塔里木灌区量测水现状及对策研究

张永威 周亚平 丁宏伟

(1.新疆生产建设兵团河湖与水文水资源中心,新疆 乌鲁木齐 830002;2.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏 南京 210012;3.江苏南水科技有限公司,江苏 南京 210012)

《全国中型灌区续建配套与节水改造实施方案(2021—2022)》中明确提出,要加强现代信息技术应用,因地制宜建设集信息采集、目标控制和信息传输于一体的灌区信息基础设施,提高信息采集和处理的准确性以及传输的时效性,提升灌区管理水平;要加强灌区量测水设施建设,提高工程计量率和水资源监督管理能力。

水位、流量是水文监测的关键要素,传统的流量监测方法是利用水尺读取水位,流速仪读取流速,结合断面形状计算过水流量[4]。传统方法虽然简单可行,但工作量大、连续性差、数据量小且精度易受人为因素影响[5]。在全球气候变化加剧、极端天气增多及最严格水资源管理制度的背景下,传统方法已无法满足水文监测与大数据分析的需求。为了减少人工观测水文要素的工作强度以及提高监测的精确度,近年来,西北地区逐步引进了各种水文自动化监测设备,其中雷达水位计、一体化超声波水位计、雷达流量计、超声波时差法流量计的应用最为普遍。本文围绕以上4种设备,通过分析其监测原理及其在塔里木灌区的应用现状,讨论量测水技术在西北农业灌区应用中的注意事项。

1 监测原理

量测水是最严格水资源管理制度、灌区节水、农业水价改革及灌区信息化建设的基础,通常量测水方式主要有水工建筑物量水、堰槽量水及仪器仪表量水,其中仪器仪表量水方式使用最多。根据设备的监测原理,仪器仪表量水设备又有多种类型,如雷达水位计、一体化超声波水位计、陶瓷压力式水位计、气泡水位计、雷达波流速仪、旋桨流速仪、雷达流量计、超声波时差法流量计、ADCP流量计等。设备的监测原理分析是研究误差来源、性能指标优化及产品升级的基础,由于超声波与微波在恶劣天气条件下的适应性强、受温度粉尘等影响小,且硬件成本相对不高[6],因此以超声波技术与微波技术为核心的监测设备被广泛应用于水文监测中。塔里木灌区量测水工作中最常用的设备为雷达水位计、一体化超声波水位计、雷达流量计、超声波时差法流量计,其监测原理如下。

1.1 雷达水位计

雷达水位计采用微波技术进行水位监测,不受大气温度、压强、空气密度、风、降水、相对湿度及水中漂浮物、杂草等影响,具有极高的精度和稳定性,因此应用广泛。雷达水位传感器天线垂直向水面发射雷达脉冲,然后接收从水面反射回来的脉冲,并记录时间T,由于雷达波属于电磁波,其传播速度C为常数,利用公式D=CT/2计算出雷达水位计到水面的距离D,见图1。

图1 雷达水位计监测原理

雷达水位计到水面的距离为

当前水位(水面到渠底距离)为

式中:D为雷达水位计到水面的距离,m;C为雷达波速,m/s;T为雷达波发射回收时间,s;H为雷达水位计到渠底的距离,m;h为当前水位,m。

1.2 一体化超声波水位计

一体化超声波水位计是一种高精度、低功耗的水位监测设备,可实现采集、计算、远程无线数据传输、锂电池供电等一体化,在灌区渠道水位的在线自动监测中被广泛应用。一体化超声波水位计的监测原理与雷达水位计相似,均采用脉冲往返记时的方式计算水位。采用测桥或安装支架将超声波水位计垂直安装在水体上方,向水面发出一个超声波脉冲,随后接收到从水面反射回的信号,信号经过变送器电路的选择和处理,根据超声波水位计发出到接收超声波的时间差T,计算出超声波水位计到水面的距离D,见图2。

图2 一体化超声波水位计监测原理

超声波水位计到水面的距离为

当前水位(水面到渠底距离)为

式中:D为超声波水位计到水面的距离,m;V为超声波在空气中传播的波速,m/s;T为超声波发出到接收的时间,s;H为超声波水位计到渠底的距离,m;h为当前水位,m。

1.3 雷达流量计

雷达流量计内置雷达水位计和雷达流速仪,雷达流速仪可采用多普勒原理测出水流表面流速并换算成断面平均流速V,雷达水位计测量计算出水位h,预先在控制器设置渠道参数,控制器可以根据水位自动换算出过流面积S,然后可计算出过流断面的瞬时流量Q(见图3),并且建立水位-流量关系曲线,便于测定不同水位时的过水流量[7]。微波雷达不受温度梯度、压力、空气密度、风和其他气象环境条件的影响,可全天稳定工作。

图3 雷达流量计测流原理

断面过水流量为

断面平均流速为

式中:Q为断面过水流量,m3/s;Vm为断面平均流速,m/s;V为表面流速,m/s;K为折算系数;S为断面过水面积,m2,由断面形状及水位h共同确定。

1.4 超声波时差法流量计

超声波时差法流量计集超声波流速传感器与各种水位计于一体,利用超声波脉冲在流体中通过顺流与逆流传播的时间来测量不同水层的流速v,利用水位计监测水位h,结合超声波传感器安装位置来计算各层过水面积A;某水层流速Vi与面积Ai的乘积为该层水体的流量Qi,将每层水体的流量求和即为过水断面的瞬时流量Q,并且建立水位-流量关系曲线,便于测定不同水位时的过水流量。具体测流原理见图4。

图4 超声波时差法流量计测流原理

顺流:

逆流:

表层:

中层:

底层:

式中:T1、T2为顺流、逆流时超声波传播时间,s;L为同一层流速传感器的间距,m;C为超声波在静水中的传播速度,m/s;v为某一层水流的平均速度,m/s;v1为v在斜方向的分速度,m/s;θ为同一层流速传感器的斜角,(°);Q为过水断面瞬时流量,m3/s;V1、Vi、Vn分别为最低、中间及最高流速传感器水流的平均速度,m/s;Ai为第i与i+1个流速传感器间的过水面积,m2;At、Am、Ab为上、中、下层水体过水面积,m2;Vt、Vm、Vb为表、中、底层水体瞬时流速,m/s;Qt、Qm、Qb为上、中、下层水体瞬时流速,m3/s;Kt、Kb为顶、底层流速内插系数,一般取0.1、0.5。

2 灌区量测水设备应用情况

2.1 灌区介绍

塔里木灌区位于塔里木盆地东北部、塔里木河下游,地势平坦,海拔大部分在855m以下,西高东低,南高北低,主要由河流冲积平原以及大片风蚀地组成。灌区西南为著名的塔克拉玛干沙漠,东北为库鲁克沙漠,属大陆性荒漠气候,年平均气温为10.8℃,年均降水量为34.7mm,平均年蒸发量为2408.6mm。该灌区是沿塔里木河所建的狭长灌区,全长180 km、总面积2207.69km2,是塔里木河下游段“绿色走廊”的重要组成部分[8]。近年来,塔里木灌区大量开展量测水设备推广应用,见图5。

图5 塔里木灌区主要量测水设备现场情况

2.2 设备应用情况

本文选择雷达水位计、一体化超声波水位计、雷达流量计、超声波时差法流量计4种量测水设备对应的12个站点来分析说明其应用效果,见表1。经过多年的应用与完善,目前塔里木灌区推广应用的4种量测水设备运行稳定通畅、数据传输及时且测量精度较高。参照《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)及《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303—2017)等规范,通过比测率定发现误差均满足规范要求。

表1 量测水设备应用现状

2.3 存在的问题

塔里木灌区的雷达水位计、一体化超声波水位计、雷达流量计、超声波时差法流量计等量测水设备运行稳定通畅、数据传输及时且测量精度较高,但也存在一定的问题。

a.监测条件破坏、设备功能降低。站点断面渠道沉降变形或塌陷、泥沙淤积、枯枝落叶聚集等造成断面形状变化;站点基础变形、立杆与横杆弯曲等造成监测设备倾斜;设备老化造成监测功能下降。

b.设备及网络系统运行维护效率不高。管理人员及配水人员知识面广度、学习新知识的能力不足,以及工作调动等造成量测水设备、网络系统运维效率低下、水资源科学调度不合理。

c.业务交流与数据共享较少。各部门间业务交流与数据共享较少,造成灌区需水与渠系供水能力不匹配、工作难度增大、数据质量不高等问题。

3 思考与对策

3.1 加大资金投入用于监测断面维修、渠道清淤、老旧设备矫正更换及定期比测

在落实新时期治水思路、最严格水资源管理制度及水价改革倒逼农业节水等背景下,对灌区量测水工作提出了更高的要求。面对目前塔里木灌区存在的问题,应积极借助国家高标准农田建设及大中型灌区续建配套节水改造项目,加大资金投入,进行破旧渠段补修及土渠衬砌,重视配水闸门与田间灌溉系统漏水检修与维护;特别要加强站点监测断面的维修,泥沙与枯枝落叶的清理,站点立杆、横杆及老旧设备的矫正、更换及定期比测。既保证断面形态稳定不变,又保证量测设备性能良好,从而保障量测水的精确度。

3.2 加强复合型人才和团队的培养

塔里木灌区的管理人员通常具有水利水文和农田水利的专业背景,或多年基层水利系统工作经验,但对传感器、自动化监测、信息技术与软件工程等接触较少;而从事监测设备运维及软件系统开发的工作人员在农田水利、水文水资源规划等方面没有系统的学习,双方沟通效率不高。量测水系统作为灌区信息化的基础,是一项水利、水文、自动化、测控、软件及农业等多学科交叉融合的工作。为满足灌区信息化建设的发展要求,相关部门应该积极主动培养融会水利、水文、自动化、测控、软件及农业等多学科知识的复合型人才,从而解决人才稀缺问题,或者将已有的各专业工作人员组建成团队,平时加强团队业务交流学习,并将配合度和工作完成效果作为团队和个人的考核指标,提高工作效率。

3.3 完善管理制度、重视部门间业务交流与数据共享

制定完善的管理制度,是做好工作的有利保障,制度约束可以减少外界因素对量测水精度及水资源调配的影响。管理部门应加强与农业节水灌溉部门及灌区水资源调配部门之间的业务交流与数据共享,形成合作机制。负责农业节水灌溉的部门可根据农民灌水习惯与用水定额,制定灌溉需水量及灌溉制度;负责灌区水资源调配的部门可根据渠系输水能力和农业节水灌溉部门制定的灌溉制度与灌溉需水量,制定出科学的配水方案,从而为闸控配水与闸后量测水提供依据。将相关人员的工作态度、廉洁自律、灌区量测水精度及农户节水意识等纳入考核及人才选拔要求,从而保障水资源的合理利用,增强农民公平感,提高农民节水意识。

4 结 语

量测水是最严格水资源管理制度、灌区节水、农业水价改革及灌区信息化建设的基础,因此,应高度重视灌区量测水工作,加大资金投入用于监测断面的维修、渠道清淤、老旧量测水设备的矫正、更换及定期比测,保证量测水的精确度。同时,加强人才和团队的培养,打造一支既懂水利、水文、农田水利,又懂自动化、测控、软件的高水平队伍,为数字灌区、智慧灌区、孪生灌区等做好人才储备,从而更好地推进灌区智慧化及农业现代化发展。加强完善管理制度、重视部门间业务交流与数据共享,相互配合、共同做好灌区量测水及水资源优化配置工作,保障灌区节水与作物产量的平衡发展。■