易嘉成

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

為提高水資源監(jiān)控能力，水利部在全國(guó)范圍內(nèi)相繼開展了兩期國(guó)家水資源監(jiān)控能力項(xiàng)目（一期2012年～2014年及二期2016年～2018年）。其中二期項(xiàng)目是為了進(jìn)一步提高全國(guó)水資源監(jiān)控能力，提高三大監(jiān)控體系中農(nóng)業(yè)用水的監(jiān)控比例，著重開展重點(diǎn)中型以上灌區(qū)渠首取水在線監(jiān)測(cè)工作［1]，本文以此項(xiàng)目為契機(jī)，根據(jù)遼寧省水利廳遼水資（2015）201 號(hào)文件以及遼寧省水文局灌區(qū)取水監(jiān)測(cè)流量轉(zhuǎn)化參數(shù)工作安排，遼寧省遼陽水文局于2018年對(duì)遼陽地區(qū)所屬灌區(qū)取水監(jiān)測(cè)流量轉(zhuǎn)化參數(shù)進(jìn)行研究。為準(zhǔn)確推算水量提供技術(shù)保證，算好水帳，掌握農(nóng)業(yè)用水效率，強(qiáng)化用水管理，實(shí)行水權(quán)集中，統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一調(diào)配，分級(jí)管理有著較為重要意義。

1 流量轉(zhuǎn)化率測(cè)定

1.1 監(jiān)測(cè)站基本情況

為測(cè)定遼陽地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉流量轉(zhuǎn)化率需設(shè)立三處監(jiān)測(cè)站，分別位于燈塔灌區(qū)、燈塔灌區(qū)紅光管理所、遼陽灌區(qū)，引水水源為葠窩地表水水庫水源，引水方式均為從太子河干流通過灌渠引流，控制方式均為引水閘門控制。三處監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)儀器和水量測(cè)驗(yàn)方法見表1。

表1 監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)儀器和測(cè)驗(yàn)方法

1.2 流量轉(zhuǎn)化率測(cè)定方法

首先通過多次實(shí)測(cè)流量確定流量轉(zhuǎn)化率，再用此參數(shù)推算流量過程，最終推算出實(shí)測(cè)逐日、逐月時(shí)段水量。通過實(shí)測(cè)逐日、逐月時(shí)段水量與根據(jù)灌溉定額推求的灌區(qū)水量和水文調(diào)查灌區(qū)灌溉用水量三者進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證轉(zhuǎn)化率的合理性。針對(duì)不同監(jiān)測(cè)方式，在確定流量轉(zhuǎn)化率時(shí)具體方法有所不同。

1.2.1 水位流量關(guān)系法

在渠道引水期間，在不同水位級(jí)施測(cè)流量，與監(jiān)測(cè)站雷達(dá)自記水位計(jì)監(jiān)測(cè)的水位建立關(guān)系曲線，用于推算流量。根據(jù)建立的水位- 流量關(guān)系線，繪制流量過程線，推算時(shí)段水量［2]。

1.2.2 明渠流量計(jì)法

在不同水位級(jí)和不同閘門啟閉時(shí)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，與監(jiān)測(cè)站明渠流量?jī)x監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在分析時(shí)，可以計(jì)算兩組流量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，根據(jù)誤差情況，確定是否需要進(jìn)行修正。修正方法可以用線性系數(shù)或相關(guān)系數(shù)。根據(jù)確定的系數(shù)修正流量值，繪制流量過程線，推算時(shí)段水量［3]。

2 流量轉(zhuǎn)化率參數(shù)確定及合理性分析

2.1 燈塔灌區(qū)

2.1.1 流量轉(zhuǎn)化參數(shù)確定過程

燈塔灌區(qū)引水渠道情況示意圖見圖1，儀器安裝及測(cè)流斷面見圖2～圖3。

圖1 燈塔灌區(qū)引水渠道情況示意圖

圖2 燈塔灌區(qū)水位計(jì)安裝位置

圖3 燈塔灌區(qū)測(cè)流斷面情況

測(cè)流斷面選取在河段順直，河床漿砌石組成，河道底部為河淤土，主流偏左。測(cè)試中，在各水位級(jí)均勻布置流量測(cè)次。為了減少誤差，在雷達(dá)水位計(jì)處安裝水尺，對(duì)水位進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。期間共比測(cè)22 次流量，最大流量30.4 m3/s，最小流量1.38 m3/s。為了確定流量合理性，對(duì)流量不確定度的計(jì)算。流量測(cè)驗(yàn)不確定度由流量測(cè)驗(yàn)隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度組成。

①隨機(jī)不確定度［4]

式中：XQ'為流量隨機(jī)不確定度，%；Xm'為斷面Ⅲ型隨機(jī)不確定度，%；Xe'為斷面Ⅰ型隨機(jī)不確定度，%；Xp'為斷面Ⅱ型隨機(jī)不確定度，%；Xc'為流速儀率定隨機(jī)不確定度，%；Xd' 為斷面測(cè)深隨機(jī)不確定度，%；Xb'為斷面測(cè)寬隨機(jī)不確定度，%。

②系統(tǒng)不確定度

式中：XQ" 為流量系統(tǒng)不確定度，%；Xb" 為測(cè)寬系統(tǒng)不確定度，%；Xd" 為測(cè)深系統(tǒng)不確定度，%；Xc" 為流速儀檢定系統(tǒng)不確定度，%。

③總不確定度

根據(jù)以上公式對(duì)燈塔灌區(qū)斷面的流量不確定度進(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 燈塔灌區(qū)斷面的流量不確定度

根據(jù)表2 結(jié)果，斷面實(shí)測(cè)的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。通過點(diǎn)繪實(shí)測(cè)水位流量，確定水位流量關(guān)系線，見圖4。對(duì)上述水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)，均合理。

圖4 燈塔灌區(qū)水位流量關(guān)系曲線圖

2.1.2 合理性分析

通過水量分析，驗(yàn)證轉(zhuǎn)化率系數(shù)的合理性。燈塔灌區(qū)2018年5月～9月用水位流量法推求水量為12310 萬m3。根據(jù)灌溉定額推求燈塔灌區(qū)水量為14000 萬m3；水文調(diào)查灌區(qū)灌溉用水量9967 萬m3。實(shí)測(cè)水量與灌溉定額計(jì)算水量誤差分別為-12.1%，二者水量相差不大。實(shí)測(cè)水量與灌區(qū)計(jì)量水量誤差為23.5%，誤差偏大；經(jīng)調(diào)查分析，是因?yàn)榱髁枯^小時(shí)灌區(qū)不計(jì)量，導(dǎo)致儀器測(cè)到的水量偏大［5]。

2.2 紅光灌區(qū)

2.2.1 流量轉(zhuǎn)化參數(shù)確定過程

測(cè)流斷面選取在河段順直，河床由河淤土組成。水位漲落緩慢。測(cè)試中，在各水位級(jí)均勻布置流量測(cè)次。為了減少誤差，在雷達(dá)水位計(jì)處安裝水尺，對(duì)水位進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。期間共測(cè)流量23 次，最大流量4.64 m3/s，最小流量0.442 m3/s；水位進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，水尺讀數(shù)與水位計(jì)讀數(shù)一致。紅光灌區(qū)引水渠道情況示意圖見圖5，儀器安裝見圖6。

圖5 紅光灌區(qū)引水渠道示意圖

圖6 紅光灌區(qū)儀器安裝位置圖

同上，為了確定流量合理性，對(duì)流量不確定度的計(jì)算。流量測(cè)驗(yàn)不確定度由流量測(cè)驗(yàn)隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度組成。

根據(jù)公式對(duì)燈塔灌區(qū)斷面的流量不確定度進(jìn)行計(jì)算，見表3。

表3 紅光灌區(qū)斷面的流量不確定度

根據(jù)表3 結(jié)果，斷面實(shí)測(cè)的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。通過點(diǎn)繪實(shí)測(cè)水位流量，確定水位流量關(guān)系線，見圖7。對(duì)上述水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)，均合理。

圖7 紅光灌區(qū)水位流量關(guān)系曲線圖

2.2.2 合理性分析

紅光灌區(qū)2018年5月～9月用水位流量法推求水量為2363 萬m3。根據(jù)灌溉定額推求紅光灌區(qū)水量為1600 萬m3；水文調(diào)查灌區(qū)灌溉用水量1578 萬m3。實(shí)測(cè)水量與灌溉定額計(jì)算水量誤差分別為47.7%，水量相差較大。實(shí)測(cè)水量與灌區(qū)計(jì)量水量誤差為49.7%，誤差偏大；經(jīng)調(diào)查分析，是因?yàn)樗惠^低時(shí)灌區(qū)不進(jìn)行取水計(jì)量，導(dǎo)致儀器測(cè)的水量偏大。

2.3 遼陽灌區(qū)

2.3.1 流量轉(zhuǎn)化參數(shù)確定過程

測(cè)流斷面選取在河段順直，河床混凝土石板組成，主流偏左。遼陽灌區(qū)渠首示意圖見圖8，儀器安裝位置及測(cè)流斷面圖見圖9。

圖8 遼陽灌區(qū)渠首示意圖

圖9 遼陽灌區(qū)水位計(jì)安裝位置圖

比測(cè)中，流量測(cè)次在各流量級(jí)進(jìn)行均勻布置。為了減少誤差，流量比測(cè)的同步性最為關(guān)鍵，明渠流量計(jì)和流速儀測(cè)流同時(shí)進(jìn)行，以最大限度的保證流量測(cè)驗(yàn)精度和代表性。期間共比測(cè)25 次流量，最大流量24.1 m3/s，最小流量7.22 m3/s。

為確定流量合理性，對(duì)流量不確定度的計(jì)算。流量測(cè)驗(yàn)不確定度由流量測(cè)驗(yàn)隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度組成。根據(jù)公式對(duì)燈塔灌區(qū)斷面的流量不確定度進(jìn)行計(jì)算，見表4。

表4 遼陽灌區(qū)斷面的流量不確定度

根據(jù)表4 結(jié)果，斷面實(shí)測(cè)的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。

以同一時(shí)刻施測(cè)的流量，橫坐標(biāo)（X）為明渠流量計(jì)流量，縱坐標(biāo)為流速儀施測(cè)流量，點(diǎn)繪流速儀與明渠流量計(jì)實(shí)測(cè)流量對(duì)比關(guān)系見圖10。流速儀與明渠流量計(jì)施測(cè)流量對(duì)比分析表見表5。

圖10 流速儀與明渠流量計(jì)實(shí)測(cè)流量對(duì)比關(guān)系圖

表5 流速儀與明渠流量計(jì)施測(cè)流量對(duì)比分析表

通過表5 計(jì)算發(fā)現(xiàn)個(gè)別誤差較大，分析原因?yàn)槊髑髁坑?jì)被漂浮物遮擋，根據(jù)分析和調(diào)查將有漂浮物影響的測(cè)次剔除后，最終確定流速儀與明渠流量計(jì)實(shí)測(cè)流量對(duì)比關(guān)系見圖11。

圖11 最終確定實(shí)測(cè)流量對(duì)比關(guān)系圖

從圖11 可以看出，流速儀施測(cè)流量與明渠流量計(jì)流量呈單一線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為1.0418。

2.3.2 合理性分析

遼陽灌區(qū)2018年5月～9月按照相關(guān)系數(shù)推求水量為10105 萬m3。根據(jù)灌溉定額推求遼陽灌區(qū)水量為9600 萬m3；水文調(diào)查灌區(qū)灌溉用水量9017 萬m3。實(shí)測(cè)水量與灌溉定額計(jì)算水量誤差為5.3%，兩者水量相差不大。實(shí)測(cè)水量與灌區(qū)計(jì)量水量誤差為12.1%，誤差相差不大；經(jīng)調(diào)查分析，是因?yàn)榱髁枯^小時(shí)灌區(qū)不計(jì)量，導(dǎo)致儀器測(cè)的水量偏大。

3 結(jié)論及存在問題

3.1 結(jié)論

本文闡述了遼陽地區(qū)三個(gè)主要灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉取水監(jiān)測(cè)流量轉(zhuǎn)化參數(shù)確定及合理性分析的過程，運(yùn)用多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)及定線成果確定流量轉(zhuǎn)化率參數(shù)，并通過水量確定其合理性?？梢钥闯?，通過對(duì)各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)流量成果表、水位流量關(guān)系線檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算及水位流量關(guān)系定線計(jì)算表進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，定線精度總體較好，流量轉(zhuǎn)化參數(shù)合理可靠［6]。同時(shí)，后期將繼續(xù)進(jìn)行不同工情、水情下的率定測(cè)驗(yàn)及時(shí)對(duì)流量轉(zhuǎn)化率參數(shù)進(jìn)行校核，為實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格水資源管理提供技術(shù)支撐［7]。

3.2 存在問題

通過遼陽地區(qū)三個(gè)主要灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉取水監(jiān)測(cè)流量轉(zhuǎn)化參數(shù)確定及合理性分析的過程，發(fā)現(xiàn)出存在以下問題：①明渠流量計(jì)灌溉期水中夾雜大量的漂浮物很容易致使流量計(jì)被遮擋，導(dǎo)致流量數(shù)據(jù)飄忽不定，無法確定是否有漂浮物，對(duì)水量變化影響較大。②水位站水位站存在水位突然變化情況，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求高。③數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)瞬時(shí)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不一致，對(duì)數(shù)據(jù)處理有一定影響。