辽宁省大中型灌区自动量水设备与人工观测方法数据比对

谷成麟

(辽宁合悦土木工程有限公司，辽宁 沈阳 110167)

灌区田间用水计量体系包括田间灌溉计量工程配套和计量管理。对于大中型灌区而言，寻找一个性价比较高的计量设备对于灌区科学用水、灌溉用水效率提升意义重大[1]。通过对灌区灌溉供水方案进行分析其田间用水计量设施布局的合理性和科学性，从而提高大中型灌区标准化体系的建设，是灌区农业水价综合改革研究面临的实际问题[2]。辽宁省灌区多以地表水灌溉，在水价综合改革中田间用水计量设施布置符合国家的相关规定，且根据灌区的实际情况及灌水计量要求，在干渠与支渠分界点设置量水设备，末级渠系量水精确到农渠，斗渠直接进地情况量水精确到斗渠[3]。灌区用水计量设施建设管理的目标对对灌区灌溉水量进行科学调配，提高其灌溉水量计量的精准性，提高其灌溉水量使用的科学性，通过严格控制灌区供用水量，采取有效的节水措施，降低灌溉定额标准，实行供水到户制度，杜绝水资源浪费现象，提高灌溉用水的效率，实现节水灌溉的目的，具有十分重要的意义[4]。当前，对于灌区自动量水设备取得一定的研究成果[5-15]，但不同地区对于灌区量水设备的要求有所差异，需要结合地区灌区实际情况，对其自动量取设备计量的精准性进行分析。为提高辽宁地区灌区量水设备的精准性，选取10个典型大中型灌区，结合人工同步观测方式开展灌区自动量水设备计量精度的分析。研究成果对于灌区智慧化建设具有参考价值。

1 典型灌区选取

选择5个大型灌区(灯塔、东港、凌海、浑蒲、营口)、5个中型灌区(凡河、大清沟、辽阳、通江子、浑北)作为典型灌区，各典型灌区信息见表1，在典型灌区中选择合适区域建立试验区，具体原则如下。

表1 典型灌区基本信息

(1)选取一条斗渠(或农渠)控制的封闭地块，整个斗渠(农渠)控制的地块边界清晰，无串灌串排现象。

(2)选取的斗口(或农口)可以实现自动计量(自带量水设备，或可配备常规自动量水设备)，田间进水口也尽量保证有计量设施。

(3)选取的斗渠(或农渠)及田间尽量已衬砌，工程条件较好，且能落实观测人员，交通较为便利。

2 灌溉计量总体方案

通过典型灌区现场调研及灌溉计量现状分析，每个灌区均需配套自动化量水监测设备、观测水尺及降雨量观测设备。自动化量水监测站布设于灌区进水口处，用于观测灌区毛灌溉用水量，主要观测设备包括多普勒明渠流量计、多层时差法流量计。观测水尺布设在试验区进水口及灌区典型田块观测点，包括进水口喷漆水尺及田间观测点木桩水尺。灌区进水口喷漆水尺用于观测试验区毛灌溉用水量，可与自动化量水设备观测数据相互校正；灌区典型田块观测水尺数据用于观测灌区净灌溉用水量。灌区降雨量数据可通过配套自动翻斗式雨量计进行观测。

2.1 自动量测设备选型

根据各典型灌区区农渠渠道断面情况，主要为灌溉渠道，有时会出现低流速(流速小于0.4m/s)，受到刮风影响后水面会随风漂移，此时非接触的雷达流量计的测量误差会很大，所以不适合选用非接触测流设备，多普勒明渠流量计更适合于0.4m的渠道；对于宽度在80cm以下的小渠道，当正常放水水位比较稳定在某一值附近时，流速传感器安装于正常水位位置附近，当正常放水水位变化幅度较大时，可以将流速传感器安装在最低水处，综合比较最终选用双声道时差法超声波明渠流量计。各典型灌区自动化量水设备选型见表2。

表2 各典型自动化量水设备选型结果

2.2 量水设备安装

由于各典型灌区农渠渠道无衬砌，所以需要在渠道底部中间位置做一处基础断面(300×300)，作为固定探头，一般在渠系的顺直段安装较为固定的断面并在断面上假设量水设备的固定探头，越长的顺直河段其量水设备的精度越高，以15～20倍渠道宽度作为顺直河段的长度最为适宜，对于选取的大中型灌区而言，上游顺直段长度一般为渠道宽度的10倍，下游渠系顺直段一般为渠道宽度的5倍，且上下游顺直段之间不能有水闸、堰等过流阻挡物，从而可有效保证量水设备探头安装的稳定性。靠近渠底的方法可尽量安装量水设备探头，当有水草生长或滚动的卵石在渠底进行杂质沉积后，可以将探头安装的位置进行抬高以免探头被卵石冲撞或水草覆盖。一般以50～150mm作为探头距离渠底的高度，按照测流水位作为渠道最低值。

2.3 设备率定及方法

为确定灌区区进水口流量计测量精度情况，依据GB/T 21303—2017《灌溉渠道系统量水规范》、GB 50179—2015《河流流量测验规范》及SL 195—2015《水文巡测规范》等规范，采用传统转子流速仪测流方法测流进行比测率定。通过率定，确定灌区进水口水位～流量关系曲线，便于同自动化流量计观测数据进行相互校正。

3 灌溉计量数据与人工观测比对

3.1 水位比对结果

对各典型灌区进行水位误差比对，误差比对结果见表3。

表3 各典型灌区水位比对误差

按照GB 50179—2015规定，灌区渠首取水在线监测Ⅰ类精度适用于灌溉面积大于2万hm2大型灌区渠首测流，其误差要求控制在±9%以内，Ⅱ类精度适用于灌溉面积大于3333.33hm2大型灌区渠首测流，其误差要求控制在±10%以内，Ⅲ类精度适用于灌溉面积大于666.67hm2大型灌区渠首测，其误差要求控制在±12%以内，从各典型灌区水位自动量取值和人工观测比对误差可看出，其误差均在9%以内，达到Ⅰ类精度标准。

3.2 流速比对结果

在各典型灌区水位比对的基础上，对各典型灌区流速自动观测值和人工观测流速进行比对，比对误差见表4。

表4 各典型灌区流速误差比对结果

从10个典型灌区流速误差对比结果可看出，各灌区自动观测流速和人工观测流速之间的误差均在±9%以内以内，达到I类精度要求，表明选取的各典型灌区自动计量设备满足灌区自动量水设备精度要求，可基本实现灌溉用水自动计量和精准计量。

4 灌溉定额区间

在各典型灌区自动计量设备与人工观测对比分析的基础上，结合人工观测田间用水量，确定各典型灌区灌溉用水定额区间，见表5。

表5 各典型灌区灌溉定额区间

从各典型灌区灌溉定额区间可看出，在各灌区中浑北灌区每公顷平均净定额区间最小，在2926.95～3177.3m3/hm2之间，而辽阳灌区由于灌溉面积最大且灌溉效率较高，其每公顷平均净定额为7645.5～7853.4m3/hm2，其次为浑蒲灌区，通过各典型灌区用水定额区间，可进一步强化定额灌溉管理，提高灌溉用水效率。

5 结论

(1)一般在渠系的顺直段安装较为固定的断面并在断面上假设量水设备的固定探头，越长的顺直河段其量水设备的精度越高，以15～20倍渠道宽度作为顺直河段的长度最为适宜，对于选取的大中型灌区而言，上游顺直段长度一般为渠道宽度的10倍，下游渠系顺直段一般为渠道宽度的5倍，且上下游顺直段之间不能有水闸、堰等过流阻挡物，从而可有效保证量水设备探头安装的稳定性。

(2)多普勒明渠流量计更适合于0.4m的渠道；对于宽度在80cm以下的小渠道，当正常放水水位比较稳定在某一值附近时，流速传感器安装于正常水位位置附近。

(3)本文对灌区自动量取设备的影响因素还未进行深入探讨，存在不足，在后续研究应重点关注自动量取设备的影响因素，从而提高其计量的精准性。