū)節(jié)水與作物產(chǎn)量的平衡發(fā)展?！?/p>