浙江省灌区计量设施率定中的问题与对策

2020-01-04吴自成吴凌霄张亚东胡荣祥

水利信息化 2020年2期

吴自成，吴凌霄，卢成，张亚东，胡荣祥

（浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020）

根据国家水资源监控能力建设项目（2016—2018 年）（以下简称国控二期项目）的相关部署要求，为实现对占全省用水总量近 40% 的农业灌溉用水进行在线监测和计量，浙江省在全省 55 个灌区（其中 50 个重点中型以上灌区，5 个重点中型以下灌区）建设了 325 个农业用水计量监测点。2018 年根据总项目实施情况，增补了 10 处计量监测设施，总计建设了 335 个计量监测点位。

为保证单点计量设施的量水精度，实现 335 个在线监测点获取的水位/电量向水量转化，浙江省国控二期项目采用的计量设施中除管道电磁波和明渠超声波 2 种流量计不需要率定外，其他量水设施均需要通过流量测验，获取观测项目（如水位、电量、时间等）与水量的函数关系[1]。在实际工作中发现，设施率定存在着诸如计量精度难以保证，天气地形客观制约，数据采集困难等问题。为此对浙江省灌区用水计量设施率定过程中遇到的困难进行列举分析，并提出相对应的解决方案，以期为今后浙江省继续开展设施率定工作提供一定的参考和借鉴。

1 率定工作存在的问题

1.1 前期准备方面

浙江省国控二期项目的率定工作存在以下 3 个难点：

1）时间紧。国控二期率定项目受前期准备、设施建设和灌水周期的限制，需要在不到 8 个月的时间内完成 335 个点的率定任务。

2）任务重。主要体现在以下 2 个方面：a.需率定的监测点数量多且需进行多次复测；b.335 个监测点位于 11 个地级市，距离跨度大且同一区域内的点分布较为零散，不易集中作业。

3）技术繁。按照量水对象分类，浙江省计量监测设施的率定大致可分为标准断面、水工建筑物、堰槽、泵站等量水设施的率定，不同的率定方式必须采用不同的率定仪器和标准，技术比较繁杂，不宜一概而论。

不同的率定方式有不同的技术标准，需采用相对应的率定仪器率定。在率定开始之前，如何最大程度地利用时间和人力，并保证每一个技术人员能够熟练地使用率定仪器进行同一技术标准的率定操作无疑是一个难题。

1.2 仪器可靠性方面

对量水设施进行率定，必须采用专业的率定仪器。针对不同量水设施的特点，分别利用走航式ADCP 对大断面和骨干渠道进行率定，利用转子式流速仪对小渠道进行率定；利用手持式超声波流量计对泵站进行率定。这些仪器都有专门的安装方法和出厂参数，构造相对精密，且构件细小，容易松动脱落，腐蚀生锈，故而在保存和使用过程中都可能造成一定程度的损坏。在实际操作过程中，也时常发现由于仪器参数使用不当，仪器接口发霉生锈，线路缠绕打结等引发的仪器生锈、零件松动、线路老化、信号传输缓慢不稳等问题[2]。使用过程中，必须保证仪器参数设定准确且没有在保存和使用过程中受损，否则会直接影响率定结果。

1.3 数据采集方面

1.3.1 标准断面量水

标准断面量水共计 254 处，占浙江省国控二期项目量水设施总量的 75.8%。由于标准断面现场工况复杂，受制约因素多，导致在实际率定过程中问题频发，总结起来有以下 7 个方面：

1）通过测量水位推算流量，必须保证具有单一水位-流量关系，然而这一条件天然河道往往难以实现，尤其是兼具灌溉功能的渠道，更是无法保证。

2）采取常规方法率定大断面时，由于河道条件复杂，单纯的增加测流垂线对提高数据可靠性帮助不大。

3）若转子式流速仪型号与流速不能很好地匹配，容易导致精度难以保证。

4）监控点前后没有测桥，导致率定缺乏便利条件。

5）渠道淤积过重或水草丛生，不但使水深难以确定，而且容易导致泥沙、树叶等杂物对率定仪器造成影响。

6）断面本身可能存在一些不利于率定的因素，例如断面不标准导致尺寸难以量化，测量断面前后存在分水口、渠首堰闸、跌水、弯段、倒虹吸等情况[3]。

7）自然和人为条件的制约较大。由于标准断面分布于野外，率定受天气等自然因素制约，很可能会由于干旱无水或暴雨等恶劣天气导致无法率定。同时，监控点管理部门人力缺乏，用水户对率定工作缺少理解和支持，都对率定工作造成影响。

1.3.2 其他量水

除标准断面量水外，浙江省需要率定的量水设施类型还有以下 3 种：

1）泵站量水。泵站量水率定的困难主要有：水泵出力过小导致的管内掺气；出水或进水管生锈导致的管壁掺气；管道无裸露或裸露段过短导致的探头无法安装；超声波流量计读数和电表读数难以严格同步等。除此之外，由于水泵固有效率曲线已无法获取（随着工况改变，效率曲线可能失真），必须将泵站前后水位差这一变量考虑在内。

2）堰槽量水。主要存在以下问题：堰上泥沙淤积基本与堰口平行，导致堰槽基本失去量水作用；水位调节后堰槽上下游落差基本不改变，导致水位难以满足规范要求；堰下水流过快且水层极薄，导致无法测流。

3）水工建筑物量水。主要问题是水位调节受自然降水和防洪调度等因素制约，很难满足多水位率定要求。

1.4 数据计算与分析方面

在进行率定数据的计算和分析之前，必须保证率定数据记录准确且保存完整。在通过数据计算形成流量（水量）公式的过程中，往往会出现数据偏差过大，结果不符合常理或实际，组次不足或不具有代表性等问题。

此外，数据计算分析的另外一个问题是结论的可靠性难以验证，得出的流量（水量）公式是否已经满足精度要求，是否与实际情况相吻合，结论能否采用都需要进行一定程度的研判。

2 率定难点的解决方案

2.1 加强分工协作，强化指导培训

为保证率定工作的进度和质量，在成立专门项目组的基础上明确分工并进行定期考核。分工主要有以下 2 个方面：1）任务分工。将全省 335 个监控点按地区集中原则分为 3 个片区。2）技术分工。每个片区都有专门的组长负责技术把关，其余成员各有侧重地掌握不同仪器的操作，以形成专业上的互补和配合。其次，将责任分解落实到人，定责任、工期、质量，将完成情况纳入绩效考核。

为确保率定技术的规范和统一，在实施之前根据规范编制了项目工作大纲，并组织项目组进行技术培训。通过生产厂商工程师和率定专家现场指导，技术人员现场操作等手段，形成一套标准化的作业流程，有力保证了率定操作的准确和可靠。

2.2 确保仪器精度，定时维护校准

仪器必须满足精度要求，为达到此目的，需要在每次使用之前，保证仪器设定的参数准确。尤其是在率定泵站时，必须准确输入水泵的管径、材料、壁厚和安装方法。此外，为防止仪器在使用过程中受损导致无法使用或精度难以保证的情况，应当每半年或在出现问题后及时回原厂检测和维修；同时，应利用率定玻璃水槽，在率定前对仪器进行标定和校准。

除此之外，ADCP 的测流精度还有待验证，原则上应在使用前与传统率定方法进行互相比测。根据辽宁省水文水资源勘测局的实验，以流速仪法测得流量为标准值对比施侧流量 5 次，ADCP 测流误差在 1.6% 和 5.0% 之间，合格率为 100%[4]；根据伊犁水文水资源勘测局的比测分析，ADCP 的准确度高水控制在 6%，中水控制在 7%，低水控制在10% 的范围内，满足测流二等精度[5]。通过浙江省国控二期项目后期模型契合度、流量逻辑关系、发电量折算水量三者的分析来看，在规范使用仪器的前提下采取 ADCP 测流基本满足精度要求。

2.3 严守技术规范，注意因地制宜

2.3.1 标准断面率定方面

存在的问题及解决方案如下：

1）如何保证河道具有单一水位-流量关系，是浙江省国控二期项目中最大的痛点。经过主管和技术部门的通盘考虑和大力配合，采取以技术单位确定率定时的河道标准工况，主管部门下发文件要求各河道管理单位对河道淤积堵塞、破损漏水等 17 项指标进行日常巡查和维护，以保证监控河道的日常工况与率定时工况基本一致。

2）假如渠道过宽，若使用常规率定手段不但费时费力且难以保证精度，此时可采用走航式ADCP 率定。走航式 ADCP 利用多普勒效应原理进行流速测量，用声波换能器作传感器，换能器发射声脉冲波，声脉冲波通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等反散射体反散射，由换能器接收信号，经测定多普勒频移而测算出流速，很好地解决了渠道过宽的问题。但需要注意的是，天然大断面河道影响 ADCP 率定精度的因素有很多，应尽量选择在顺直、含沙量小、无紊流的河道上进行多次测回。

3）为防止水的流速过快或过慢影响率定精度，需准备适应不同流速区间的多套仪器，例如可准备测速范围为 0.015～1.000 m/s 的 LB50-1C 型旋杯式流速仪，测速范围为 0.06～8.00 m/s 的 LS-1206B 型旋桨式流速仪，测速范围为 0.04～15.00 m/s 的 LS-20B 型旋桨式流速仪等 3 套仪器，基本可以满足不同流速条件下的标准断面率定。

4）针对缺少率定基础设施的问题，可采取携带简易测桥或延长测杆等方式解决无测桥带来的率定问题，可利用坡度测量仪、红外测距仪等解决无测桥带来的断面尺寸绘制等问题。

5）标准断面不标准，水草丛生或淤泥杂物堆积都会影响高程和渠深的测定，应详细记录测量断面的形状尺寸以便精确计算断面面积，并且在率定前，应除去率定断面前后的杂物和淤泥。

6）如监控点渠道存在分流、倒虹吸、桥墩等对率定有很大影响的设施时，应尽量避开，可将监测断面移动至监测断面上下游无此类影响的地方进行率定，但必须分别记录监测和测量断面的水深和尺寸，以便后期进行换算。

2.3.2 泵站率定方面

最主要的问题是仪器无法正常计量管内流速，存在的问题及解决方案如下：

1）水泵出力不足导致管内掺气，应先向出水口中灌水排出空气，或适当封堵管口人为提高扬程。

2）管壁生锈导致探头与管壁之间不能达到真空条件，应用砂纸磨掉锈迹[6]。

3）管道裸露过短或无管道裸露导致无法安装仪器，可采用在出水口外用标准断面率定渠道流量的方法代替超声波流量计率定。

4）以电折水的方法不可避免地存在水量读取和电量读取时间不同步，或读取过程中数据一直在变化的问题，应当约定时间后每 5 min 读取 1 次数据，并用拍照定格的方式记录数据。

同时，为将上下游水位差这一变量引入率定公式，必须在不同水位条件下对水泵进行率定。结合浙江省泵站率定经验，除利用河道天然水位变化外，还可利用闸门封堵河道入水口同时进行抽水的方式改变水位高度，再通过率定获取不同水头条件下水泵的提水效率，从而形成水头-单位电量提水量公式。

2.3.3 堰槽量水方面

堰槽量水中存在的问题还没有很好的处理方法，且此种量水方式由于影响过流能力，造成渠道淤积，也给用水户造成不便，建议今后逐步移除此类量水类型。

2.3.4 水工建筑物量水方面

建议提前调研水工建筑物所处河道的水位变化及管理情况，对于调度困难的，应当与主管部门协商，结合河道调蓄时机进行率定；对河道等级不高，调节简单或水位变化大的河道，则可利用水位的天然变化或人为调节进行多次率定。

2.4 注重数据保存，加强计算分析

计量设施的率定，不但需要多次测量，而且必须对率定现场的实际情况进行详细记录。为做到率定数据采集和保存的真实可靠、细致完整，应该做到以下 3 点：

1）保证数据记录准确完整。率定数据不仅总量巨大，而且同一个点可能需要进行多次复测。为保证数据记录准确并完整保存，现场率定数据须经过现场测试记录人的记录，现场率定小组组长的复核，以及部门技术审核人的审核等 3 个环节确认为合格数据。确认为合格数据后，按照监控点序号编码成册，由组长统一保管，同时将数据录入为电子数据。

2）保证数据分析过程规范。应及时处理数据，最好在数据获取的当天进行计算分析，这样出现问题可以及时整改。另外，建议在率定过程中详细记录测量点可能影响率定结果的信息并进行拍照，例如是否有暗管、急弯、倒虹吸等，以便在某几组数据不符合常理时进行研判分析。如果排除了系统误差，则需要尽快重测。

3）保证率定结果可靠。首先采用不同仪器分别率定同一监测点位，然后将数据进行对比检验。如果监测点管理单位自身建有流量站或有可利用发电量折算水量等手段提供流量数据的，应与灌区管理单位进行对接联系，获取各典型灌区经验水量数据并与国控计量监测点数据进行对比，分析国控计量监测数据的合理性。除此之外，可利用监控点水量逻辑关系进行分析，验证结果的合理性。