灌区现代化改造中量测水技术研究

田新星，张 娜

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

灌区量水技术和量水设备是做好灌区经营管理、提高经济效益、合理调度灌溉水资源、实行按方收费、正确执行用水计划、促进节约用水和合理用水的必要工具和手段[1]。2014 年，习近平总书记提出了“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，赋予了新时期治水的新内涵、新要求、新任务，为强化水治理、保障水安全指明了方向，是做好水利工作的科学指南。根据上述治水思路，水利部确定在“十四五”期间的重点工作之一就是现代化灌区建设[2]。随着信息化的发展，智慧灌区建设成为必然趋势，在智慧灌区中推广和应用各类量测水技术，可有效地控制供水时间和精准地计算供水量，实现水资源的优化配置。

1 灌区量测水的现状与形势

1.1 灌区量测水的现状

我国地域辽阔，灌溉面积居世界之首，但水资源十分紧缺，灌区量测水工作也相对较落后。近年来，随着计算机技术的进步和管理手段的不断提升，国内各灌区在量测水方面均取得了一定成就。例如，湖北省漳河水库灌区采用管道量水、水工建筑物量水、堰槽量水、多普勒明渠流量在线监测、电磁明渠流量监测、H-ADCP等不同量测水方式，实现漳河灌区总干渠、四干渠常年供水渠段主要进水闸、节制闸、分水口流量的精准在线实时监测，共计安装各类量水设施4 199 套[3]。河南范县彭楼灌区建设了共计19 套非接触式一体式明渠雷达流量计，通过一体式明渠雷达流量计采集渠道的水位、表面流速，利用上位机程序，输入渠道断面和泥沙淤积曲线，利用大数据技术，得到不同过水断面、糙率下的断面平均流速点位置与水文关系，既大幅度降低了率定的工作量，又提高了一体化智能量测精度[4]。宁夏引黄灌区唐徕渠支干渠第二农场渠的斗渠上建设了标准测流断面，在流量为1～3 m3/s 量级开展了量测水设备比测试验，得出以下结论：①推荐唐徕渠斗渠采用非接触式明渠雷达流量计，其次是直开口手动闸门量控水系统，除个别水位外，非接触式明渠雷达流量计的流量值均符合测流规范的误差要求；②单纯基于超声波原理的设备不适宜在泥沙含量较大的渠道上应用[5]。安徽省淠史杭灌区在淠河总干渠采用人工测流和自动测流方式相互印证校核，在干渠及总干渠市级用水管理分界断面采用缆道测流方式，支渠及支渠以下渠道为梯形断面，经分析利用经验公式计算确定流量系数或效率系数，再利用水力学公式计算得到流量[6]。王家琪通过实验，研究了过流调控型渠道测流装置的各项水力特性，验证了水头可调薄壁堰式渠道流量智能测控装置的可行性[7]。

1.2 灌区量测水的重要性和迫切性

节水是国家未来发展战略的核心，灌溉节水是国家的重中之重。要实现“节水优先、空间均衡”，精准量水、精准控水必须先行。灌区渠道量测水对灌溉系统节约用水、合理灌溉、科学调配水资源具有重要意义，灌区量测水的重要性主要体现在以下几点：①用于评价灌溉系统各级渠道的输水损失；②用于计算田间用水效率；③可为收取水费提供依据；④是实行灌区信息化的重要基础；⑤对于灌区节水和实现水资源高效利用具有重要意义。

1.3 灌区量测水的目的

随着国家节水战略的实施，各个灌区都已通过量测水实现“按田配水、计量收费”。灌区量测水的目的主要有以下几点。

（1）通过量测水实现精准配水、自动化调配。随着农业水价综合改革的不断发展，灌区的计量收费需要量测水作为主要依据。量测水是实行节水农业的关键技术之一。

（2）加强灌区管理。大中型灌区一般采用“长藤结瓜”的布局形式，渠道多，分水点多且分散，引水、配水难度大，通过量测水可促进灌区的规范化、自动化管理。

（3）为信息化提供数据支撑。量测水系统中获取灌区的水位、水量数据是智慧灌区建设中的必要基础数据。

2 灌区量测水技术（设施）分类及优缺点

2.1 根据计算原理分类

根据计算原理的不同，量水方法分为体积法、流速面积法和水位法。体积法是通过测定在某段时间内通过渠道水量的体积，除以相应的过流时间，就可以得到过流量，这种方式原理简单，但是由于实际操作难度大，已经很少被使用。流速面积法是将水流分层，分层流速利用转子或超声波探头、电磁探头等计算，分层面积通过人工计算或软件输入数据后自动计算，得到每一层的流速和面积后，可计算分层的流量，各层流量累加得到总流量。水位法是利用水力学理论中的堰流、管流等经验公式，通过测量水工建筑物的上下游水位、闸门开度等信息，结合建筑物类型、水流形态等确定流量系数以后，选用正确的水力学公式推求经过水工建筑物的流量，水位的获取是水位法的关键，可以用水尺人工读数、压力式或超声波式自动获取水位的水位计等方式获取。

不同的方法又可细分为不同的型式和不同的仪器，如图1所示。

图1 灌区量水技术（设施）分类

2.2 常见量测水设备

根据2.1 节中计算原理的分类，实际中常用的量水设施种类有：①流速仪；②标准断面；③渠系建筑物，如跌水、渡槽、倒虹吸、涵闸等；④量水堰；⑤量水槽；⑥量水仪表，如水位计、水表、电磁流量计、超声波流量计等。各类量测水设备汇总，如图2 所示。

图2 各类量测水设备

2.3 不同量水方式的优缺点

不同的量测水方式具有不同的精度、造价等特点，表1 总结了各类量测水方式的优缺点和适用 范围。

表1 各类量测水技术（设施）的优缺点

3 灌区量测水方式选择因素和注意事项

3.1 量测水方式选择时应考虑的因素

根据灌溉渠道系统量水规范（GB/T 21303-2017），量水设施（方法）选型主要考虑以下要素。

（1）量水精度。以满足实际需求为宜，流量测量不确定性不宜超过±5%。

（2）水头损失。应选择水头损失小的量水设施，减小对渠道过流能力的影响。

（3）测流范围。量水设施的适宜量测范围应与渠道运行期流量变化幅度相适应。

（4）抗干扰性。量水设施应具有对现场条件的适应性，并具备通过泥沙和漂浮物的能力。

笔者根据调研及相关项目设计经验，认为除上述因素外，还应考虑以下几点因素：渠道型式（宽浅式、窄深式）、流量大小、渠道级别（干、支、斗、农、毛渠等）。

3.2 量测水方式选择方案

在实际应用中，由于灌区类型（山区、平原、干旱沙漠地区、多泥沙地区等）、渠道级别（干、支、斗、农、毛）、渠道水质（清水、多泥沙水等）等一系列条件均不尽相同，应选择适用的量水技术或设施。

在灌区的渠首，建筑物规模较大，灌区引水量要求精确，一般需要多种测流方式结合，如以ADCP 等超声波测量方式为主，并辅以流速仪测流复核；在灌区总干渠和干渠，渠道和渠系建筑物建设条件较好，通信和供电均比较便利，一般采用超声波流量计或ADCP 测流；支渠、斗渠或田间等小型渠道，一般需要综合考虑投资、水流含沙量等因素选择合适的量测水方式。

结合上文提出的各类量测水技术的特点，对灌区建设过程中量测水技术（设备）进行选择，结果详见表2。

表2 现代化灌区建设中量测水技术（设备）选择

3.3 量测水信号传输方式选择

随着信息化的快速发展，大部分大型灌区正在由传统灌区转型为智慧灌区。智慧灌区的首要要求就是实现各类灌区信息（水情、工情、视频等）自动传输至灌区信息化管理平台。因此，在现代化灌区改造中，量测水方式选择时应充分考虑信号传递方式，坚持以下原则。

（1）流速仪（旋杯式或旋桨式）测流由于需要人工操作，一般无法实现信号无线传输。因此，对于需要无线信号采集的渠道、管道及渠系建筑物处应尽量少采用人工流速仪量水方式。

（2）灌区取水渠首、总干渠、重要建筑物一般具备有线通信条件，例如光纤等，在这些地方，建议优先选用有线信号传输量测水数据，保证数据实时性和准确性。

（3）支渠、斗渠及田间渠道分布广且数量多，全部采用有线信号传输方式会导致工程投资巨大且后期维修管理不方便。因此，在使用超声波流量计、ADCP 流量计、电磁流量计、堰槽量水等方式量测水时，应考虑设备配备无线信号传输功能，以便于灌区信息化管理系统实时获取各测点流量信息。

4 结论

灌区量测水是实现灌区现代化的必要手段之一，本文对比分析了各类量测水技术的优缺点及适用性，主要有以下结论。

（1）针对需要远程采集渠道流量、分水口分水量的渠道，宜优先考虑选用具备远传功能的超声波时差法流量计、多普勒流量计、电磁流量计等设备。

（2）超声波时差法流量计计量精准度较高，但应根据渠道流量、型式的不同选择相应样式，宽渠道、大流量宜选用开放式，干渠、支渠、斗渠的取水口和节制闸宜选用箱式，斗渠、农渠、毛渠宜选用半开放式。

（3）精准量测水是现代化灌区建设的前提，应针对不同类型灌区、灌区的不同级别渠道、渠道水质等一系列因素，选用不同类型的量水设备。

（4）确定量测水方案时，应根据渠道级别、信息化建设需求选择有线、无线等不同类型的信号传输方式。

（5）量测水是推进节水农业灌溉的重要手段。节水农业是未来现代农业发展的必然选择，其核心是减少水量浪费、提高水的利用率。而灌区量测水可及时准确地测算出水源引入渠系和分配给各级渠道上用水单位的水量，并据此分析各级渠道的输水损失，为灌区的续建配套、节水改造以及农业生产结构调整提供依据。