新疆喀什市灌区自动化测流设备选型

郭星辰，马合木江·艾合买提，3，陶洪飞

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

0 引言

水资源对于人类来说至关重要,是人类赖以生存和发展的必备资源,在全国用水的各个方面,农业用水所占比例最大,农业用水量占全国总用水量的60%,因此合理地管控农业用水是节约淡水资源的重要途径[1]。目前农业的灌溉设施有很多,但是缺乏配套的量水设施,而且大部分地区的量水设施较为陈旧,自动化程度低,量测效率低下。人工测量水量流量数据缺乏时效性,不能迅速掌握水量信息,从而造成某一时间段水量数据的缺失,造成水资源的浪费,达不到快速计量、高效管理的要求[2]。

新疆喀什市位于我国的西北部,是典型的大陆性干旱气候,光照长、蒸发量大、水资源缺乏,所以推动节水型农业灌溉、选择适合该地区的自动化测流设备至关重要。本文对比市面上应用较为广泛的几种量测水设备,结合灌区当地的实际情况为喀什市灌区选择合适的自动化测流设备,并应用在喀什市灌区之中,对推进喀什市灌区水利信息化的发展具有重要意义。

1 喀什地区灌区情况介绍

通过多年的农田水利基本建设,喀什市已建成干、支、斗渠共634.673 km,其中干渠5 条,支渠42 条,斗渠448 条,主要渠道破损较为严重,防渗覆盖率较低,具体情况见表1。喀什市属喀什噶尔河流域冲积平原,辖8 个街道、2 镇、9 乡,总灌溉面积59.6 万亩,其中农民30 年承包地及地表水供水范围的村集体地37.11 万亩,国有土地22.49 万亩。

表1 喀什市干、支、斗渠情况表

2 自动化量测水设备选型

2.1 自动化量测水设备介绍

随着科学技术的发展,计算机网络更为完善,数据的传输与处理更加便捷,灌区自动化、信息化量测成为灌区量测水的趋势。市面上的自动化量测水设备有很多种,性能稳定且在灌区应用较多的主要有电磁式全渠宽测流设备、雷达表面测流设备、超声多层时差法测流设备、多普勒超声波测流设备、一体化超声波水位计设备 、堰槽测流设备六种,其中前四种测流设备是利用流速面积法进行测流,后两种测流设备是通过水力学方法（水位～流量关系法）进行测流[3-4]。本研究将从多个方面进行对比,为喀什灌区干渠、支渠、斗渠选择合适的测流设备。以下内容中将以简写名称代替测流设备全称。

2.2 测流设备方案比选

本文从测量范围、安装方式、外界影响、适用场景、建设成本、维护频次等方面做明渠测流设备的整体比选,结果见表2。

表2 渠道测量方案总体比选表

新疆喀什市灌区干渠、支渠和斗渠道的水情情况如下：

（1）干渠的水情

喀什灌区干渠一般水位较高、水面较宽；流速一般；渠道淤积情况严重；渠道漂浮物较多、泥沙含量较大。

由于干渠渠道一般较宽且水位较高,无法采用电磁式全渠宽测流设备、堰槽法测流设备、一体化超声波水位计设备。雷达表面测流设备适用于渠道宽度较宽的渠道,测量的表面流速需要转化才能求出断面平均流速,所以安装渠道深度不宜太大；渠道内常年存水,无法安装超声多层时差法、多普勒测流法等测流设备,综合测流精度、建设成本及日常维护等方面的影响,在干渠选择非接触式安装的雷达表面测流设备较为合适。

（2）支渠的水情

喀什灌区支渠水位高度一般在2 m 范围内、水面宽度一般,基本在3 m 范围内；流速较快；渠道淤积情况较轻；渠道漂浮物较多、泥沙含量较轻。

由于支渠渠道一般宽度较干渠小很多,当地干渠的宽度跨度约在2 m以上,若采用水工建筑法、堰槽法测流设备方法,土建实施工程量较大,同时容易造成渠道阻水现象的发生。当地支渠一般不存在长年存水情况的发生,可根据渠道的具体宽度与沉积情况选用雷达表面测流设备、超声多层时差法测流设备。

（3）斗渠的水情

水位高度通常在 1 m 范围内、水面宽度一般,基本在1.5 m范围内；流速较快；渠道淤积情况较轻；渠道漂浮物较多、泥沙含量较轻。由于斗渠宽度较小,除了雷达表面测流设备不合适外,其他测流设备基本都能满足测流需求。

针对以上信息绘制水情因素设备比选见表3。

表3 水情因素设备比选

喀什市渠道水质较差,含沙量较高,不适用于堰槽测流等测流设备,综上所述在英吾斯坦乡阿克喀什干渠等51 处干渠和支渠选用雷达表面测流设备；祖努阿吉等28 处斗渠选用电磁式全渠宽测流设备,见图1。

图1 电磁式全渠宽测流设备、雷达表面测流设备现场图

2.3 测流精度对比

为验证电磁式全渠宽测流设备、雷达表面测流设备的测流精度,通过在喀什灌区实地人工率定对比自动化测流设备精度。人工量测采用转子式流速仪进行流速测验,采用施测相对水深0.6 倍位置的流速,垂线布设视渠宽而定,垂线条数按照取水计量技术导则（GB/T 21303-017）布设,水深测量每份流量采用实测水深。单次流量测验完成后立即根据收集的水位、断面、流速数据计算出流量成果,通过控制上游节制闸、分流闸等形式,调节流量的大小。

在已搭建自动化测点中随机选取两个,图2（a）反映了电磁式全渠宽测流设备和人工测流方式所测得同时段的水位-流量关系变化过程（皮合森取水口）；图2（b）反映了雷达表面测流设备和人工测流方式所测得同时段的水位～流量关系变化过程（祖努阿吉分水闸）。电磁式全渠宽测流设备和雷达表面测流设备两者与人工测量所得水位一流量折线关系整体趋势基本一致,前者最大误差9.88%,平均误差4.77%；后者最大误差7.14%,平均误差4.66%。

图2 自动化测流设备和人工测流方式水位～流量关系对比图

3 测流误差分析

（1）测量环境的区别：前人自动化设备的测流试验是在实验室进行的,实验室的渠道规整,经过稳流箱稳流后的水流流态稳定,具有很好的量测效果；喀什灌区的渠道虽然经过修整,但是局部渠道仍不平整,且不可控因素很多,流态较为复杂。

（2）人工率定方式的原因：人工率定是进行多点位的平均计算对流态进行校正,自动化设备直接进行测量出来的水流信息和人工校正过后的存在一定差别。

（3）由于自然界的水流信息具有脉动性,如果刻板的将上文两者的数据的误差作为判断依据是不合理的,我们可以利用水位～流量关系曲线的相关趋势进行分析[5]。两种测流方式的流量测量都会利用到过水面积信息,面积的差异会干扰到最后的测流结果。从图2 可以看出自动化测流设备和人工测量的水位流量关系曲线接近,而最大误差不超过10%,说明两种自动化流量监测设备运行稳定,数据真实可靠。

4 结论

本研究针对新疆喀什市灌区量测水效率低下、测流精度低等问题,选出两种分别应用在干渠、支渠和斗渠的自动化测流设备,主要结论如下：

（1）通过理论分析各种自动化测流设备的特点和适用情况,结合新疆喀什灌区渠道水质较差,含沙量较高的特点,在决定在干、支渠选用雷达表面测流设备,斗渠选用电磁式全渠宽测流设备。

（2）在实地安装测量,与人工测量方式对比之后,对误差进行分析,发现两种非接触式自动化测流设备和人工测量的水位流量关系曲线接近,最大误差不超过10%,两种自动化测流设备稳定可靠。