王世界

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

近些年來(lái)，遼寧省對(duì)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)取水單位按照水利水資源國(guó)家監(jiān)控建設(shè)能力項(xiàng)目要求陸續(xù)開展取用水監(jiān)控點(diǎn)的建設(shè)，這其中測(cè)電法在近些年來(lái)農(nóng)業(yè)取水用監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較為成熟，其次為流量計(jì)和水位流量關(guān)系曲線推算方法[1]。在上述取用水量計(jì)量中由于測(cè)電方法安裝的設(shè)備維護(hù)較為方便，成為國(guó)內(nèi)許多區(qū)域灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口的主要方法[2-8]。測(cè)電法主要通過(guò)建立電量和水量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過(guò)計(jì)量電量來(lái)實(shí)現(xiàn)水量的自動(dòng)換算，因此測(cè)電法首先需要對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口的流量進(jìn)行率定，得到灌區(qū)取水口的綜合出水系數(shù)和轉(zhuǎn)換公式[10]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)于測(cè)電法在灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口流量率定中得到一定的研究[10-15]，但這些研究成果均集中對(duì)中型灌區(qū)取水口流量率定的研究，而對(duì)于大型灌區(qū)的研究還較少，為提高大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口計(jì)量的準(zhǔn)確度。以沈陽(yáng)兩座灌區(qū)為具體實(shí)例，采用測(cè)電法對(duì)各灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口的綜合出水系數(shù)和轉(zhuǎn)換公式進(jìn)行率定。研究成果對(duì)于大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口水量自動(dòng)計(jì)量具有重要的參考價(jià)值。

1 綜合出水系數(shù)率定

收集確定水泵、電機(jī)等參數(shù)，首先通過(guò)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)率定出相應(yīng)灌區(qū)的水泵效率系數(shù)；根據(jù)該率定后的水泵效率系數(shù)，依據(jù)實(shí)測(cè)電量推算水量。具體推算方法如下：

(1)根據(jù)機(jī)組開機(jī)情況進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，需要涵蓋不同機(jī)組開機(jī)時(shí)的取水流量情況。

(2)對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，收集水泵類型、水泵揚(yáng)程、水泵功率、電機(jī)功率、抽水效率等參數(shù)。依據(jù)監(jiān)測(cè)的水流、電流、電壓，應(yīng)用以下公式進(jìn)行水泵效率系數(shù)計(jì)算：

(1)

式中，Q—水泵流量，m3/s；η—水泵效率系數(shù)，%；N軸—水泵軸功率，kW；γ—水的密度，kg/m3；H—水泵揚(yáng)程，m。

通過(guò)上述公式計(jì)算出水泵效率系數(shù)后，根據(jù)使用的電量，即可推算出時(shí)段水量。若采用觀測(cè)的電功率在實(shí)際灌溉用水計(jì)量中需對(duì)N軸進(jìn)行直接代替，水密度取值為1000，通過(guò)綜合出水系數(shù)來(lái)確定水泵效率系數(shù)，對(duì)方程(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算：

Q=αN/H

(2)

式中，α—率定的綜合出水系數(shù)。

本文將常數(shù)102和水泵效率系數(shù)作為綜合出水系數(shù)進(jìn)行率定在不降低計(jì)算精度的基礎(chǔ)上對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。此外N軸不是電功率監(jiān)測(cè)值，電功率監(jiān)測(cè)值和水泵軸功率之間還未考慮電動(dòng)機(jī)效率，對(duì)于取水機(jī)組水泵為一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)時(shí)，其水泵的軸功率N軸首先用電功率轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的效率，其取水功率再通過(guò)水泵的軸效率進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，因此效率系數(shù)分別為水泵和電動(dòng)機(jī)的效率。因此綜合率定系數(shù)不是對(duì)水泵效率進(jìn)行率定，而是率定整個(gè)機(jī)組的水泵效率，因此在進(jìn)行綜合出水系數(shù)率定時(shí)候容易出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和水泵兩河系數(shù)的乘積。

此外公式(2)也可采用水量方法進(jìn)行計(jì)算：

W水=αW電/H

(3)

式中，W水—水泵在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的出水量，m3；W電—用電量實(shí)際值，kW。

由于分析區(qū)域內(nèi)的農(nóng)灌灌區(qū)取水口大都為半封閉和封閉式的壓力水池，其揚(yáng)程由于出水口水位很難準(zhǔn)確觀測(cè)使得很難計(jì)算。因此在保證率定精度的基礎(chǔ)上對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并結(jié)合灌區(qū)取水口實(shí)際情況考慮出水口不受揚(yáng)程的變化綜合影響，水泵出水量和電量直接進(jìn)行相關(guān)方程的建立，水泵出水量通過(guò)電量測(cè)定值和綜合系數(shù)率定值進(jìn)行推算，計(jì)算方程為：

(4)

式中，α′—綜合出水系數(shù)率定值。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將電功率值和流量實(shí)測(cè)值進(jìn)行同步觀測(cè)，綜合出水系數(shù)α′按照以下公式進(jìn)行率定計(jì)算：

Q=α′N

(5)

式中，綜合出水系數(shù)由率定的流量公式的系數(shù)計(jì)算值乘以3600s得到。

2 實(shí)例分析

2.1 灌區(qū)概況

以沈陽(yáng)地區(qū)的石佛寺灌區(qū)、祝家堡灌區(qū)為具體實(shí)例，石佛寺灌區(qū)位于沈陽(yáng)市北郊，遼河左岸，始建于1969年。灌區(qū)共有11臺(tái)提水機(jī)組，每年提水期為4—9月份，提水水源為遼河，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。祝家堡灌區(qū)位于法庫(kù)縣依牛堡子鄉(xiāng)依牛堡子村，地處遼河平原。灌區(qū)共有5臺(tái)提水機(jī)組，設(shè)計(jì)灌溉面積8000hm2，有效灌溉面積3866.67hm2。每年提水期為4—9月份，提水水源為遼河石佛寺水庫(kù)，用于農(nóng)業(yè)灌溉。

2.2 綜合出水系數(shù)率定

以沈陽(yáng)地區(qū)農(nóng)業(yè)灌區(qū)農(nóng)業(yè)取水口為綜合出水系數(shù)率定實(shí)例，該區(qū)域內(nèi)布設(shè)流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)6個(gè)，各流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)的有效測(cè)次在10～35次之間，在進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)方式對(duì)流量測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行查勘。對(duì)流量觀測(cè)和流量測(cè)次進(jìn)行方案的制定。采用橋測(cè)或者船測(cè)方式對(duì)于跨橋布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)。對(duì)各農(nóng)業(yè)取水口進(jìn)口和出水口的高程進(jìn)行引測(cè)，所有流量觀測(cè)斷面均進(jìn)行大斷面數(shù)據(jù)的測(cè)量并對(duì)水尺高程進(jìn)行引測(cè)。此外對(duì)測(cè)電系統(tǒng)電功率和電量以及灌區(qū)流量進(jìn)行同步觀測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)、出口水位進(jìn)行同步觀測(cè)，為綜合出水系數(shù)率定奠定基礎(chǔ)。以石佛寺灌區(qū)其中2個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)為具體實(shí)例，對(duì)其綜合系數(shù)率定過(guò)程進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1—2。

表1 測(cè)電法在1#流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合出水系數(shù)率定結(jié)果

表2 測(cè)電法在2#流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合出水系數(shù)率定結(jié)果

從石佛寺灌區(qū)2個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合出水系數(shù)率定結(jié)果可看出，2個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合出水系數(shù)率定值的均值分別為0.012和0.014，由于分析區(qū)域內(nèi)的農(nóng)灌灌區(qū)取水口大都為半封閉和封閉式的壓力水池，其揚(yáng)程由于出水口水位很難準(zhǔn)確觀測(cè)使得很難計(jì)算。因此在保證率定精度的基礎(chǔ)上對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并結(jié)合灌區(qū)取水口實(shí)際情況考慮出水口不受揚(yáng)程的變化綜合影響得到各流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合出水系數(shù)，其灌區(qū)取水口出水量不考慮水泵揚(yáng)程的變化影響，因此得到各流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合出水系數(shù)具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮水泵揚(yáng)程的變化影響，如果無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)出水口水位可以采用一固定數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)選取，假定揚(yáng)程為固定數(shù)值減去入水口的水位，在來(lái)對(duì)各取水口綜合出水系數(shù)進(jìn)行率定。此外若水泵揚(yáng)程和出水流量之間的變化差異程度較低時(shí)，可以將水泵揚(yáng)程對(duì)綜合出水系數(shù)率定影響不予考慮。

2.3 綜合出水系數(shù)率定誤差統(tǒng)計(jì)

在綜合出水系數(shù)率定的基礎(chǔ)上，分別對(duì)石佛寺灌區(qū)和祝家堡灌區(qū)不同流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合出水系數(shù)率定誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表3—4。

表3 石佛寺灌區(qū)各流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合出水系數(shù)率定誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 祝家堡灌區(qū)各流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合出水系數(shù)率定誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從石佛寺和祝家堡灌區(qū)測(cè)電法下各流量觀測(cè)點(diǎn)不同測(cè)次的綜合出水系數(shù)率定誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，其各測(cè)點(diǎn)不同流量測(cè)次下的誤差范圍均在±20%以內(nèi)，誤差滿足規(guī)范許可要求，電量和流量測(cè)驗(yàn)誤差是綜合出水系數(shù)率定誤差的主要原因，此外灌區(qū)取水口理論上受水泵揚(yáng)程變化影響較為明顯，因此也一定程度加大了各灌區(qū)測(cè)電法下綜合出水系數(shù)率定的誤差值。通過(guò)建立綜合出水系數(shù)結(jié)合各取水口電量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即可對(duì)其全年用水量進(jìn)行換算。

3 結(jié)論

(1)由于泵站提水灌溉使得排灌站運(yùn)行期間有大量回水進(jìn)入農(nóng)田，因此在綜合出水系數(shù)率定時(shí)計(jì)算排灌站實(shí)際水量中要將此部分重復(fù)水量減去。在實(shí)際計(jì)算中，在總用水量中利用回水量監(jiān)測(cè)值估算出水比例并進(jìn)行折減得到實(shí)際提水量，此外這部分排水量在排澇年份也建議予以去除。

(2)流量測(cè)驗(yàn)精度對(duì)于測(cè)電法下綜合出水系數(shù)率定影響較大，應(yīng)盡量采用ADCP、橋測(cè)等流量精測(cè)方式提高測(cè)驗(yàn)精度，從而降低綜合出水系數(shù)率定誤差。

(3)本文由于不考慮水泵揚(yáng)程變化對(duì)綜合出水系數(shù)率定影響，存在不足，在后續(xù)研究中若無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)出水口水位，可建議假定水泵揚(yáng)程為一固定數(shù)值減去入水口水位。