量测水设备比测综合评价指标体系与方法

王怀博 徐利岗 刘学军 苏笑曦

摘 要：适宜的量测水设备有利于降低灌区运行管理成本，提高灌区水资源管理水平，增加经济效益和生态效益，从而促进现代化灌区建设的发展。基于系统工程理论，综合分析影响因素，构建以优选适宜宁夏引黄灌区不同流量级别渠道的量测水设备为目标层，以技术性、经济性和其他相关指标为准则层，共13个因子为指标层的宁夏引黄灌区量测水设备比测综合评价指标体系，建立了定量评价量测水设备的等级标准。以宁夏引黄灌区唐徕渠灌域量测水设备比测为例，进行实例验证，结果显示6类设备中2类达到中等等级，4类为较差等级，在宁夏引黄灌区支渠和斗渠可采用设备4（得分72.57），其次为设备6（得分60.63）。

关键词：量测水设备;比测;精度;适宜性;综合评价指标体系;宁夏引黄灌区

中图分类号：TV213.4;TB937文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.032

引用格式：王怀博，徐利岗，刘学军，等.量测水设备比测综合评价指标体系与方法[J].人民黄河，2021，43（1）：156-160.

Comprehensive Evaluation Index System and Method on Comparing

Measurement of Water Volume Equipment

WANG Huaibo1， XU Ligang1， LIU Xuejun1， SU Xiaoxi2

（1.Scientific Research Institute of the Water Conservancy of Ningxia， Yinchuan 750021， China;

2.Ningxia Hydrology Department Tanglai Canal Management Office， Yinchuan 750001， China）

Abstract：Suitable water volume equipment can reduce the cost of irrigation area operation and management， improve the management level of irrigation area， increase economic and ecological benefits and promote the development of modern irrigation area construction. This study based on the theory of system engineering， scientifically and comprehensively analyzed the influencing factors. The comprehensive evaluation index system were made up with one goal layer， three grades and thirteen indices and established quantitative calculation of evaluation criterion of water. Taking comparison of water measuring equipment of Tanglai canal irrigation area in the Yellow River irrigation region in Ningxia as an example， it conducted instance verification. The outcomes show that among the 6 categories equipment， 2 categories reach medium level and 4 categories are at poorer level. It is recommended that equipment 4 （score 72.57） and equipment 6 （score 60.63） can be used for branch canal and lateral canal of the Yellow River irrigation area in Ningxia.

Key words： volume of water equipment; comparing measurement; precision; reliability; comprehensive evaluation index system; Yellow River irrigation area of Ningxia

随着国家“互联网+”战略的深入实施，应用现代信息技术，实现灌区计量和管理现代化、科学化，可为终端水价核算、和谐用水、保障农民用水权益提供科技支撑[1-3]。我国大部分灌区的测流方法仍然是落后的人工测流方式，这与社会经济的不断发展和进步是不相适应的[4-5]。适宜的量测水设备有利于降低灌区运行管理成本，提高灌区水资源管理水平，增加经济效益和生态效益，从而促进现代化灌区建设的发展。目前渠道量水方式有很多种[6-7]，如在具有一定水流条件的渠道，可采用渠系建筑物（渡槽、涵闸等）量水，但该方式易产生水头损失，必要时需对建筑物进行实测校核，用得较多的是特设建筑物，即量水堰槽，但不同设施适用范围不尽相同，需要根据具体情况而定;流速仪[8-9]使测流工作变得更加灵活和有效，结合标准断面可以进一步提高精度，其不足在于设备寿命短等问题造成成本不可控，同时对操作人员要求较高，在大中型灌区应用中存在困难[10]。近些年，各种具有自动监测、传输、决策功能的量测水设备应运而生，受环境、流场、传输信号、硬件电路和软件算法等多方面因素的影响和制约，应用中评价褒贬不一。澳大利亚全渠道控制系统实现了测控一体化，灌溉水有效利用系数提高至84%～90%，类似的设备在小型灌区直开口用水计量中尚可應用，在大型节制闸及退水闸应用的改造成本高，适应性差，同时在灌区侧向引水情况下，量测水精度受水情及测流条件影响较大。因此，有必要对现有量测水设备进行综合性、定量化评价研究，构建一套科学的评价指标体系，以问题为导向，针对各类量测水设备在现场应用中的技术、经济等方面存在的问题，科学评判，推进灌区现代化建设[11-12]。

1 评价指标体系构建方法

1.1 内涵特征

量测水设备比测是在一定的环境影响和条件约束下，以灌区现代化建设为方向，为使量测水设备满足特定条件下测流规范、工程投资、运营和政策要求、已运行管理软硬件之间的交互作用，以量水堰或校准后的流速仪为标准，对其测流的准确性、稳定性、对恶劣测流环境的阻抗性、设备经济性等方面进行对比，定量评价比测结果，优选出适宜的量测水设备。

1.2 构建的可行性

灌区现代化是实现农业现代化的关键，信息化—数字化—智能化[13]是必经之路，制定能够规范我国现代化灌区建设、适应灌区普遍规律的标准体系迫在眉睫[14-15]。目前计量方法定量评价程度普遍提高，使用大量数据的指标体系评价法在生态农业模式 [16-17]、农户用水[18]、农机集成评价等系统得到有效应用，而量测水设备比测涉及因素多、内容复杂，宜用综合评价指标体系进行评价[19-20]。本研究遵循系统性、典型性、动态性、简明科学性等原则，构建的评价指标体系可表征评价对象各方面特性及其相互联系。

1.3 制约因素分析

明确制约量测水设备选型的因素及其相互关系，是合理评价量测水设备的前提。量测水设备比测的制约因素如下。

（1）技术性指标。技术性指标是影响量测水设备监测结果的关键因素，主要体现在监测数据是否能真实反映渠道流量指标、设备运行是否稳定、各部件对高含沙量和气温变化的阻抗能力，如高寒、黄河水高含沙量[21]等因素。

（2）经济性指标。经济性指标是决定设备能否正常运行发挥效果的重要因素，主要包括设备投资、使用寿命、安装调试、运行维护费用以及批量采购优惠等。

（3）其他相关指标。包括设备的认知度、操作性、防盗性和供电系统的可靠性。

1.4 构建流程

该体系构建包括评价指标体系建立、指标权重确立、评价指标等级标准划分、综合评价方法的选择。

1.4.1 评价指标体系建立

以推荐适宜的量测水设备为目标层，建立包含技术性、经济性和其他相关指标的准则层，确定包含数据稳定性、准确性、对温度与泥沙阻抗性、设备价格、使用寿命、安装调试及土建费用、运行维护费用、不同采购规模优惠比例、设备认知度、操作性、防盗性、供电系统可靠性等因素的指标层。

1.4.2 评价指标权重确定

确定各指标权重的方法很多，该体系利用德尔菲法和层次分析法[22-24]相结合的方法来确定评价指标的权重，其中征求了灌区管理部门人员、长期从事监测工作的技术人员、水利专家、水文气象专家、农业专家、工程设计人员、设备厂家等对评价指标重要性的意见，计算各层次指标的权重值。

1.4.3 评价指标等级标准建立

按照《流量测验规范》中流速仪的测量成果作为评价测流方法的标准，明渠流量测量误差要求为±5%，确定总评分为100分。依据以上原则，对各类指标进行定量分析，确定指标评价的等级标准。

第1步，建立评语集，等级分为优良、中等、较差。

第2步，定量分析。主要目的是将不同指标统一转化成分值，使其定量可比。技术性指标是将各因子划分区间并赋予系数，计算评分;经济性指标中设备价格、安装调试费用、土建费用和运行维护费4个指标采用递减函数，规模化采购（30套）优惠、设备使用寿命2个指标采用递增函数，关键在于试算并确定不同量测水设备科学的得分下限;其他指标依据满足指标的具体个数进行量化赋分。

第3步，综合各指标得分，确定等级标准。

1.4.4 综合评价方法的选择

该体系涉及13个指标的定量分析，每个指标均可单独评价，算出具体设备的最终得分，得分越高，说明该设备的适宜性越好，反之越差;对设备进行等级划分，最终满足优良或中等等级方可确定为选用设备。

2 综合评价指标体系的构建

2.1 评价指标体系框架

本研究目标层是评价体系的总目标，是为宁夏引黄灌区不同流量级别渠道推荐适宜的量测水设备，为类似灌区比测量测水设备提供科学合理的理论与技术支撑;准则层是组成综合评价总目标的子目标，包含技术性、经济性和其他相关指标;指标层是准则层的表征，包括13个指标。

2.2 评价指标的权重

量测水设备比测总赋分设定为100分，量测水设备比测综合评价指标体系与权重见表1。

2.3 评价指标等级标准的建立

依据各评价指标和权重，计算出各指标的总赋分，评价使用3个等级，总评分大于等于80分为优良（作为推荐），大于等于60分、小于80分为中等（定义为可采用），小于60分为较差（定义为不可采用）。各评价指标量化计算标准如下。

2.3.1 技术性指标评分标准

依据权重计算得出技术性指标得分50分，其中数据稳定性20分，数据准确性20分，设备对泥沙阻抗性5分，设备对气温变化（夏秋灌高温、冬灌低温）的阻抗性5分。总体评分以流量为主，参照水位和流速指标。

第一，稳定性指標。依据整个比测期流量的误差统计（范围1：-5%

第二，准确性指标。依据整个比测期流量误差的不确定度、趋势线斜率和决定系数R2值3个考量指标，分别赋分10、5、5。不确定度按照其范围（范围1：-5%

第三，设备对泥沙阻抗性。对比测期不同时段各断面泥沙含量从小到大进行排序，以取样时的流量误差为基准值，计算出不同泥沙含量下流量误差的变幅，按照其范围（范围1：-5%

第四，设备对气温变化阻抗性。依据不同灌期气温变化显著时段各类设备比测的流量误差，对低温抗性赋分2，对高温抗性赋分3，以正常温度时流量误差为基准值，计算出气温显著变化情况下流量误差的变幅，按照误差范围（范围1：-5%

2.3.2 经济性指标评分标准

经济性指标得分30分，利用递减（增）函数试算确定设备各指标赋分，其中：设备单价8分，3万元以下得8分，20万元以上得3分;设备使用寿命5分，20 a以上得5分，5 a以下得2分;安装调试及土建费用5分，安装调试及土建费占设备费10%以下得5分，占30%以上得2分;运行维护费用6分，运行维护费占设备费3%以下得6分，占15%以上得2分;规模化采购（30套）优惠6分，优惠比例占设备费20%以上得6分，占5%以下得1分。

设备价格、安装调试及土建费用和运行维护费得分采用递减函数插值法计算：

Bx=Bmin+Amin-AxAmax-Amin（Bmax-Bmin）

规模化采购（30套）优惠、设备使用寿命采用递增函数插值法计算：

Bx=Bmin+Ax-AminAmax-Amin（Bmax-Bmin）

式中：Ax为具体设备的价格（万元）/使用寿命（a）/该费用占单价百分比（%）;Amax为所有设备中价格上限（万元）/使用寿命上限（a）/该费用占单价百分比上限（%）;Amin为所有设备中价格下限（万元）/使用寿命下限（a）/该费用占单价百分比下限（%）;Bx为具体设备经济性指标的得分;Bmax为所有设备具体经济性指标得分上限;Bmin为所有设备具体经济性指标得分下限。

2.3.3 其他相关指标评分标准

依据权重计算得出其他相关指标占20分，其中：设备认知度6分，连续3 a以上入选《水利先进实用技术重点推广指导目录》得6分，入选2 a得5分，入选1 a得4分，入选未满1 a得3分，未入选得2分;设备操作性5分，中文界面、英文界面、手机终端、电脑终端、数据可视化操作5项中有几项得几分;设备防盗性5分，以具备2项防盗功能及设置得5分，具备1项防盗功能及设置，根据其防盗级别，得2～4分，不具备防盗功能及设置得1分;供电系统可靠性4分，若太阳能供电系统连阴天持续工作7 d以上得4分，4～6 d得1～3分，3 d及以下得0分。

根据以上指标评分标准，对各类设备数据进行统计分析，计算最终得分，进行等级划分。

3 宁夏引黄灌区量测水设备比测案例评价

3.1 研究区概况与比测原则

本研究选择典型的支、斗渠断面开展量测水设备比测评价。以暖泉渠典型断面比测试验为例，试验点在宁夏引黄灌区唐徕渠灌域，灌溉面积2 133 hm2，渠道长24 km，斗口为2 m×2.5 m双孔方涵，断面最大流量6.0 m3/s，测流断面为格栅石笼砌护，渠底宽4.5 m，渠道开口宽10 m，高水位处最大水深1.5 m。

选择并建设标准化测流断面，安装不同原理（水位测量原理或流速测量原理）的6类设备（设备1为超声波法+声学多普勒法，设备2为雷达波法+雷达波法，设备3为静水压力法+超声波法，设备4为超声波法+电磁法，设备5为脉冲雷达波法+K频多普勒雷达波法，设备6为超声波法+超声波法），以流速仪为标准，水位变幅的测定范围为30～150 cm。将各类设备按照《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T 21303—2017）的要求进行安装布设，在同一时段（流量指标相对稳定）或时间相隔不大的时限内同时进行观测，以保证各类设备监测时的工况及基本条件近似，数据具有可比性。

3.2 综合评价结果

依据构建的宁夏引黄灌区量测水设备比測综合评价指标体系，开展野外比测试验，统计分析数据，得出综合评价结果（见表2）。

从结果看出，参比的6类量测水设备差异较大，中等等级2个，较差等级4个，均没有达到优良等级。从技术性指标看，各指标差异较大，尤其是稳定性和准确性差异显著，设备4技术性指标得分31.34，其次是设备6，设备3得分最低，为7.8;从经济性指标看，各指标差异不大，设备1得分最高为24.64，设备3得分最低为19.27;其他相关指标无明显差异，整体表现为设备在行业内的认知度不足，需要加强在各类灌区及不同水流条件下的应用和推广，适应各灌区不同测流工况的特殊需求。

通过综合评价指标体系得出：设备4得分72.57，排名第一，划分为中等;设备6得分60.63，排名第二，划分为中等;其他4类设备均划分为较差。在宁夏引黄灌区支渠可采用设备4，其次是设备6。

4 结论与讨论

（1）本研究基于技术-经济-认知度等相关指标复合的系统工程理论，综合分析影响因素，构建以优选适宜宁夏引黄灌区量测水设备为目标层，以技术性、经济性和其他相关指标为准则层，包括13个指标的综合评价指标体系，建立了定量计算量测水设备评价等级标准，完善了现场应用中量测水设备比测的方法，具有较强的可操作性。

（2）利用本研究所得的评价指标体系对宁夏引黄灌区唐徕渠灌域量测水设备比测进行综合评价，结果表明：6类设备中2类达到中等等级，4类为较差等级，在宁夏引黄灌区支渠和斗渠可采用设备4（得分72.57），其次是设备6（得分60.63）。依据综合评价指标体系能够明确量测水设备在各指标中的优势和劣势，避免采购中利用单一指标或定性分析带来的风险。

所建立评价指标体系可为引黄灌区管理部门比选适宜的量测水设备提供科学依据，分析的案例亦可为现代化灌区建设提供有益参考。鉴于灌区情况的复杂性、动态性，本研究做了整个行水期全面数据的分析，受环境和时间的影响，下一步还需要继续开展现场案例研究验证，获取长序列数据，深入研究各类设备硬件和軟件模型的参数，进一步完善该评价指标体系。

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