王懷博 徐利崗 劉學(xué)軍 蘇笑曦

摘 要：適宜的量測水設(shè)備有利于降低灌區(qū)運行管理成本，提高灌區(qū)水資源管理水平，增加經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，從而促進(jìn)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的發(fā)展?；谙到y(tǒng)工程理論，綜合分析影響因素，構(gòu)建以優(yōu)選適宜寧夏引黃灌區(qū)不同流量級別渠道的量測水設(shè)備為目標(biāo)層，以技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和其他相關(guān)指標(biāo)為準(zhǔn)則層，共13個因子為指標(biāo)層的寧夏引黃灌區(qū)量測水設(shè)備比測綜合評價指標(biāo)體系，建立了定量評價量測水設(shè)備的等級標(biāo)準(zhǔn)。以寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠灌域量測水設(shè)備比測為例，進(jìn)行實例驗證，結(jié)果顯示6類設(shè)備中2類達(dá)到中等等級，4類為較差等級，在寧夏引黃灌區(qū)支渠和斗渠可采用設(shè)備4（得分72.57），其次為設(shè)備6（得分60.63）。

關(guān)鍵詞：量測水設(shè)備;比測;精度;適宜性;綜合評價指標(biāo)體系;寧夏引黃灌區(qū)

中圖分類號：TV213.4;TB937文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.032

引用格式：王懷博，徐利崗，劉學(xué)軍，等.量測水設(shè)備比測綜合評價指標(biāo)體系與方法[J].人民黃河，2021，43（1）：156-160.

Comprehensive Evaluation Index System and Method on Comparing

Measurement of Water Volume Equipment

WANG Huaibo1， XU Ligang1， LIU Xuejun1， SU Xiaoxi2

（1.Scientific Research Institute of the Water Conservancy of Ningxia， Yinchuan 750021， China;

2.Ningxia Hydrology Department Tanglai Canal Management Office， Yinchuan 750001， China）

Abstract：Suitable water volume equipment can reduce the cost of irrigation area operation and management， improve the management level of irrigation area， increase economic and ecological benefits and promote the development of modern irrigation area construction. This study based on the theory of system engineering， scientifically and comprehensively analyzed the influencing factors. The comprehensive evaluation index system were made up with one goal layer， three grades and thirteen indices and established quantitative calculation of evaluation criterion of water. Taking comparison of water measuring equipment of Tanglai canal irrigation area in the Yellow River irrigation region in Ningxia as an example， it conducted instance verification. The outcomes show that among the 6 categories equipment， 2 categories reach medium level and 4 categories are at poorer level. It is recommended that equipment 4 （score 72.57） and equipment 6 （score 60.63） can be used for branch canal and lateral canal of the Yellow River irrigation area in Ningxia.

Key words： volume of water equipment; comparing measurement; precision; reliability; comprehensive evaluation index system; Yellow River irrigation area of Ningxia

隨著國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的深入實施，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)灌區(qū)計量和管理現(xiàn)代化、科學(xué)化，可為終端水價核算、和諧用水、保障農(nóng)民用水權(quán)益提供科技支撐[1-3]。我國大部分灌區(qū)的測流方法仍然是落后的人工測流方式，這與社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步是不相適應(yīng)的[4-5]。適宜的量測水設(shè)備有利于降低灌區(qū)運行管理成本，提高灌區(qū)水資源管理水平，增加經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，從而促進(jìn)現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的發(fā)展。目前渠道量水方式有很多種[6-7]，如在具有一定水流條件的渠道，可采用渠系建筑物（渡槽、涵閘等）量水，但該方式易產(chǎn)生水頭損失，必要時需對建筑物進(jìn)行實測校核，用得較多的是特設(shè)建筑物，即量水堰槽，但不同設(shè)施適用范圍不盡相同，需要根據(jù)具體情況而定;流速儀[8-9]使測流工作變得更加靈活和有效，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)斷面可以進(jìn)一步提高精度，其不足在于設(shè)備壽命短等問題造成成本不可控，同時對操作人員要求較高，在大中型灌區(qū)應(yīng)用中存在困難[10]。近些年，各種具有自動監(jiān)測、傳輸、決策功能的量測水設(shè)備應(yīng)運而生，受環(huán)境、流場、傳輸信號、硬件電路和軟件算法等多方面因素的影響和制約，應(yīng)用中評價褒貶不一。澳大利亞全渠道控制系統(tǒng)實現(xiàn)了測控一體化，灌溉水有效利用系數(shù)提高至84%～90%，類似的設(shè)備在小型灌區(qū)直開口用水計量中尚可應(yīng)用，在大型節(jié)制閘及退水閘應(yīng)用的改造成本高，適應(yīng)性差，同時在灌區(qū)側(cè)向引水情況下，量測水精度受水情及測流條件影響較大。因此，有必要對現(xiàn)有量測水設(shè)備進(jìn)行綜合性、定量化評價研究，構(gòu)建一套科學(xué)的評價指標(biāo)體系，以問題為導(dǎo)向，針對各類量測水設(shè)備在現(xiàn)場應(yīng)用中的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面存在的問題，科學(xué)評判，推進(jìn)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)[11-12]。

1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建方法

1.1 內(nèi)涵特征

量測水設(shè)備比測是在一定的環(huán)境影響和條件約束下，以灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)為方向，為使量測水設(shè)備滿足特定條件下測流規(guī)范、工程投資、運營和政策要求、已運行管理軟硬件之間的交互作用，以量水堰或校準(zhǔn)后的流速儀為標(biāo)準(zhǔn)，對其測流的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、對惡劣測流環(huán)境的阻抗性、設(shè)備經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對比，定量評價比測結(jié)果，優(yōu)選出適宜的量測水設(shè)備。

1.2 構(gòu)建的可行性

灌區(qū)現(xiàn)代化是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵，信息化—數(shù)字化—智能化[13]是必經(jīng)之路，制定能夠規(guī)范我國現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)、適應(yīng)灌區(qū)普遍規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)體系迫在眉睫[14-15]。目前計量方法定量評價程度普遍提高，使用大量數(shù)據(jù)的指標(biāo)體系評價法在生態(tài)農(nóng)業(yè)模式 [16-17]、農(nóng)戶用水[18]、農(nóng)機集成評價等系統(tǒng)得到有效應(yīng)用，而量測水設(shè)備比測涉及因素多、內(nèi)容復(fù)雜，宜用綜合評價指標(biāo)體系進(jìn)行評價[19-20]。本研究遵循系統(tǒng)性、典型性、動態(tài)性、簡明科學(xué)性等原則，構(gòu)建的評價指標(biāo)體系可表征評價對象各方面特性及其相互聯(lián)系。

1.3 制約因素分析

明確制約量測水設(shè)備選型的因素及其相互關(guān)系，是合理評價量測水設(shè)備的前提。量測水設(shè)備比測的制約因素如下。

（1）技術(shù)性指標(biāo)。技術(shù)性指標(biāo)是影響量測水設(shè)備監(jiān)測結(jié)果的關(guān)鍵因素，主要體現(xiàn)在監(jiān)測數(shù)據(jù)是否能真實反映渠道流量指標(biāo)、設(shè)備運行是否穩(wěn)定、各部件對高含沙量和氣溫變化的阻抗能力，如高寒、黃河水高含沙量[21]等因素。

（2）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是決定設(shè)備能否正常運行發(fā)揮效果的重要因素，主要包括設(shè)備投資、使用壽命、安裝調(diào)試、運行維護(hù)費用以及批量采購優(yōu)惠等。

（3）其他相關(guān)指標(biāo)。包括設(shè)備的認(rèn)知度、操作性、防盜性和供電系統(tǒng)的可靠性。

1.4 構(gòu)建流程

該體系構(gòu)建包括評價指標(biāo)體系建立、指標(biāo)權(quán)重確立、評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分、綜合評價方法的選擇。

1.4.1 評價指標(biāo)體系建立

以推薦適宜的量測水設(shè)備為目標(biāo)層，建立包含技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和其他相關(guān)指標(biāo)的準(zhǔn)則層，確定包含數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、對溫度與泥沙阻抗性、設(shè)備價格、使用壽命、安裝調(diào)試及土建費用、運行維護(hù)費用、不同采購規(guī)模優(yōu)惠比例、設(shè)備認(rèn)知度、操作性、防盜性、供電系統(tǒng)可靠性等因素的指標(biāo)層。

1.4.2 評價指標(biāo)權(quán)重確定

確定各指標(biāo)權(quán)重的方法很多，該體系利用德爾菲法和層次分析法[22-24]相結(jié)合的方法來確定評價指標(biāo)的權(quán)重，其中征求了灌區(qū)管理部門人員、長期從事監(jiān)測工作的技術(shù)人員、水利專家、水文氣象專家、農(nóng)業(yè)專家、工程設(shè)計人員、設(shè)備廠家等對評價指標(biāo)重要性的意見，計算各層次指標(biāo)的權(quán)重值。

1.4.3 評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)建立

按照《流量測驗規(guī)范》中流速儀的測量成果作為評價測流方法的標(biāo)準(zhǔn)，明渠流量測量誤差要求為±5%，確定總評分為100分。依據(jù)以上原則，對各類指標(biāo)進(jìn)行定量分析，確定指標(biāo)評價的等級標(biāo)準(zhǔn)。

第1步，建立評語集，等級分為優(yōu)良、中等、較差。

第2步，定量分析。主要目的是將不同指標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成分值，使其定量可比。技術(shù)性指標(biāo)是將各因子劃分區(qū)間并賦予系數(shù)，計算評分;經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)中設(shè)備價格、安裝調(diào)試費用、土建費用和運行維護(hù)費4個指標(biāo)采用遞減函數(shù)，規(guī)?；少彛?0套）優(yōu)惠、設(shè)備使用壽命2個指標(biāo)采用遞增函數(shù)，關(guān)鍵在于試算并確定不同量測水設(shè)備科學(xué)的得分下限;其他指標(biāo)依據(jù)滿足指標(biāo)的具體個數(shù)進(jìn)行量化賦分。

第3步，綜合各指標(biāo)得分，確定等級標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.4 綜合評價方法的選擇

該體系涉及13個指標(biāo)的定量分析，每個指標(biāo)均可單獨評價，算出具體設(shè)備的最終得分，得分越高，說明該設(shè)備的適宜性越好，反之越差;對設(shè)備進(jìn)行等級劃分，最終滿足優(yōu)良或中等等級方可確定為選用設(shè)備。

2 綜合評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)體系框架

本研究目標(biāo)層是評價體系的總目標(biāo)，是為寧夏引黃灌區(qū)不同流量級別渠道推薦適宜的量測水設(shè)備，為類似灌區(qū)比測量測水設(shè)備提供科學(xué)合理的理論與技術(shù)支撐;準(zhǔn)則層是組成綜合評價總目標(biāo)的子目標(biāo)，包含技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和其他相關(guān)指標(biāo);指標(biāo)層是準(zhǔn)則層的表征，包括13個指標(biāo)。

2.2 評價指標(biāo)的權(quán)重

量測水設(shè)備比測總賦分設(shè)定為100分，量測水設(shè)備比測綜合評價指標(biāo)體系與權(quán)重見表1。

2.3 評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)的建立

依據(jù)各評價指標(biāo)和權(quán)重，計算出各指標(biāo)的總賦分，評價使用3個等級，總評分大于等于80分為優(yōu)良（作為推薦），大于等于60分、小于80分為中等（定義為可采用），小于60分為較差（定義為不可采用）。各評價指標(biāo)量化計算標(biāo)準(zhǔn)如下。

2.3.1 技術(shù)性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)權(quán)重計算得出技術(shù)性指標(biāo)得分50分，其中數(shù)據(jù)穩(wěn)定性20分，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性20分，設(shè)備對泥沙阻抗性5分，設(shè)備對氣溫變化（夏秋灌高溫、冬灌低溫）的阻抗性5分。總體評分以流量為主，參照水位和流速指標(biāo)。

第一，穩(wěn)定性指標(biāo)。依據(jù)整個比測期流量的誤差統(tǒng)計（范圍1：-5%

第二，準(zhǔn)確性指標(biāo)。依據(jù)整個比測期流量誤差的不確定度、趨勢線斜率和決定系數(shù)R2值3個考量指標(biāo)，分別賦分10、5、5。不確定度按照其范圍（范圍1：-5%

第三，設(shè)備對泥沙阻抗性。對比測期不同時段各斷面泥沙含量從小到大進(jìn)行排序，以取樣時的流量誤差為基準(zhǔn)值，計算出不同泥沙含量下流量誤差的變幅，按照其范圍（范圍1：-5%

第四，設(shè)備對氣溫變化阻抗性。依據(jù)不同灌期氣溫變化顯著時段各類設(shè)備比測的流量誤差，對低溫抗性賦分2，對高溫抗性賦分3，以正常溫度時流量誤差為基準(zhǔn)值，計算出氣溫顯著變化情況下流量誤差的變幅，按照誤差范圍（范圍1：-5%

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)得分30分，利用遞減（增）函數(shù)試算確定設(shè)備各指標(biāo)賦分，其中：設(shè)備單價8分，3萬元以下得8分，20萬元以上得3分;設(shè)備使用壽命5分，20 a以上得5分，5 a以下得2分;安裝調(diào)試及土建費用5分，安裝調(diào)試及土建費占設(shè)備費10%以下得5分，占30%以上得2分;運行維護(hù)費用6分，運行維護(hù)費占設(shè)備費3%以下得6分，占15%以上得2分;規(guī)模化采購（30套）優(yōu)惠6分，優(yōu)惠比例占設(shè)備費20%以上得6分，占5%以下得1分。

設(shè)備價格、安裝調(diào)試及土建費用和運行維護(hù)費得分采用遞減函數(shù)插值法計算：

Bx=Bmin+Amin-AxAmax-Amin（Bmax-Bmin）

規(guī)?；少彛?0套）優(yōu)惠、設(shè)備使用壽命采用遞增函數(shù)插值法計算：

Bx=Bmin+Ax-AminAmax-Amin（Bmax-Bmin）

式中：Ax為具體設(shè)備的價格（萬元）/使用壽命（a）/該費用占單價百分比（%）;Amax為所有設(shè)備中價格上限（萬元）/使用壽命上限（a）/該費用占單價百分比上限（%）;Amin為所有設(shè)備中價格下限（萬元）/使用壽命下限（a）/該費用占單價百分比下限（%）;Bx為具體設(shè)備經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的得分;Bmax為所有設(shè)備具體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)得分上限;Bmin為所有設(shè)備具體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)得分下限。

2.3.3 其他相關(guān)指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)權(quán)重計算得出其他相關(guān)指標(biāo)占20分，其中：設(shè)備認(rèn)知度6分，連續(xù)3 a以上入選《水利先進(jìn)實用技術(shù)重點推廣指導(dǎo)目錄》得6分，入選2 a得5分，入選1 a得4分，入選未滿1 a得3分，未入選得2分;設(shè)備操作性5分，中文界面、英文界面、手機終端、電腦終端、數(shù)據(jù)可視化操作5項中有幾項得幾分;設(shè)備防盜性5分，以具備2項防盜功能及設(shè)置得5分，具備1項防盜功能及設(shè)置，根據(jù)其防盜級別，得2～4分，不具備防盜功能及設(shè)置得1分;供電系統(tǒng)可靠性4分，若太陽能供電系統(tǒng)連陰天持續(xù)工作7 d以上得4分，4～6 d得1～3分，3 d及以下得0分。

根據(jù)以上指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)，對各類設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算最終得分，進(jìn)行等級劃分。

3 寧夏引黃灌區(qū)量測水設(shè)備比測案例評價

3.1 研究區(qū)概況與比測原則

本研究選擇典型的支、斗渠斷面開展量測水設(shè)備比測評價。以暖泉渠典型斷面比測試驗為例，試驗點在寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠灌域，灌溉面積2 133 hm2，渠道長24 km，斗口為2 m×2.5 m雙孔方涵，斷面最大流量6.0 m3/s，測流斷面為格柵石籠砌護(hù)，渠底寬4.5 m，渠道開口寬10 m，高水位處最大水深1.5 m。

選擇并建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化測流斷面，安裝不同原理（水位測量原理或流速測量原理）的6類設(shè)備（設(shè)備1為超聲波法+聲學(xué)多普勒法，設(shè)備2為雷達(dá)波法+雷達(dá)波法，設(shè)備3為靜水壓力法+超聲波法，設(shè)備4為超聲波法+電磁法，設(shè)備5為脈沖雷達(dá)波法+K頻多普勒雷達(dá)波法，設(shè)備6為超聲波法+超聲波法），以流速儀為標(biāo)準(zhǔn)，水位變幅的測定范圍為30～150 cm。將各類設(shè)備按照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T 21303—2017）的要求進(jìn)行安裝布設(shè)，在同一時段（流量指標(biāo)相對穩(wěn)定）或時間相隔不大的時限內(nèi)同時進(jìn)行觀測，以保證各類設(shè)備監(jiān)測時的工況及基本條件近似，數(shù)據(jù)具有可比性。

3.2 綜合評價結(jié)果

依據(jù)構(gòu)建的寧夏引黃灌區(qū)量測水設(shè)備比測綜合評價指標(biāo)體系，開展野外比測試驗，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，得出綜合評價結(jié)果（見表2）。

從結(jié)果看出，參比的6類量測水設(shè)備差異較大，中等等級2個，較差等級4個，均沒有達(dá)到優(yōu)良等級。從技術(shù)性指標(biāo)看，各指標(biāo)差異較大，尤其是穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差異顯著，設(shè)備4技術(shù)性指標(biāo)得分31.34，其次是設(shè)備6，設(shè)備3得分最低，為7.8;從經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)看，各指標(biāo)差異不大，設(shè)備1得分最高為24.64，設(shè)備3得分最低為19.27;其他相關(guān)指標(biāo)無明顯差異，整體表現(xiàn)為設(shè)備在行業(yè)內(nèi)的認(rèn)知度不足，需要加強在各類灌區(qū)及不同水流條件下的應(yīng)用和推廣，適應(yīng)各灌區(qū)不同測流工況的特殊需求。

通過綜合評價指標(biāo)體系得出：設(shè)備4得分72.57，排名第一，劃分為中等;設(shè)備6得分60.63，排名第二，劃分為中等;其他4類設(shè)備均劃分為較差。在寧夏引黃灌區(qū)支渠可采用設(shè)備4，其次是設(shè)備6。

4 結(jié)論與討論

（1）本研究基于技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-認(rèn)知度等相關(guān)指標(biāo)復(fù)合的系統(tǒng)工程理論，綜合分析影響因素，構(gòu)建以優(yōu)選適宜寧夏引黃灌區(qū)量測水設(shè)備為目標(biāo)層，以技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和其他相關(guān)指標(biāo)為準(zhǔn)則層，包括13個指標(biāo)的綜合評價指標(biāo)體系，建立了定量計算量測水設(shè)備評價等級標(biāo)準(zhǔn)，完善了現(xiàn)場應(yīng)用中量測水設(shè)備比測的方法，具有較強的可操作性。

（2）利用本研究所得的評價指標(biāo)體系對寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠灌域量測水設(shè)備比測進(jìn)行綜合評價，結(jié)果表明：6類設(shè)備中2類達(dá)到中等等級，4類為較差等級，在寧夏引黃灌區(qū)支渠和斗渠可采用設(shè)備4（得分72.57），其次是設(shè)備6（得分60.63）。依據(jù)綜合評價指標(biāo)體系能夠明確量測水設(shè)備在各指標(biāo)中的優(yōu)勢和劣勢，避免采購中利用單一指標(biāo)或定性分析帶來的風(fēng)險。

所建立評價指標(biāo)體系可為引黃灌區(qū)管理部門比選適宜的量測水設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)，分析的案例亦可為現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)提供有益參考。鑒于灌區(qū)情況的復(fù)雜性、動態(tài)性，本研究做了整個行水期全面數(shù)據(jù)的分析，受環(huán)境和時間的影響，下一步還需要繼續(xù)開展現(xiàn)場案例研究驗證，獲取長序列數(shù)據(jù)，深入研究各類設(shè)備硬件和軟件模型的參數(shù)，進(jìn)一步完善該評價指標(biāo)體系。

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