馬 萍

（寧夏水利廳七星渠管理處，寧夏 中寧 755100）

量水測(cè)流是農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)管理工作的核心，是提高灌溉用水管理工作質(zhì)量的基礎(chǔ)［1］。水資源的日益短缺和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展對(duì)灌區(qū)測(cè)流提出了更高的要求。一方面，水資源日益緊缺，農(nóng)業(yè)水價(jià)改革，水權(quán)交易改革不斷深入，對(duì)測(cè)量的精度要求越來越高；另一方面，隨著農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)代化的發(fā)展，灌區(qū)信息化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，對(duì)時(shí)效性要求越來越高，迫切需要實(shí)現(xiàn)測(cè)流自動(dòng)化和數(shù)字化［2］。

閘門是最常用的水量控制及調(diào)節(jié)設(shè)備?，F(xiàn)有的閘門不能根據(jù)需求自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，也不能實(shí)現(xiàn)定時(shí)間、定流量、定水量的調(diào)節(jié)和控制，無法按需精確調(diào)節(jié)各級(jí)渠道流量，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)水一體化閘門集流量自動(dòng)調(diào)節(jié)、精確測(cè)流、信息傳輸于一體的測(cè)水一體化閘門，能實(shí)現(xiàn)渠系內(nèi)按需供水，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的［3］。2018—2020 年，寧夏回族自治區(qū)七星渠管理處陸續(xù)引進(jìn)測(cè)控一體化閘門，安裝使用后獲得了明顯的效果。

1 寧夏回族自治區(qū)七星渠灌區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)七星渠灌區(qū)自中衛(wèi)市黃河申家灘南岸取水，屬無壩引水。目前，干渠最大引水能力58 m3/s，年引水量8.88 億m3，干渠全長87.6 km，擔(dān)負(fù)著七星渠灌區(qū)及固海揚(yáng)水、紅寺堡揚(yáng)水、固海擴(kuò)灌三大揚(yáng)水灌區(qū)農(nóng)田灌溉的供水任務(wù)，是衛(wèi)寧灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)水源工程。七星渠為傍山渠道，建有處、所、段、點(diǎn)、農(nóng)場(chǎng)30處。截至2018年底，七星渠已建干渠直開口589座（計(jì)量直開口322座、明口203座、揚(yáng)水站64座）、進(jìn)水閘7座、退水閘18座、節(jié)制閘11座、渡槽15座、涵洞17座、險(xiǎn)工段26處及山洪溝道23條（其中5條山洪溝道直接入渠）。完備的灌區(qū)工程設(shè)施為七星渠完成灌溉供水和防汛兩大任務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 測(cè)控一體化閘門在寧夏回族自治區(qū)七星渠灌區(qū)的應(yīng)用

2.1 測(cè)控一體化閘門工作流程

測(cè)控一體化閘門在工作中通過太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池中。閘門的動(dòng)力來源是蓄電池中的電能。渠系內(nèi)來水時(shí)，閘板上下游的水位傳感器和開度感應(yīng)器進(jìn)行工作，實(shí)時(shí)測(cè)控渠道內(nèi)的水位、閘門開啟高度、過閘流量等，通過數(shù)據(jù)傳輸部分傳到控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)灌溉需求設(shè)定目標(biāo)數(shù)值并與實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)發(fā)出閘門操作指令［4-5］。系統(tǒng)反復(fù)循環(huán)執(zhí)行操作指令，直到測(cè)得值達(dá)到設(shè)定值。

2.2 七星渠管理處測(cè)控一體化建設(shè)情況

近年來，七星渠管理處深入調(diào)研、統(tǒng)籌謀劃，先后爭(zhēng)取資金1 500 余萬元，逐步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)和信息化建設(shè)、自動(dòng)化裝備應(yīng)用。2017 年，七星渠管理處自籌項(xiàng)目資金試點(diǎn)建設(shè)4座大閘自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)用平臺(tái)軟件；2018 年，七星渠管理處利用歲修資金，建設(shè)14 座大閘自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，安裝測(cè)控一體化閘門5臺(tái)；2019年，七星渠管理處實(shí)施農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革七星渠干渠量測(cè)水設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，安裝測(cè)控一體化閘門41 臺(tái)、流量計(jì)2 臺(tái)，建設(shè)5 處自動(dòng)化測(cè)水?dāng)嗝?，更換8 臺(tái)（套）大閘啟閉機(jī)，改造4座水閘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并建設(shè)管控中心及完成軟件系統(tǒng)集成應(yīng)用。截至目前，七星渠累計(jì)建設(shè)22座大閘自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝測(cè)控一體化閘門46臺(tái)，安裝電磁流量計(jì)2套，建設(shè)自動(dòng)化測(cè)水?dāng)嗝?座。

2.3 測(cè)控一體化閘門測(cè)流精度

2019—2020 年，七星渠管理處共安裝測(cè)控一體化閘門46臺(tái)，為準(zhǔn)確評(píng)定七星渠管理處已安裝測(cè)控一體化閘門測(cè)流精度，采用比測(cè)抽檢方式進(jìn)行試驗(yàn)，抽檢比例43%，共計(jì)20臺(tái)。

2.3.1 國家相關(guān)規(guī)范對(duì)量測(cè)水精度的要求

《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017）的量水方法中提到，流速儀量水宜作為其他量水方法的率定?！逗恿髁髁繙y(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）第四章流速儀法測(cè)流的一般規(guī)定第4.1.1條中提到，流速儀法的測(cè)量成果可作為率定或校核其他測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)?！豆喔惹老到y(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017）附錄H.5 中提到，測(cè)控一體化閘水量計(jì)（堰頂高度可調(diào)的頂面溢流堰）在滿足上下游水位差大于4 cm 的條件下，流量測(cè)流允許誤差在±5%以內(nèi)，但規(guī)范中沒有明確“誤差”比對(duì)的方法?！稖y(cè)控一體化閘門技術(shù)規(guī)程》（T/CIDA 0006—2020）第五章技術(shù)參數(shù)對(duì)計(jì)量精度要求提到，測(cè)控一體化閘門（堰槽式測(cè)控一體化閘門應(yīng)滿足上下游水位差大于4 cm），流量測(cè)量最大允許誤差為±5%?！度∷?jì)量技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T27714—2012）中5.2.6實(shí)測(cè)流量計(jì)算中關(guān)于誤差來源與控制提到，根據(jù)測(cè)流誤差來源，按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》及本標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，減少人為因素造成的誤差。《水資源水量監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》（SL 365—2015）流量測(cè)驗(yàn)中關(guān)于測(cè)驗(yàn)誤差控制提到，國家基本水文站的流量測(cè)驗(yàn)誤差控制應(yīng)按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的要求執(zhí)行?！逗恿髁髁繙y(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）第四章流速儀法測(cè)流中指出，流速儀法單次流量測(cè)驗(yàn)總隨機(jī)不確定度，按不同精度等級(jí)水文站根據(jù)水深、水面寬和水深的比值在5%～12%，并在備注中提到總隨機(jī)不確定度的置信水平為95%。

2.3.2 比測(cè)方法

2.3.2.1 比測(cè)方法的選定。由于現(xiàn)狀國家及地方標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及測(cè)控一體化閘門量水精度認(rèn)定方法的規(guī)定，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017）中5.1.2 規(guī)定，流速儀量水宜用于要求水頭損失小，易受下游水位影響的大型渠道量水及其他量水方法的率定；國家標(biāo)準(zhǔn)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）中4.1.1 規(guī)定，流速儀法的測(cè)量成果可作為率定或校核其他測(cè)流方法的標(biāo)準(zhǔn)，選定流速儀法作為七星渠灌區(qū)已安裝的測(cè)控一體化閘門測(cè)流精度的比測(cè)方法［6］。

2.3.2.2 流速儀法測(cè)流誤差的控制。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017）中明渠測(cè)流的具體要求，流速儀測(cè)流誤差以不確定度表示。《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中明確，不確定度主要以實(shí)測(cè)資料進(jìn)行，如無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可采用理論計(jì)算確定。根據(jù)流速儀法測(cè)流原理，流速儀法測(cè)流是否精確，關(guān)鍵要確保測(cè)流斷面過水面積與流速測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，流速儀測(cè)水自身誤差影響因素主要如下：①過水面積的測(cè)量誤差，主要是水深測(cè)量引起的過水面積誤差；②點(diǎn)流速的測(cè)量誤差，包括人工操作誤差和點(diǎn)流速測(cè)定數(shù)量引起流量誤差；③岸邊流速系數(shù)取值的影響。試驗(yàn)選取七星渠中4條支渠進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)水位測(cè)定、岸坡系數(shù)取值判定、測(cè)桿傾斜等累計(jì)極端不利影響因素時(shí)，人工流速儀測(cè)流的極端誤差在±1.88%～±10.63%，對(duì)應(yīng)流量越小，誤差越大，流量越大，誤差越小。流速儀測(cè)水誤差產(chǎn)生的主要原因如表1所示。

表1 測(cè)定誤差原因及分析

2.3.3 流速儀法與無喉道量水的測(cè)流精度對(duì)比分析

無喉道量水目前是寧夏揚(yáng)水灌區(qū)普遍采用的量水方法，其量水精度得到了供用水雙方的認(rèn)可［7］。利用2019—2020 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比測(cè)，擬合無喉道量水堰測(cè)流數(shù)據(jù)與流速儀測(cè)流數(shù)據(jù)的關(guān)系，如圖1所示，流速儀法和無喉道量水堰量水?dāng)?shù)據(jù)擬合優(yōu)度達(dá)到了0.989 8。這與灌區(qū)管理處進(jìn)行比測(cè)的數(shù)據(jù)一致，說明流速儀法可作為今后灌區(qū)測(cè)控一體化閘門測(cè)流精度比測(cè)認(rèn)定的工作方法。

圖1 寧夏七星渠流速儀法和無喉道量水堰量水?dāng)?shù)據(jù)擬合圖

2.3.4 比測(cè)數(shù)據(jù)的整體情況

整理與分析20臺(tái)測(cè)控一體化閘門60測(cè)次的數(shù)據(jù)，參照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》對(duì)測(cè)流精度的要求，同一閘門在3 種不同工況條件下，根據(jù)測(cè)控一體化閘門流量數(shù)據(jù)與流速儀標(biāo)準(zhǔn)斷面法流量數(shù)據(jù)偏差與絕對(duì)差值的范圍將閘門分為4個(gè)類型：測(cè)流數(shù)據(jù)偏差在±5%內(nèi)或流量絕對(duì)差值在0.02 m3/s（揚(yáng)水0.01 m3/s）之內(nèi)的測(cè)控一體化閘門為一類設(shè)備，數(shù)據(jù)偏差在±5%～±10%且均不超過±10%的測(cè)控一體化閘門為二類設(shè)備，數(shù)據(jù)偏差在±10%～±20%且均不超過±20%的測(cè)控一體化閘門為三類設(shè)備，數(shù)據(jù)偏差超出±20%的測(cè)控一體化閘門為四類設(shè)備。不同廠家測(cè)控閘門分類情況見表2。

表2 七星渠測(cè)控閘門分類統(tǒng)計(jì)表

采用超聲波時(shí)差法結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)箱可以完成自動(dòng)測(cè)流工作，大部分測(cè)控一體化閘門測(cè)流數(shù)據(jù)與人工實(shí)測(cè)流量相吻合，有顯著相關(guān)性。隨著技術(shù)的不斷完善，自動(dòng)測(cè)流技術(shù)可以用于水量計(jì)量［8］。

2.4 測(cè)控一體化閘門應(yīng)用成效

七星渠灌區(qū)通過遠(yuǎn)程操控開啟閘門配水，全面改變了過去灌水不能離人的現(xiàn)狀，解決了配水人員人工手搖啟閉機(jī)配水的問題，有效杜絕了安全隱患，保障了職工人身安全。管理人員隨時(shí)都能查看水閘監(jiān)控視頻，在灌溉調(diào)度工作中起到了“千里眼”的作用；發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備會(huì)顯示故障警告信號(hào)，維修人員及時(shí)進(jìn)行故障處理，提高了工程安全運(yùn)行管理水平。通過遠(yuǎn)程操作調(diào)整配水量，減少了調(diào)度層級(jí)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了工作效率，有效解決了管理處人員減少的現(xiàn)狀問題；實(shí)現(xiàn)了部分渠段引水、供水、用水動(dòng)態(tài)監(jiān)管，提高了灌溉管理水平，做到干渠調(diào)水、供水一體化、自動(dòng)化。測(cè)控一體化閘門配水計(jì)費(fèi)，提高了用水戶節(jié)水意識(shí)，其中安裝測(cè)控一體化閘門的管理所夏秋灌用水量比安裝前減少180 萬m3，水費(fèi)比安裝前減少8.7 萬元，有效減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了水資源高效利用。

測(cè)控一體化閘門改造，補(bǔ)齊了現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施“短板”，顛覆了手搖扳手開啟斗口的千年傳統(tǒng)，終結(jié)了手工啟閉斗口這個(gè)基層單位最大的工作量，對(duì)安全調(diào)度和灌區(qū)節(jié)水打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為優(yōu)化管理層級(jí)進(jìn)而創(chuàng)新管理模式、推進(jìn)全渠道控制和水利改革創(chuàng)造了必要條件。測(cè)控一體化閘門改造應(yīng)用推動(dòng)了傳統(tǒng)工作向信息化、智能化、現(xiàn)代化方式的轉(zhuǎn)變，初步獲得了“測(cè)得準(zhǔn)、控得住、管得好、用得順”的效果。

3 問題及建議

目前，測(cè)控一體化閘門在使用過程中還存在一些問題，針對(duì)這些問題提出幾點(diǎn)建議：①對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求比較高，使用此系統(tǒng)時(shí)必須加強(qiáng)相關(guān)人員的課程培訓(xùn)及現(xiàn)場(chǎng)操作訓(xùn)練；②遠(yuǎn)程操作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延遲、設(shè)備自身系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)等因素，會(huì)造成閘門控制延遲和現(xiàn)地運(yùn)行情況不明確，出現(xiàn)配水流量過大、系統(tǒng)不顯示流量的現(xiàn)象，需要改進(jìn)設(shè)備；③存在設(shè)備不定期掉線問題，這可能與閘門的設(shè)計(jì)有關(guān)，應(yīng)從需求出發(fā)，建立市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制，淘汰不合格、不規(guī)范產(chǎn)品，確保設(shè)備合格、操作可靠、應(yīng)用順暢；④閘門的安裝應(yīng)與實(shí)際相結(jié)合，根據(jù)直開口工況、灌溉情況確定閘門類型。水流進(jìn)水條件好、灌溉面積大于13.33 hm2的干渠安裝測(cè)控一體化閘門，灌溉面積小于13.33 hm2的干渠直開口配置前控后測(cè)閘門，出口淤積嚴(yán)重的干渠直開口配置只控不測(cè)閘門，確保建一片、發(fā)揮效益一片。

4 結(jié)語

在抓好“云、網(wǎng)、端、臺(tái)”基礎(chǔ)建設(shè)的基礎(chǔ)上，七星渠灌區(qū)管理處深化業(yè)務(wù)軟件建設(shè)，升級(jí)完善七星渠灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)用平臺(tái)，完成各業(yè)務(wù)軟件集成，實(shí)現(xiàn)“控制系統(tǒng)本地控制，業(yè)務(wù)系統(tǒng)上云”，建立信息傳輸系統(tǒng)，打通信息孤島，及時(shí)將采集數(shù)據(jù)推送到水利云，業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入水慧通應(yīng)用平臺(tái)，切實(shí)提高了灌區(qū)灌溉保證率，提升了灌區(qū)水資源調(diào)控管理水平，加快了水利數(shù)據(jù)開放共享，加強(qiáng)了水利安全體系建設(shè)，推進(jìn)了七星渠灌區(qū)由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的升級(jí)發(fā)展。