任慶海，馬 輝，董自立

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文局（信息中心），北京 100053；4. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

農(nóng)業(yè)灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施調(diào)研與分析

任慶海1,2，馬 輝3，董自立4

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；
2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；
3. 水利部水文局（信息中心），北京 100053；
4. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

基于國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水源灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施現(xiàn)狀的調(diào)研，對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)可用于灌區(qū)渠首明渠型和管道型輸水方式的各種在線流量計(jì)量設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)地分類比選與分析。為國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目下一步開展灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝工作提供參考。

國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)；農(nóng)業(yè)灌區(qū)；渠首計(jì)量；調(diào)研；在線流量監(jiān)測(cè)

0 引言

伴隨著國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的執(zhí)行，全國(guó)將完成對(duì)占全部頒證許可取用水總量 70% 以上的重點(diǎn)用水大戶取用水的監(jiān)測(cè)或計(jì)量。主要包括地表取水年許可取水量在 300 萬(wàn)m3以上、地下取水年許可取水量在 50 萬(wàn)m3以上的集中取用水大戶[1]。為支撐實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，進(jìn)一步提高取用水監(jiān)控水平，下一步需要將主要的農(nóng)業(yè)灌溉用水大戶也納入到取用水監(jiān)控體系中來(lái)。為全面掌握全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水源灌區(qū)渠首分布和計(jì)量設(shè)施的安裝及運(yùn)行情況，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目辦公室組織各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）對(duì)轄區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)中型以上以地表水為主要水源的灌區(qū)（重點(diǎn)中型以上灌區(qū)是指設(shè)計(jì)灌溉面積≥ 3 333 hm2的灌區(qū)）渠首現(xiàn)有計(jì)量設(shè)施安裝及運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)查，以利于指導(dǎo)下一步開展灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)計(jì)與安裝工作。

1 灌區(qū)渠首情況匯總分析

根據(jù)各?。ㄗ灾螀^(qū)，直轄市）調(diào)查匯總初步統(tǒng)計(jì)，全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水源灌區(qū)共計(jì) 2 200 余個(gè)，灌區(qū)渠首（引水口門）共計(jì) 7 000 余處，其中提水灌溉型灌區(qū)占29.6%，引流灌溉型灌區(qū)占 70.4%。目前在灌區(qū)渠首已裝有計(jì)量設(shè)備且數(shù)據(jù)具備輸出上傳條件的灌區(qū)僅占總數(shù)量的 3.2%。因此，國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目若要實(shí)現(xiàn)全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水源灌區(qū)的取用水的監(jiān)控，還需要在灌區(qū)渠首安裝大量的計(jì)量設(shè)施。

2 灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施情況匯總分析

地表水源灌區(qū)渠首按照取水方式不同，概括為蓄水工程（湖庫(kù)）、引水工程（河道）取水及提水工程（泵站）提水 3 類；灌區(qū)渠首按照輸水方式不同，分為渠道和管道 2 種輸水方式[2]。根據(jù)各省調(diào)查匯總初步統(tǒng)計(jì)，在灌區(qū)渠首尚未安裝計(jì)量設(shè)施的灌區(qū)中，渠道型輸水方式約占 70%，管道型輸水方式約占 30%。

針對(duì)不同的取水和輸水方式，可選擇的監(jiān)測(cè)方式也有所不同。通常情況下，對(duì)于灌區(qū)渠首為渠道輸水方式的應(yīng)采用明渠（河道）型流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備；對(duì)于管道輸水方式的應(yīng)采用管道型流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備；對(duì)于部分泵站提水工程，如果出水口管道埋入地下比較深，或難以安裝管道流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，亦可以根據(jù)泵站機(jī)組特性曲線推算流量，此種情況下只要監(jiān)測(cè)泵站機(jī)組的功率，通過泵站效率曲線推算提水流量，但此種方法取得的流量精度較低，僅適合在難以采用其他監(jiān)測(cè)方式時(shí)使用。

3 明渠流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備選型分析

目前常用的明渠（河道）在線流量監(jiān)測(cè)的方法主要有以下幾種[3]：

1）超聲波時(shí)差法。超聲波時(shí)差法是利用超聲波換能器測(cè)量 2 個(gè)換能器之間超聲波傳播的歷時(shí)差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體流速的，進(jìn)而計(jì)算明渠渠道的過水流量[4]。

2）H-ADCP 法。H-ADCP 是水平式聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀測(cè)量水體中顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度，以其代表流層的流速，進(jìn)而推算得到斷面流量[5]。

3）水工建筑物測(cè)流法。水工建筑物測(cè)流法是利用河、渠、湖、庫(kù)上已有的水工泄水建筑物，通過實(shí)測(cè)水頭（水頭差）、閘門開啟高度等水力因素，經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗(yàn)公式確定流量或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計(jì)算流量的一種測(cè)流方法。

4）比降面積法。比降面積法是根據(jù)選定的比降觀測(cè)渠段的斷面平均面積和水面比降，以及根據(jù)渠段特征、渠道襯砌的糙率等常用的經(jīng)驗(yàn)公式推算流量[6]。

5）堰槽法。堰槽法是采用專門制造或現(xiàn)場(chǎng)制作的測(cè)流堰槽，根據(jù)過堰水流的水位，通過水力學(xué)公式計(jì)算出通過堰槽的流量。

可用于明渠（河道）在線流量監(jiān)測(cè)的各類方法具體應(yīng)用場(chǎng)景及比選情況如表 1 所示。

根據(jù)各種明渠在線流量監(jiān)測(cè)方法的比選可知，超聲波時(shí)差法和 H-ADCP 法的測(cè)驗(yàn)精度相對(duì)較高，但前期投資和后期維護(hù)的費(fèi)用相對(duì)較高；水工建筑物測(cè)流法、比降面積法和堰槽法的前期投資較小，后期維護(hù)方便，費(fèi)用較低，但堰槽法的適用場(chǎng)景相對(duì)受限。

綜合我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和農(nóng)業(yè)灌區(qū)管理現(xiàn)狀，對(duì)農(nóng)業(yè)地表水源灌區(qū)渠首明渠方式的取水口計(jì)量設(shè)施進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，在對(duì)取用水計(jì)量精度要求不是很高的情況下，建議對(duì)具備適用場(chǎng)景的灌區(qū)渠首計(jì)量盡量選用水工建筑物測(cè)流法或比降面積法。2 種測(cè)流方法對(duì)項(xiàng)目投資要求較少，且配套設(shè)施簡(jiǎn)單，安裝方便，后期運(yùn)維費(fèi)用較低，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)維護(hù)人員的技能要求相對(duì)較低，有利于灌區(qū)管理單位長(zhǎng)久使用和運(yùn)維。而且對(duì)于間歇性供水特征更加突出的北方灌區(qū)，需要在較長(zhǎng)的非灌溉期將計(jì)量設(shè)施拆回保管，這 2 種方法由于傳感器相對(duì)簡(jiǎn)單，易于管理單位的養(yǎng)護(hù)和拆裝。當(dāng)然在有較好土建配套建設(shè)條件的地方，堰槽法測(cè)流可獲得更高的測(cè)驗(yàn)精度。

4 管道流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備選型分析

目前常見的管道在線流量監(jiān)測(cè)傳感器主要有以下幾種：

1）聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)。聲學(xué)時(shí)差法管道流量計(jì)是利用超聲波換能器測(cè)量 2 個(gè)換能器之間超聲波傳播的時(shí)間差測(cè)量流量的儀表。

2）聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)。聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)和時(shí)差法管道流量計(jì)均屬于超聲波管道流量計(jì)。聲學(xué)多普勒管道流量計(jì)應(yīng)用多普勒原理測(cè)量管道內(nèi)的流速分布，由測(cè)得流速推求管道內(nèi)平均流速，再根據(jù)管道內(nèi)徑推算流量[7]。

3）電磁管道流量計(jì)。電磁管道流量計(jì)應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理測(cè)量管道中水流平均速度，由管道內(nèi)徑推算流量。

4）電子遠(yuǎn)傳水表。電子遠(yuǎn)傳水表是在冷水水表（基表）的基礎(chǔ)上，增加水流量信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理單元，構(gòu)成電子遠(yuǎn)傳水表。具有數(shù)據(jù)與信息存儲(chǔ)、信號(hào)遠(yuǎn)傳傳輸?shù)裙δ?，可用于水量的自?dòng)監(jiān)測(cè)。

5）渦街流量計(jì)。渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門渦街的流體振蕩原理，通過測(cè)量旋渦頻率計(jì)算出流過旋渦發(fā)生體的流體的平均速度，進(jìn)而根據(jù)管道內(nèi)徑計(jì)算流量。

可用于管道在線流量監(jiān)測(cè)的各類傳感器具體應(yīng)用場(chǎng)景及比選情況如表 2 所示。

根據(jù)各種用于管道的在線測(cè)流傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景比選，可得到以下結(jié)論：

1）在小管徑測(cè)流中，盡管渦街流量計(jì)測(cè)量范圍寬且有較高測(cè)量精度，但是對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求比較苛刻，而農(nóng)業(yè)灌區(qū)的水中雜質(zhì)較多，時(shí)常會(huì)夾帶水草，因此不適用于農(nóng)業(yè)灌區(qū)的管道測(cè)流。

2）對(duì)于農(nóng)業(yè)灌區(qū)渠首涵管方式的取水口，當(dāng)管道直徑＜ 300 mm 時(shí)，宜采用電子遠(yuǎn)傳水表測(cè)流；當(dāng)管道直徑＞ 300 mm 時(shí)，宜采用電磁或超聲波流量計(jì)測(cè)流[8]。

表1 明渠在線流量監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用場(chǎng)景及比選情況表

表2 管道在線流量監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用場(chǎng)景及比選情況表

3）在對(duì)農(nóng)業(yè)地表水源灌區(qū)渠首涵管方式的取水口計(jì)量設(shè)施做方案設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于項(xiàng)目投資較少，涵管直徑較大，且對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的情況，建議使用超聲波流量計(jì)；在安裝、維護(hù)資金充足，對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度要求較高的情況，建議采用電磁流量計(jì)。

4）對(duì)于一些建設(shè)年代比較早的灌區(qū)，涵管的管道老舊、結(jié)垢、材質(zhì)疏松、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，會(huì)存在襯里和管道內(nèi)空間有間隙等情況，如果采用外夾式超聲波流量計(jì)測(cè)量，會(huì)導(dǎo)致超聲波信號(hào)衰減嚴(yán)重，將無(wú)法正常測(cè)量；而管段式或插入式超聲波流量計(jì)相比外夾式超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性更高，因此，建議采用管段式或插入式超聲波流量計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水灌區(qū)進(jìn)行的調(diào)研分析，初步掌握了目前全國(guó)各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）重點(diǎn)中型以上地表水灌區(qū)渠首的計(jì)量現(xiàn)狀，可為國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)一步針對(duì)全國(guó)重點(diǎn)中型以上地表水灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施的設(shè)計(jì)工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對(duì)用于灌區(qū)渠首的各類在線流量監(jiān)測(cè)方法的具體適用場(chǎng)景和比選分析，提出了明渠和管道型的渠首計(jì)量設(shè)施的典型設(shè)計(jì)，可為國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目對(duì)灌區(qū)渠首計(jì)量設(shè)施設(shè)備選型設(shè)計(jì)提供參考。

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Survey and analysis of Canal-head metering Facilities in Agriculture Irrigation

REN Qinghai1,2, MA Hui3, DONG Zili4

(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. Hodrologic Bureau (Information Center), the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China;
4. Jiangsu Naiwch Co.Ltd, Nanjing 210012, China)

Based on survey of present situation of the surface water’s canal-head metering facilities by national water resources building project of monitoring capacity, which are in the key medium and larger irrigation areas, the paper does preliminary statistics and analysis. Also, it does classified comparison and analysis of the online traffic monitoring facilities of the canal and the pipe in irrigation canal-head. It provides important references for carrying out design and installation work of irrigation canal-head metering facilities of national water resources building project of monitoring capacity.

National water resources building project of monitoring capacity; agricultural irrigation area; canalhead metering; investigate and survey; online flow monitoring

S27

A

1674-9405(2015)04-0039-05

2015-04-13

任慶海（1975－），男，黑龍江雞西人，高級(jí)工程師，從事水資源和水利信息化的研究工作。