灌區(qū)現(xiàn)代化改造中量測(cè)水技術(shù)研究

田新星，張 娜

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

灌區(qū)量水技術(shù)和量水設(shè)備是做好灌區(qū)經(jīng)營(yíng)管理、提高經(jīng)濟(jì)效益、合理調(diào)度灌溉水資源、實(shí)行按方收費(fèi)、正確執(zhí)行用水計(jì)劃、促進(jìn)節(jié)約用水和合理用水的必要工具和手段[1]。2014 年，習(xí)近平總書記提出了“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，賦予了新時(shí)期治水的新內(nèi)涵、新要求、新任務(wù)，為強(qiáng)化水治理、保障水安全指明了方向，是做好水利工作的科學(xué)指南。根據(jù)上述治水思路，水利部確定在“十四五”期間的重點(diǎn)工作之一就是現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)[2]。隨著信息化的發(fā)展，智慧灌區(qū)建設(shè)成為必然趨勢(shì)，在智慧灌區(qū)中推廣和應(yīng)用各類量測(cè)水技術(shù)，可有效地控制供水時(shí)間和精準(zhǔn)地計(jì)算供水量，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

1 灌區(qū)量測(cè)水的現(xiàn)狀與形勢(shì)

1.1 灌區(qū)量測(cè)水的現(xiàn)狀

我國(guó)地域遼闊，灌溉面積居世界之首，但水資源十分緊缺，灌區(qū)量測(cè)水工作也相對(duì)較落后。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和管理手段的不斷提升，國(guó)內(nèi)各灌區(qū)在量測(cè)水方面均取得了一定成就。例如，湖北省漳河水庫(kù)灌區(qū)采用管道量水、水工建筑物量水、堰槽量水、多普勒明渠流量在線監(jiān)測(cè)、電磁明渠流量監(jiān)測(cè)、H-ADCP等不同量測(cè)水方式，實(shí)現(xiàn)漳河灌區(qū)總干渠、四干渠常年供水渠段主要進(jìn)水閘、節(jié)制閘、分水口流量的精準(zhǔn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，共計(jì)安裝各類量水設(shè)施4 199 套[3]。河南范縣彭樓灌區(qū)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)一體式明渠雷達(dá)流量計(jì)采集渠道的水位、表面流速，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，既大幅度降低了率定的工作量，又提高了一體化智能量測(cè)精度[4]。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)了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)流斷面，在流量為1～3 m3/s 量級(jí)開展了量測(cè)水設(shè)備比測(cè)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：①推薦唐徠渠斗渠采用非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)，其次是直開口手動(dòng)閘門量控水系統(tǒng)，除個(gè)別水位外，非接觸式明渠雷達(dá)流量計(jì)的流量值均符合測(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[5]。安徽省淠史杭灌區(qū)在淠河總干渠采用人工測(cè)流和自動(dòng)測(cè)流方式相互印證校核，在干渠及總干渠市級(jí)用水管理分界斷面采用纜道測(cè)流方式，支渠及支渠以下渠道為梯形斷面，經(jīng)分析利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，再利用水力學(xué)公式計(jì)算得到流量[6]。王家琪通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了過(guò)流調(diào)控型渠道測(cè)流裝置的各項(xiàng)水力特性，驗(yàn)證了水頭可調(diào)薄壁堰式渠道流量智能測(cè)控裝置的可行性[7]。

1.2 灌區(qū)量測(cè)水的重要性和迫切性

節(jié)水是國(guó)家未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略的核心，灌溉節(jié)水是國(guó)家的重中之重。要實(shí)現(xiàn)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡”，精準(zhǔn)量水、精準(zhǔn)控水必須先行。灌區(qū)渠道量測(cè)水對(duì)灌溉系統(tǒng)節(jié)約用水、合理灌溉、科學(xué)調(diào)配水資源具有重要意義，灌區(qū)量測(cè)水的重要性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①用于評(píng)價(jià)灌溉系統(tǒng)各級(jí)渠道的輸水損失；②用于計(jì)算田間用水效率；③可為收取水費(fèi)提供依據(jù)；④是實(shí)行灌區(qū)信息化的重要基礎(chǔ)；⑤對(duì)于灌區(qū)節(jié)水和實(shí)現(xiàn)水資源高效利用具有重要意義。

1.3 灌區(qū)量測(cè)水的目的

隨著國(guó)家節(jié)水戰(zhàn)略的實(shí)施，各個(gè)灌區(qū)都已通過(guò)量測(cè)水實(shí)現(xiàn)“按田配水、計(jì)量收費(fèi)”。灌區(qū)量測(cè)水的目的主要有以下幾點(diǎn)。

（1）通過(guò)量測(cè)水實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配水、自動(dòng)化調(diào)配。隨著農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的不斷發(fā)展，灌區(qū)的計(jì)量收費(fèi)需要量測(cè)水作為主要依據(jù)。量測(cè)水是實(shí)行節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）加強(qiáng)灌區(qū)管理。大中型灌區(qū)一般采用“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”的布局形式，渠道多，分水點(diǎn)多且分散，引水、配水難度大，通過(guò)量測(cè)水可促進(jìn)灌區(qū)的規(guī)范化、自動(dòng)化管理。

（3）為信息化提供數(shù)據(jù)支撐。量測(cè)水系統(tǒng)中獲取灌區(qū)的水位、水量數(shù)據(jù)是智慧灌區(qū)建設(shè)中的必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 灌區(qū)量測(cè)水技術(shù)（設(shè)施）分類及優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 根據(jù)計(jì)算原理分類

根據(jù)計(jì)算原理的不同，量水方法分為體積法、流速面積法和水位法。體積法是通過(guò)測(cè)定在某段時(shí)間內(nèi)通過(guò)渠道水量的體積，除以相應(yīng)的過(guò)流時(shí)間，就可以得到過(guò)流量，這種方式原理簡(jiǎn)單，但是由于實(shí)際操作難度大，已經(jīng)很少被使用。流速面積法是將水流分層，分層流速利用轉(zhuǎn)子或超聲波探頭、電磁探頭等計(jì)算，分層面積通過(guò)人工計(jì)算或軟件輸入數(shù)據(jù)后自動(dòng)計(jì)算，得到每一層的流速和面積后，可計(jì)算分層的流量，各層流量累加得到總流量。水位法是利用水力學(xué)理論中的堰流、管流等經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)測(cè)量水工建筑物的上下游水位、閘門開度等信息，結(jié)合建筑物類型、水流形態(tài)等確定流量系數(shù)以后，選用正確的水力學(xué)公式推求經(jīng)過(guò)水工建筑物的流量，水位的獲取是水位法的關(guān)鍵，可以用水尺人工讀數(shù)、壓力式或超聲波式自動(dòng)獲取水位的水位計(jì)等方式獲取。

不同的方法又可細(xì)分為不同的型式和不同的儀器，如圖1所示。

圖1 灌區(qū)量水技術(shù)（設(shè)施）分類

2.2 常見量測(cè)水設(shè)備

根據(jù)2.1 節(jié)中計(jì)算原理的分類，實(shí)際中常用的量水設(shè)施種類有：①流速儀；②標(biāo)準(zhǔn)斷面；③渠系建筑物，如跌水、渡槽、倒虹吸、涵閘等；④量水堰；⑤量水槽；⑥量水儀表，如水位計(jì)、水表、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。各類量測(cè)水設(shè)備匯總，如圖2 所示。

圖2 各類量測(cè)水設(shè)備

2.3 不同量水方式的優(yōu)缺點(diǎn)

不同的量測(cè)水方式具有不同的精度、造價(jià)等特點(diǎn)，表1 總結(jié)了各類量測(cè)水方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用 范圍。

表1 各類量測(cè)水技術(shù)（設(shè)施）的優(yōu)缺點(diǎn)

3 灌區(qū)量測(cè)水方式選擇因素和注意事項(xiàng)

3.1 量測(cè)水方式選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素

根據(jù)灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范（GB/T 21303-2017），量水設(shè)施（方法）選型主要考慮以下要素。

（1）量水精度。以滿足實(shí)際需求為宜，流量測(cè)量不確定性不宜超過(guò)±5%。

（2）水頭損失。應(yīng)選擇水頭損失小的量水設(shè)施，減小對(duì)渠道過(guò)流能力的影響。

（3）測(cè)流范圍。量水設(shè)施的適宜量測(cè)范圍應(yīng)與渠道運(yùn)行期流量變化幅度相適應(yīng)。

（4）抗干擾性。量水設(shè)施應(yīng)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的適應(yīng)性，并具備通過(guò)泥沙和漂浮物的能力。

筆者根據(jù)調(diào)研及相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為除上述因素外，還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：渠道型式（寬淺式、窄深式）、流量大小、渠道級(jí)別（干、支、斗、農(nóng)、毛渠等）。

3.2 量測(cè)水方式選擇方案

在實(shí)際應(yīng)用中，由于灌區(qū)類型（山區(qū)、平原、干旱沙漠地區(qū)、多泥沙地區(qū)等）、渠道級(jí)別（干、支、斗、農(nóng)、毛）、渠道水質(zhì)（清水、多泥沙水等）等一系列條件均不盡相同，應(yīng)選擇適用的量水技術(shù)或設(shè)施。

在灌區(qū)的渠首，建筑物規(guī)模較大，灌區(qū)引水量要求精確，一般需要多種測(cè)流方式結(jié)合，如以ADCP 等超聲波測(cè)量方式為主，并輔以流速儀測(cè)流復(fù)核；在灌區(qū)總干渠和干渠，渠道和渠系建筑物建設(shè)條件較好，通信和供電均比較便利，一般采用超聲波流量計(jì)或ADCP 測(cè)流；支渠、斗渠或田間等小型渠道，一般需要綜合考慮投資、水流含沙量等因素選擇合適的量測(cè)水方式。

結(jié)合上文提出的各類量測(cè)水技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)灌區(qū)建設(shè)過(guò)程中量測(cè)水技術(shù)（設(shè)備）進(jìn)行選擇，結(jié)果詳見表2。

表2 現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)中量測(cè)水技術(shù)（設(shè)備）選擇

3.3 量測(cè)水信號(hào)傳輸方式選擇

隨著信息化的快速發(fā)展，大部分大型灌區(qū)正在由傳統(tǒng)灌區(qū)轉(zhuǎn)型為智慧灌區(qū)。智慧灌區(qū)的首要要求就是實(shí)現(xiàn)各類灌區(qū)信息（水情、工情、視頻等）自動(dòng)傳輸至灌區(qū)信息化管理平臺(tái)。因此，在現(xiàn)代化灌區(qū)改造中，量測(cè)水方式選擇時(shí)應(yīng)充分考慮信號(hào)傳遞方式，堅(jiān)持以下原則。

（1）流速儀（旋杯式或旋槳式）測(cè)流由于需要人工操作，一般無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線傳輸。因此，對(duì)于需要無(wú)線信號(hào)采集的渠道、管道及渠系建筑物處應(yīng)盡量少采用人工流速儀量水方式。

（2）灌區(qū)取水渠首、總干渠、重要建筑物一般具備有線通信條件，例如光纖等，在這些地方，建議優(yōu)先選用有線信號(hào)傳輸量測(cè)水?dāng)?shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

（3）支渠、斗渠及田間渠道分布廣且數(shù)量多，全部采用有線信號(hào)傳輸方式會(huì)導(dǎo)致工程投資巨大且后期維修管理不方便。因此，在使用超聲波流量計(jì)、ADCP 流量計(jì)、電磁流量計(jì)、堰槽量水等方式量測(cè)水時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)備配備無(wú)線信號(hào)傳輸功能，以便于灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取各測(cè)點(diǎn)流量信息。

4 結(jié)論

灌區(qū)量測(cè)水是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的必要手段之一，本文對(duì)比分析了各類量測(cè)水技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，主要有以下結(jié)論。

（1）針對(duì)需要遠(yuǎn)程采集渠道流量、分水口分水量的渠道，宜優(yōu)先考慮選用具備遠(yuǎn)傳功能的超聲波時(shí)差法流量計(jì)、多普勒流量計(jì)、電磁流量計(jì)等設(shè)備。

（2）超聲波時(shí)差法流量計(jì)計(jì)量精準(zhǔn)度較高，但應(yīng)根據(jù)渠道流量、型式的不同選擇相應(yīng)樣式，寬渠道、大流量宜選用開放式，干渠、支渠、斗渠的取水口和節(jié)制閘宜選用箱式，斗渠、農(nóng)渠、毛渠宜選用半開放式。

（3）精準(zhǔn)量測(cè)水是現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的前提，應(yīng)針對(duì)不同類型灌區(qū)、灌區(qū)的不同級(jí)別渠道、渠道水質(zhì)等一系列因素，選用不同類型的量水設(shè)備。

（4）確定量測(cè)水方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)渠道級(jí)別、信息化建設(shè)需求選擇有線、無(wú)線等不同類型的信號(hào)傳輸方式。

（5）量測(cè)水是推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉的重要手段。節(jié)水農(nóng)業(yè)是未來(lái)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇，其核心是減少水量浪費(fèi)、提高水的利用率。而灌區(qū)量測(cè)水可及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)算出水源引入渠系和分配給各級(jí)渠道上用水單位的水量，并據(jù)此分析各級(jí)渠道的輸水損失，為灌區(qū)的續(xù)建配套、節(jié)水改造以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。