太河水库大渠道小流量测水量水实践探索

刘宗国，刘 刚，刘长柱

（淄博市太河水库管理中心，山东 淄博 255178）

太河水库是淄博市库容最大、水质最好的地表水源地，自1998年开始为淄川区乡镇近20万人供水，到目前已承担起3区8镇近140万人的生活供水任务，市太河水库管理局始终坚持生态思维和发展理念，积极探索供水新模式，将农业灌溉、生态补源、生活供水相结合，实现一渠多用，将农业灌溉、生态补源、生活供水与水力发电相结合，将季节性间断发电转化成常年不间断发电，实现一水多用，不仅盘活了固定资产，而且大幅节约了水资源、土地资源和政府投资，提高了供水保证率，经济效益大幅增加，仅水力发电一项年增加效益80多万元。

1 太河水库供水概况

太河水库是淄博市最大的水利枢纽工程，总库容1.833亿m3，兴利库容1.128亿m3。太河水库水源优质，常年稳定在国家地表水环境质量Ⅱ类标准以上，2016年被列入全国重要饮用水水源地名录。为解决部分人畜用水困难，太河水库自1998年开始通过总干渠向淄川区三个乡镇供水，2006年开始向张店区乡镇供水，2011年开始向张店中心城区供水，2018年开始向临淄城区供水。相继承担了三区（淄川、张店、临淄）、八镇（罗村、寨里、洪山、双杨镇；沣水、南定、湖田、中埠镇）近140万人的生活供水任务。

目前，太河水库供水工程，由始建于20世纪70年代的太河水库总干渠，经过灌区节水改造（1999—2006年）和“引太入张”工程（2009—2011年）维修加固而成。总干渠全长26.3 km，渠道有4 m×3.6 m（宽×深）和7m×3.6 m（宽×深）两种断面型式，主要构筑物为渡槽、土石洞、水闸61座，设计流量25 m3/s，分别经过一、二、三干渠向淄川区、张店区和临淄区供水。

2 测水量水探索历程

测水量水工作是灌区灌溉和城镇供水管理工作的重要组成部分，是水资源优化配置、合理调度、计划用水、计量收费的重要依据，是加强灌区和城镇供水经营管理的重要手段，也是事关供用水双方直接利益的一项重要工作。对供水工程进行流量实时在线监测，可以实时了解灌区和城镇用水量，对于用水、调水、计量和结算非常有控制意义，太河水库测水量水计量系统共计经历了五个发展阶段。

2.1 人工旋杯式流速仪量测阶段

1997年以前灌区基本采用LS 68旋杯式流速仪量测渠道上选定渠道断面的水位及各垂线的流速，推求过水断面面积及过水断面的平均流速，再以此计算渠道流量，再根据流量，计算水量。

旋杯式流速仪主要用于量测季节性农业灌溉水量。其主要优点是测量精准、操作简单、携带方便。主要缺点是工作量大，每次水位变化都要进行量测，耗费大量人力；不能实时监测水位和流速数据；人为因素造成的误差较大，如计算误差、测点位置放置不当、断面选择不当等；受量测条件影响大，比如气候、温度、雨雪、交通、渠系参数等。流速仪需定期进行检修和保养，否则会产生误差。

2.2 人工旋桨式流速仪与梯形量水堰相结合量测阶段

1998—1999 年采用LS 20B旋桨式流速仪与梯形量水堰相结合测定灌溉农业用水和少量乡镇生活供水，利用梯形量水堰进行计量和LS 20B旋桨式流速仪进行流量校核的方式，一定程度保证了计量的准确性，主要用于量测季节性农业灌溉和少量乡镇生活供水。

梯形堰主要优点是结构简单、造价低廉、易于制造、测计方便。主要缺点是测定流量范围小，灌溉渠道现场条件要求高，要求含沙量小，坡降比高。

2.3 初步遥测阶段

1999—2009 年，太河水库灌区结合续建配套和节水改造工程，实施了测水量水自动化遥测系统，即浮子式水位计测定水位，采用有线通讯和局部站点无线传输相结合的组网方式，根据水位～流量关系曲线推求流量、水量。使用LS 20B便携式旋浆式流速仪作为流量率定和测定的主要设备。

主要优点是：能够实时监测水位数据；水位数据初次进入数据库，数据长期保存，可以进行访问、打印、统计分析等；水位～流量关系曲线输入系统软件，能自动进行流量和水量计算，省去大量人力。

主要缺点是：受有线通讯和局部站点无线传输相结合的组网方式影响，通讯故障频发，传输效果差，保证率低；受原始的56 k调制解调器拨号连接影响，传输信息量小，速度慢；水位～流量关系曲线推求流量的方式常常因为供水条件的变化而不能反映实际流量，特别是遥测系统无法解决来水退水相同水位不同流速的实际情况；技术含量不高，只是解决了人工到现场看水位的问题，基本上没有解决实质问题。

2.4 自动化遥测阶段

2009—2011 年，太河水库实施了“引太入张”供水工程，灌溉供水、乡镇供水、城镇供水、生态供水“一渠多用、一水多用”成为常态，这就要求实现供水的精准化自动化量测，以满足实时调度和供水计量结算要求。为此在渠首测水桥、一干渠进口、庙子沟管理站、赵庄渡槽出口、二干箱涵出口，设立了先进的H-ADCP声学多普勒流量计；在徐旺管道进口设立了先进的电磁流量计。真正实现了供水测量的自动化，建立了具有实时接收、处理等功能的实时和历史数据库，能够自由接收、处理、存储、转发水情数据，并具有访问、打印、统计分析等主要功能。

（1）H-ADCP仪器流速、流量测量精度高、分辨率高，能够达到结算要求，特别适合于宽度较窄和供水水位较高的渠道中安装。

它具有以下优点：体积小，便于安装，在渠墙或固定物水平安装即可。集成化、信息化程度高；H-ADCP声学多普勒流量计能够输出流速、水位、流量、水温数据，信息化集成相当可靠。输出信号为RS 422信号，便于传输和接收。能够真实反映同一水位流速不同的情况，为实时调控水量提供可靠信息。损坏和维修率低，H-ADCP声学多普勒流量计自身质量过硬，故障率非常低。

主要缺点：限于安装高度，对于小流量不能进行测定。率定较困难，在实际率定中，一般不可能给出十几个供水工况来满足率定要求，率定周期过长。设备造价高，维修维护费用高，有些故障国内无法解决，要返回美国厂家维修。

（2）电磁流量计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表，多用于供水末端计量点。

主要优点：计量准确，正反向测定流量，量程范围大，无需率定，供需双方无争议，杂物不易缠绕、堵塞。

主要缺点：必须满管测量，不能测定电导率低的液体，容易受外界电磁干扰。

2.5 组合型阶段

限于H-ADCP声学多普勒流量计的缺陷，2011—2014年在渠首测水桥、赵家沟渡槽、一干渠进口、庙子沟管理站、赵庄渡槽出口、二干箱涵出口及徐旺管道进口等8处测水点加设其他测水设备，形成组合型测水结构，充分保证了数据的连续性、准确性和可靠性，既能满足农业灌溉和生态补源时的大流量供水需求，又能满足生活供水时的小流量供水需求。其中在渠首测流桥加设超声波水位计，在赵家沟渡槽设立了浮子式水位计，在一干渠进口加设浮子式水位计、矩形堰板式明渠流量计，在黑旺沟渡槽出口下游、庙子沟管理站安装自收缆水位计，在二干渠进口安装浮子式水位计，在三干渠进口安装浮子式水位计、矩形堰板式明渠流量计，在二干箱涵出口安装了自收缆水位计和矩形堰板式明渠流量计，相同测点各种流量计之间互为备用，互相验证。

在以上测水设备中浮子式水位计、超声波水位计主要用来测定水位，加装485模块后能实现远程传输，根据流量曲线查询流量，简单实用；矩形堰板式明渠流量计能够测定小流量，安装简单，造价低，且矩形堰现场堰板能够根据流量大小要求组合拆装使用，计量精度高，测定流量范围大，完全能够满足结算和调度的要求；矩形堰表头流量和水位数据通过设置在闸室内的数据采集器解析后，通过光纤通信网络进入服务器数据库。这两种测水设备是H-ADCP声学多普勒流量计的有益补充，对于H-ADCP声学多普勒流量计测定不到的小流量，矩形堰板式明渠流量计和浮子式水位计均能测定。

多种设备共存的优势。一是多种测水设备共存，可以多条腿走路，避免一种设备出现问题，导致供水无法计量，提高了供水计量保证率，提高了计量精度；二是相同测点各种流量计之间互为备用，互相验证；三是通过数据比对，使结算双方互相信任，避免争议。

3 组合型测水量水设施

3.1 适用对象及测水流量范围

H-ADCP声学多普勒流量计、超声波水位计、浮子式水位计、视频水尺、自收缆水位计布置在整个供水工程沿线来保证供水调度安全、水量合理分配、闸门精确开度；矩形堰板式明渠流量计、电磁流量计、自收缆水位计则布置在一干、二干、三干渠渠首，来保证供水计量和结算安全。当矩形堰板式明渠流量计和电磁流量计出现问题时，自收缆水位计+水位～流量关系曲线则迅速投入使用来保证供水计量安全。

目前H-ADCP声学多普勒流量计在太河水库现有供水渠道条件下，经过多种工况率定后，流量在1.5～10 m3/s时计量精度较高，流量测量精度＜5%；自收缆水位计+水位～流量关系曲线主要用于标准断面的流量测定，流量在0.05～10 m3/s时计量精度较高，一般流量测量精度＜5%，但受工况和人为误差影响较大，不能反映当时实际供水时的流速状况；矩形堰板式明渠流量计在太河水库现有供水渠道条件下，流量测定范围为0.05～2.64 m3/s，流量测量精度＜5%，但是通过对矩形堰版的组合拆装使用，流量测量精度实际可以达到3%；电磁流量计主要安装在管道供水段管道进口和管道末端，管道末端电磁流量计用于计量和结算，管道进口段电磁流量计主要用于复核、校验和故障判断，流量测定范围为0.4～3.9 m3/s，流量测量精度为3%。

3.2 存在问题

（1）测水量水设备采用的主要设备是美国TRDI公司生产的H-ADCP声学多普勒渠道流量计，但是该设备为水平式安装，要求有一定的安装高度，因此对于低于H-ADCP顶端的水位均不能测量，一定程度限制了该仪器的使用量程。特别是进行小流量供水的单位一定要引起重视，由于流量太小，水位太低，根本达不到H-ADCP的测水条件，从而使H-ADCP得不到有效利用。

（2）浮子式水位计+水位流量曲线测水方式，受到供水条件的限制，流量曲线主要适用于自由流，因此当闸门受压出水时，查询流量则存在一定误差，特别是始水和尾水流量与流量曲线所查数值误差更大。这种方式仅测定水位，而不能测定流速，往往不能反映当时的供水状况，特别是在供水沿线长达几十公里的情况下，给供水调度带来一定困难。

（3）矩形堰测水设备在使用过程中出现了以下两个问题：一是太河水库生活和灌溉供水一般采用大流量短时间供水，供水有一定间隔，矩形堰板式明渠流量计堰板前存蓄一定水量，极寒天气容易导致结冰而影响供水。二是安装矩形堰板式明渠流量计会缩小原渠道供水断面，导致渠道设计流量减小。

（4）超声波水位计主要受到水流波动的影响比较大，特别是大流量供水，测定的水位值波动较大。

3.3 对策与建议

（1）测水量水系统应具有强大的采集、传输和处理功能，系统设计和建设时要具有扩展性和前瞻性。

（2）灌区和供水工程测水设备种类繁多，应根据实际情况选择适合现场情况的测水设备，测水设备选择不当，即使再先进，也不一定能发挥全部功能和作用，甚至不能满足需求。

（3）条件允许，尽量改造运行环境，安装电磁流量计，自动计算流量、流速、累计水量，测量数据精度高，适合自动化上传数据，长期运行，节省人力和财力。

（4）对超声波水位计波动误差，可以利用软件对其进行均值计算，以降低水位误差。

4 结语

太河水库供水工程长32.1 km，一渠多用、一水多用频率高，调度十分困难，通过对供水工程沿线关键位置和关键节点测水量水设施的合理分配和布置，来保证供水、工程、调度和计量安全。采用先进设备与传统测流方法相结合模式，既不能全靠先进设备和仪器，也不能抱着传统测流方法不放，在重要的节点或位置，特别是供水结算节点，为了保证数据的连续性和准确性，可以安装不同的测水设备互为备用，以互相验证，确保准确测量。