四川省大中型灌区农业用水计量监测模式研究①

(四川省水利科学研究院，成都，610072)

大中型灌区是四川省农业灌溉的主体，截至2017年，全省大中型灌区有效灌面134.89万hm2，占全省有效灌溉总面积的46.95%，用水量占全省农业用水总量的一半以上，在灌溉、供水、水生态和水环境方面发挥着重要作用，对保障粮食安全和农业发展、农村建设、农民增收起到了显著作用。当前，大中型灌区农业用水计量设施建设存在诸多薄弱环节，据调查，主要取水口计量设施配备率仅72.1%，其中人工计量设施占比达84.2%，自动计量设施中运行正常率仅56.8%，主要存在监测点位选择不合理、监测方法不科学、自动化程度较低、故障率较高和运行维护困难等问题。根据自动化程度、取水口类型等特点，本文提出了大中型灌区农业用水计量监测模式。

1 按自动化程度划分的灌区用水计量监测模式

1.1 人工计量监测模式

1.1.1 模式特点

基于水位-流量关系曲线推流原理，利用水工建筑物量水、特设量水设备或者标准断面量水的方法，进行人工推算流量；基于流速-面积法测流原理，采用机械型转子式流速仪计测水流速度，同时辅以水尺以获取断面面积，进行人工推算流量。

1.1.2 技术要点

利用闸门、涵洞、渡槽等水工建筑物的断面水位及闸门开度，或标准断面渠道的水位，对照水工建筑物或渠道的水位-流量曲线推算流量；利用安设不同类型的特设量水设备(堰、槽)，采用人工读数的方法，读取量水槽侧壁上的水尺水位刻度，并对照特设量水设备的水位-流量公式计算流量；或采用机械型转子式流速仪计测渠道某断面流速，依据流速面积法测算流量。

1.1.3 适用条件和范围

适用于灌区资金条件有限，量水精度要求相对不高的大型灌区斗渠、农渠，中型灌区支渠、斗渠和毛渠，可充分利用水工建筑物量水、标准断面量水、量水堰、槽量水和机械型转子式流速仪的方法进行人工测定。另外，基于采用水位-流量曲线推流的计量模式，一般要求监测渠道断面尽量规整顺直、水流平稳，水位-流量曲线需要提前拟定，并进行长期维护。

1.2 自动计量监测模式

1.2.1 模式特点

基于水位-流量关系曲线推流和流量流速面积法测流原理，利用自动化量水设备对水工建筑物或渠道(河道)进行水位、流速等参数的实时监测，自动计算、记录流量及累计水量，并自动采集、上报的方法。

1.2.2 技术要点

利用水工建筑物或渠道断面的自动化水位量测设备(闸位计、浮子式、气泡式、雷达、超声波水位计和电子水尺等)，对水工建筑物或渠道进行闸门开度、水位等参数的实时监测和采集，通过软件系统中事先拟定好的水位-流量关系曲线或公式，自动调取、推算、记录流量及累计水量，并通过传输网络，将数据自动上报至灌区用水平台或业务应用系统。

利用自动化水位及流速类量水设备(水位识别类：浮子式、气泡式、雷达、超声波水位计和电子水尺等；流速仪类：电磁类、声波类等；管道流量计(电磁式、插入式、管段式))，对水工建筑物或渠道(管道)进行水位、流速、流量等参数的实时监测及采集，并通过软件系统按流速面积自动计算、记录流量及累计水量，并通过传输网络，将数据自动上报至灌区用水平台或业务应用系统。

1.2.3 适用条件和范围

主要适用于规模较大、渠系配套完善、条件优越的大中型灌区渠首、骨干渠道和有特别计量需求的田间渠道，自动化量水系统一次性投入大，长远来看可极大地提高灌区的灌溉效率，提高量水精度，还能节约水量，节省大量的人力物力。同上，基于采用水位-流量曲线推流的计量模式，一般要求监测渠道断面尽量规整顺直、水流平稳，水位-流量曲线需要提前拟定，并进行长期维护。

2 按取水口类型划分的灌区用水计量监测模式

2.1 管道型取水口计量监测模式

2.1.1 模式特点

利用管道流量仪表对灌区取水管道流量进行人工或自动采集、计量及累计水量，并用人工或自动采集数据上报的流量监测模式。

2.1.2 技术要点

针对灌区取水口采用铸铁管、钢管、塑料管等形式输水管道，利用声学时差法管道流量计、声学多普勒管道流量计、电磁管道流量计、电子远传水表和普通水表采集、计量、存储管道流量及累计水量，并用人工或自动采集数据，利用网络上报用水管理业务平台。

2.1.3 适用条件和范围

适用于以管道引水为主的提水灌区取水口，或灌区中利用提灌站提水的区域；管道材质以铸铁、钢管、PE管等为主，尺寸一般为10cm～3000cm为宜，适宜有压管流，量水精度较高，除常规校准外，无需进行单独率定，同渠道用水计量模式相比，能节省大量的人力物力。

2.2 渠道型取水口计量监测模式

2.2.1 模式特点

针对渠道(河道)型取水口灌区，基于水位-流量关系曲线推流和流速面积法测流原理，利用水工建筑物法、特设量水设备、标准断面法、流速面积法等对水工建筑物或渠道(河道)进行水位、流速、流量等参数的采集，或人工或软件系统自动计算、记录流量及累计水量，并传输、上报至用水管理业务平台。

2.2.2 技术要点

(1)标准断面量水模式：利用稳定的断面水位-流量关系推流，是灌区量水中常用的方法之一，具有观测简便、精度适用、省工省时等优点；适用于渠段顺直、断面规则、水流均匀、测流断面不受建筑物泄流影响的渠道；该方法需要率定水位-流量函数关系，配置水位传感器设备，由监测水位和水位-流量函数关系表查算流量。

(2)流速面积法量水模式：利用流速仪表测量渠道断面上流速，并结合过水断面面积，计算流量的方法。以流速仪法应用比较广泛，主要分机械、电测和超声三种类型，其中机械型以转子式为主，按转子类型有旋浆式和旋杯式流速仪，电测式有电磁式流速仪，超声型有声学时差法流速仪、多普勒流速仪等。其特点是成果精确，但费用高，施测和计算繁杂，多在无水工建筑物及特设量水设备不可利用的情况下使用，同时对明渠而言须辅助水位测量。

(3)水工建筑物量水模式：利用渠道上已有的堰闸、涵洞、抽水站、水电站、渡槽等水工建筑物，通过实测水头、闸门开启高度等水力参数，经率定分析或利用经验公式确定流量系数或效率系数，用水力学公式计算得到流量；用于测流的水工建筑物应满足一定的边界条件和水力条件，可以通过现场率定、模型实验、同类综合和经验系数等方法来确定流量系数。它既可以减少因灌溉系统设置其他量水设施产生水头损失，又可以节省大量建设费用。

(4)量水堰槽量水模式：测流堰横槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分组成，通过量水建筑物主体段过水断面的科学收缩，使得上、下游形成一定的水头落差，即可得到较为稳定的水位与流量关系。测流堰槽量水的结果比较准确，但要增加设备费用，加大水头损失。按照结构形式，现有的设施主要有量水堰、测流槽等。

2.2.3 适用条件和范围

此模式主要适用于广大的渠道型取水口灌区，具体技术选择宜结合灌区规模、经济条件、断面情况和精度要求等综合确定，条件优越的大中型灌区渠首取水口和骨干渠道，可配套水工建筑物法、特设量水设备、标准断面法、流速面积法的自动化量水模式；其他渠道等级较低、量水精度要求不高的渠道取水口，可选择上述方法的人工量水测量模式。

3 结论与建议

灌区农业用水计量涉及监测、传输、应用等多个环节，涉及面广，应用条件复杂，上述模式通过在国家水资源监控能力建设二期项目中的应用实践，取得了较好的效果。但在应用过程中也发现一些关联问题，对此提出以下对策和建议。

(1)四川省灌区分布较广，计量监测建设任务艰巨，需要持续的资金和技术投入，是一项长期的系统工程，建议相关部门要科学合理规划、密切配合、统筹协调，在不断加大政策支持和技术及资金投入的同时，专题研究重点复杂问题，分批次分重点逐步推进计量用水工作开展；另一方面，部分灌区渠首或重要断面站点大多分布在野外，由于缺乏基本的站房保护和人员维护，同时需要配备相应的电源和网络条件，其运行安全和长期维护的代价是需要考虑的问题，因此，建议通过专题研究解决此类问题。

(2)四川灌区条件复杂，河、渠交错分布，同一灌区可能存在多种水源、多个取水口、多种取水形式，干、支渠道间相互补水、退水情况普遍，同一渠道用水类型多样，即使纯灌溉渠道也存在退排水任务，单靠渠首取水口监测的水量判断农业用水量的方法，在很多渠道断面行不通。因此，建议合理布局，加大对灌区渠首以下渠道用水的计量监测力度，提高监测布点密度；另一方面，需要综合考虑多种影响因素，判定渠道灌溉水量，特别复杂的灌区农业水量分析可进行专题研究。

(3)通过对已建或在建计量监测站点的分析，发现高达70%以上的站点均采用标准断面法计量模式量水，这一类通过水位-流量曲线推流的监测站点，需要事先率定水位与流量的函数关系，但根据灌区监测断面现状及水文变化特征分析，一次性率定好水文要素～流量函数关系是不现实的，常规做法是经多年监测资料累积确定(综合线法)，这就需要配备相应的技术人员，参与长期维护。因此，建议加强相关管理人员的技术培训和信息水平提升，有计划地进行人员培训和人才储备，以适应断面维护与率定、设备更新和系统建设对人才的需求。

(4)现阶段，由于相关的用水计量监测体系不可能大面积覆盖，为更加准确获取灌区用水数据及全口径农业用水量，同时为验证计量监测体系获取数据的科学性和有效性提供核实依据，建议加强灌溉试验站网建设和试验开展工作，逐步开展各类作物灌溉需水规律和灌溉制度的试验研究，健全墒情监测系统，减少以往灌区用水量估算时采用的经验值法的使用，进一步提高灌区用水量监测的科学合理性，做到总量控制，实现定额管理。