新疆喀什市灌區(qū)自動化測流設(shè)備選型

郭星辰，馬合木江·艾合買提，3，陶洪飛

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

0 引言

水資源對于人類來說至關(guān)重要,是人類賴以生存和發(fā)展的必備資源,在全國用水的各個方面,農(nóng)業(yè)用水所占比例最大,農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的60%,因此合理地管控農(nóng)業(yè)用水是節(jié)約淡水資源的重要途徑[1]。目前農(nóng)業(yè)的灌溉設(shè)施有很多,但是缺乏配套的量水設(shè)施,而且大部分地區(qū)的量水設(shè)施較為陳舊,自動化程度低,量測效率低下。人工測量水量流量數(shù)據(jù)缺乏時效性,不能迅速掌握水量信息,從而造成某一時間段水量數(shù)據(jù)的缺失,造成水資源的浪費,達不到快速計量、高效管理的要求[2]。

新疆喀什市位于我國的西北部,是典型的大陸性干旱氣候,光照長、蒸發(fā)量大、水資源缺乏,所以推動節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉、選擇適合該地區(qū)的自動化測流設(shè)備至關(guān)重要。本文對比市面上應(yīng)用較為廣泛的幾種量測水設(shè)備,結(jié)合灌區(qū)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況為喀什市灌區(qū)選擇合適的自動化測流設(shè)備,并應(yīng)用在喀什市灌區(qū)之中,對推進喀什市灌區(qū)水利信息化的發(fā)展具有重要意義。

1 喀什地區(qū)灌區(qū)情況介紹

通過多年的農(nóng)田水利基本建設(shè),喀什市已建成干、支、斗渠共634.673 km,其中干渠5 條,支渠42 條,斗渠448 條,主要渠道破損較為嚴重,防滲覆蓋率較低,具體情況見表1。喀什市屬喀什噶爾河流域沖積平原,轄8 個街道、2 鎮(zhèn)、9 鄉(xiāng),總灌溉面積59.6 萬畝,其中農(nóng)民30 年承包地及地表水供水范圍的村集體地37.11 萬畝,國有土地22.49 萬畝。

表1 喀什市干、支、斗渠情況表

2 自動化量測水設(shè)備選型

2.1 自動化量測水設(shè)備介紹

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,計算機網(wǎng)絡(luò)更為完善,數(shù)據(jù)的傳輸與處理更加便捷,灌區(qū)自動化、信息化量測成為灌區(qū)量測水的趨勢。市面上的自動化量測水設(shè)備有很多種,性能穩(wěn)定且在灌區(qū)應(yīng)用較多的主要有電磁式全渠寬測流設(shè)備、雷達表面測流設(shè)備、超聲多層時差法測流設(shè)備、多普勒超聲波測流設(shè)備、一體化超聲波水位計設(shè)備 、堰槽測流設(shè)備六種,其中前四種測流設(shè)備是利用流速面積法進行測流,后兩種測流設(shè)備是通過水力學(xué)方法（水位～流量關(guān)系法）進行測流[3-4]。本研究將從多個方面進行對比,為喀什灌區(qū)干渠、支渠、斗渠選擇合適的測流設(shè)備。以下內(nèi)容中將以簡寫名稱代替測流設(shè)備全稱。

2.2 測流設(shè)備方案比選

本文從測量范圍、安裝方式、外界影響、適用場景、建設(shè)成本、維護頻次等方面做明渠測流設(shè)備的整體比選,結(jié)果見表2。

表2 渠道測量方案總體比選表

新疆喀什市灌區(qū)干渠、支渠和斗渠道的水情情況如下：

（1）干渠的水情

喀什灌區(qū)干渠一般水位較高、水面較寬；流速一般；渠道淤積情況嚴重；渠道漂浮物較多、泥沙含量較大。

由于干渠渠道一般較寬且水位較高,無法采用電磁式全渠寬測流設(shè)備、堰槽法測流設(shè)備、一體化超聲波水位計設(shè)備。雷達表面測流設(shè)備適用于渠道寬度較寬的渠道,測量的表面流速需要轉(zhuǎn)化才能求出斷面平均流速,所以安裝渠道深度不宜太大；渠道內(nèi)常年存水,無法安裝超聲多層時差法、多普勒測流法等測流設(shè)備,綜合測流精度、建設(shè)成本及日常維護等方面的影響,在干渠選擇非接觸式安裝的雷達表面測流設(shè)備較為合適。

（2）支渠的水情

喀什灌區(qū)支渠水位高度一般在2 m 范圍內(nèi)、水面寬度一般,基本在3 m 范圍內(nèi)；流速較快；渠道淤積情況較輕；渠道漂浮物較多、泥沙含量較輕。

由于支渠渠道一般寬度較干渠小很多,當(dāng)?shù)馗汕膶挾瓤缍燃s在2 m以上,若采用水工建筑法、堰槽法測流設(shè)備方法,土建實施工程量較大,同時容易造成渠道阻水現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)?shù)刂话悴淮嬖陂L年存水情況的發(fā)生,可根據(jù)渠道的具體寬度與沉積情況選用雷達表面測流設(shè)備、超聲多層時差法測流設(shè)備。

（3）斗渠的水情

水位高度通常在 1 m 范圍內(nèi)、水面寬度一般,基本在1.5 m范圍內(nèi)；流速較快；渠道淤積情況較輕；渠道漂浮物較多、泥沙含量較輕。由于斗渠寬度較小,除了雷達表面測流設(shè)備不合適外,其他測流設(shè)備基本都能滿足測流需求。

針對以上信息繪制水情因素設(shè)備比選見表3。

表3 水情因素設(shè)備比選

喀什市渠道水質(zhì)較差,含沙量較高,不適用于堰槽測流等測流設(shè)備,綜上所述在英吾斯坦鄉(xiāng)阿克喀什干渠等51 處干渠和支渠選用雷達表面測流設(shè)備；祖努阿吉等28 處斗渠選用電磁式全渠寬測流設(shè)備,見圖1。

圖1 電磁式全渠寬測流設(shè)備、雷達表面測流設(shè)備現(xiàn)場圖

2.3 測流精度對比

為驗證電磁式全渠寬測流設(shè)備、雷達表面測流設(shè)備的測流精度,通過在喀什灌區(qū)實地人工率定對比自動化測流設(shè)備精度。人工量測采用轉(zhuǎn)子式流速儀進行流速測驗,采用施測相對水深0.6 倍位置的流速,垂線布設(shè)視渠寬而定,垂線條數(shù)按照取水計量技術(shù)導(dǎo)則（GB/T 21303-017）布設(shè),水深測量每份流量采用實測水深。單次流量測驗完成后立即根據(jù)收集的水位、斷面、流速數(shù)據(jù)計算出流量成果,通過控制上游節(jié)制閘、分流閘等形式,調(diào)節(jié)流量的大小。

在已搭建自動化測點中隨機選取兩個,圖2（a）反映了電磁式全渠寬測流設(shè)備和人工測流方式所測得同時段的水位-流量關(guān)系變化過程（皮合森取水口）；圖2（b）反映了雷達表面測流設(shè)備和人工測流方式所測得同時段的水位～流量關(guān)系變化過程（祖努阿吉分水閘）。電磁式全渠寬測流設(shè)備和雷達表面測流設(shè)備兩者與人工測量所得水位一流量折線關(guān)系整體趨勢基本一致,前者最大誤差9.88%,平均誤差4.77%；后者最大誤差7.14%,平均誤差4.66%。

圖2 自動化測流設(shè)備和人工測流方式水位～流量關(guān)系對比圖

3 測流誤差分析

（1）測量環(huán)境的區(qū)別：前人自動化設(shè)備的測流試驗是在實驗室進行的,實驗室的渠道規(guī)整,經(jīng)過穩(wěn)流箱穩(wěn)流后的水流流態(tài)穩(wěn)定,具有很好的量測效果；喀什灌區(qū)的渠道雖然經(jīng)過修整,但是局部渠道仍不平整,且不可控因素很多,流態(tài)較為復(fù)雜。

（2）人工率定方式的原因：人工率定是進行多點位的平均計算對流態(tài)進行校正,自動化設(shè)備直接進行測量出來的水流信息和人工校正過后的存在一定差別。

（3）由于自然界的水流信息具有脈動性,如果刻板的將上文兩者的數(shù)據(jù)的誤差作為判斷依據(jù)是不合理的,我們可以利用水位～流量關(guān)系曲線的相關(guān)趨勢進行分析[5]。兩種測流方式的流量測量都會利用到過水面積信息,面積的差異會干擾到最后的測流結(jié)果。從圖2 可以看出自動化測流設(shè)備和人工測量的水位流量關(guān)系曲線接近,而最大誤差不超過10%,說明兩種自動化流量監(jiān)測設(shè)備運行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)真實可靠。

4 結(jié)論

本研究針對新疆喀什市灌區(qū)量測水效率低下、測流精度低等問題,選出兩種分別應(yīng)用在干渠、支渠和斗渠的自動化測流設(shè)備,主要結(jié)論如下：

（1）通過理論分析各種自動化測流設(shè)備的特點和適用情況,結(jié)合新疆喀什灌區(qū)渠道水質(zhì)較差,含沙量較高的特點,在決定在干、支渠選用雷達表面測流設(shè)備,斗渠選用電磁式全渠寬測流設(shè)備。

（2）在實地安裝測量,與人工測量方式對比之后,對誤差進行分析,發(fā)現(xiàn)兩種非接觸式自動化測流設(shè)備和人工測量的水位流量關(guān)系曲線接近,最大誤差不超過10%,兩種自動化測流設(shè)備穩(wěn)定可靠。