田新星，張 娜

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(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)營管理、提高經(jīng)濟(jì)效益、合理調(diào)度灌溉水資源、實行按方收費、正確執(zhí)行用水計劃、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，在智慧灌區(qū)中推廣和應(yīng)用各類量測水技術(shù)，可有效地控制供水時間和精準(zhǔn)地計算供水量，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

1 灌區(qū)量測水的現(xiàn)狀與形勢

1.1 灌區(qū)量測水的現(xiàn)狀

我國地域遼闊，灌溉面積居世界之首，但水資源十分緊缺，灌區(qū)量測水工作也相對較落后。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和管理手段的不斷提升，國內(nèi)各灌區(qū)在量測水方面均取得了一定成就。例如，湖北省漳河水庫灌區(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、電磁明渠流量監(jiān)測、H-ADCP等不同量測水方式，實現(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)在線實時監(jiān)測，共計安裝各類量水設(shè)施4 199 套[3]。河南范縣彭樓灌區(qū)建設(shè)了共計19 套非接觸式一體式明渠雷達(dá)流量計，通過一體式明渠雷達(dá)流量計采集渠道的水位、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)，得到不同過水?dāng)嗝妗⒉诼氏碌臄嗝嫫骄魉冱c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精度[4]。寧夏引黃灌區(qū)唐徠渠支干渠第二農(nóng)場渠的斗渠上建設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)測流斷面，在流量為1～3 m3/s 量級開展了量測水設(shè)備比測試驗，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，其次是直開口手動閘門量控水系統(tǒng)，除個別水位外，非接觸式明渠雷達(dá)流量計的流量值均符合測流規(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流和自動測流方式相互印證校核，在干渠及總干渠市級用水管理分界斷面采用纜道測流方式，支渠及支渠以下渠道為梯形斷面，經(jīng)分析利用經(jīng)驗公式計算確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，再利用水力學(xué)公式計算得到流量[6]。王家琪通過實驗，研究了過流調(diào)控型渠道測流裝置的各項水力特性，驗證了水頭可調(diào)薄壁堰式渠道流量智能測控裝置的可行性[7]。

1.2 灌區(qū)量測水的重要性和迫切性

節(jié)水是國家未來發(fā)展戰(zhàn)略的核心，灌溉節(jié)水是國家的重中之重。要實現(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)渠道量測水對灌溉系統(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)量測水的重要性主要體現(xiàn)在以下幾點：①用于評價灌溉系統(tǒng)各級渠道的輸水損失；②用于計算田間用水效率；③可為收取水費提供依據(jù)；④是實行灌區(qū)信息化的重要基礎(chǔ)；⑤對于灌區(qū)節(jié)水和實現(xiàn)水資源高效利用具有重要意義。

1.3 灌區(qū)量測水的目的

隨著國家節(jié)水戰(zhàn)略的實施，各個灌區(qū)都已通過量測水實現(xiàn)“按田配水、計量收費”。灌區(qū)量測水的目的主要有以下幾點。

（1）通過量測水實現(xiàn)精準(zhǔn)配水、自動化調(diào)配。隨著農(nóng)業(yè)水價綜合改革的不斷發(fā)展，灌區(qū)的計量收費需要量測水作為主要依據(jù)。量測水是實行節(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“長藤結(jié)瓜”的布局形式，渠道多，分水點多且分散，引水、配水難度大，通過量測水可促進(jìn)灌區(qū)的規(guī)范化、自動化管理。

（3）為信息化提供數(shù)據(jù)支撐。量測水系統(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)量測水技術(shù)（設(shè)施）分類及優(yōu)缺點

2.1 根據(jù)計算原理分類

根據(jù)計算原理的不同，量水方法分為體積法、流速面積法和水位法。體積法是通過測定在某段時間內(nèi)通過渠道水量的體積，除以相應(yīng)的過流時間，就可以得到過流量，這種方式原理簡單，但是由于實際操作難度大，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、電磁探頭等計算，分層面積通過人工計算或軟件輸入數(shù)據(jù)后自動計算，得到每一層的流速和面積后，可計算分層的流量，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)驗公式，通過測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獲取水位的水位計等方式獲取。

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 常見量測水設(shè)備

根據(jù)2.1 節(jié)中計算原理的分類，實際中常用的量水設(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、水表、電磁流量計、超聲波流量計等。各類量測水設(shè)備匯總，如圖2 所示。

圖2 各類量測水設(shè)備

2.3 不同量水方式的優(yōu)缺點

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

表1 各類量測水技術(shù)（設(shè)施）的優(yōu)缺點

3 灌區(qū)量測水方式選擇因素和注意事項

3.1 量測水方式選擇時應(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。以滿足實際需求為宜，流量測量不確定性不宜超過±5%。

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

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

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

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

3.2 量測水方式選擇方案

在實際應(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，一般需要多種測流方式結(jié)合，如以ADCP 等超聲波測量方式為主，并輔以流速儀測流復(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或ADCP 測流；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水方式。

結(jié)合上文提出的各類量測水技術(shù)的特點，對灌區(qū)建設(shè)過程中量測水技術(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)中量測水技術(shù)（設(shè)備）選擇

3.3 量測水信號傳輸方式選擇

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)的首要要求就是實現(xiàn)各類灌區(qū)信息（水情、工情、視頻等）自動傳輸至灌區(qū)信息化管理平臺。因此，在現(xiàn)代化灌區(qū)改造中，量測水方式選擇時應(yīng)充分考慮信號傳遞方式，堅持以下原則。

（1）流速儀（旋杯式或旋槳式）測流由于需要人工操作，一般無法實現(xiàn)信號無線傳輸。因此，對于需要無線信號采集的渠道、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)先選用有線信號傳輸量測水?dāng)?shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)實時性和準(zhǔn)確性。

（3）支渠、斗渠及田間渠道分布廣且數(shù)量多，全部采用有線信號傳輸方式會導(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、ADCP 流量計、電磁流量計、堰槽量水等方式量測水時，應(yīng)考慮設(shè)備配備無線信號傳輸功能，以便于灌區(qū)信息化管理系統(tǒng)實時獲取各測點流量信息。

4 結(jié)論

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

（1）針對需要遠(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)傳功能的超聲波時差法流量計、多普勒流量計、電磁流量計等設(shè)備。

（2）超聲波時差法流量計計量精準(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)量測水是現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)的前提，應(yīng)針對不同類型灌區(qū)、灌區(qū)的不同級別渠道、渠道水質(zhì)等一系列因素，選用不同類型的量水設(shè)備。

（4）確定量測水方案時，應(yīng)根據(jù)渠道級別、信息化建設(shè)需求選擇有線、無線等不同類型的信號傳輸方式。

（5）量測水是推進(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、提高水的利用率。而灌區(qū)量測水可及時準(zhǔn)確地測算出水源引入渠系和分配給各級渠道上用水單位的水量，并據(jù)此分析各級渠道的輸水損失，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)。