基于测电法的灌区农业取水口流量率定研究

王世界

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043)

近些年来，辽宁省对农业重点取水单位按照水利水资源国家监控建设能力项目要求陆续开展取用水监控点的建设，这其中测电法在近些年来农业取水用监测中应用较为成熟，其次为流量计和水位流量关系曲线推算方法[1]。在上述取用水量计量中由于测电方法安装的设备维护较为方便，成为国内许多区域灌区农业取水口的主要方法[2-8]。测电法主要通过建立电量和水量之间的转换关系，通过计量电量来实现水量的自动换算，因此测电法首先需要对灌区农业取水口的流量进行率定，得到灌区取水口的综合出水系数和转换公式[10]。当前，国内对于测电法在灌区农业取水口流量率定中得到一定的研究[10-15]，但这些研究成果均集中对中型灌区取水口流量率定的研究，而对于大型灌区的研究还较少，为提高大型灌区农业取水口计量的准确度。以沈阳两座灌区为具体实例，采用测电法对各灌区农业取水口的综合出水系数和转换公式进行率定。研究成果对于大型灌区农业取水口水量自动计量具有重要的参考价值。

1 综合出水系数率定

收集确定水泵、电机等参数，首先通过实测流量数据率定出相应灌区的水泵效率系数；根据该率定后的水泵效率系数，依据实测电量推算水量。具体推算方法如下：

(1)根据机组开机情况进行流量测验，需要涵盖不同机组开机时的取水流量情况。

(2)对各站点进行调查，收集水泵类型、水泵扬程、水泵功率、电机功率、抽水效率等参数。依据监测的水流、电流、电压，应用以下公式进行水泵效率系数计算：

(1)

式中，Q—水泵流量，m3/s；η—水泵效率系数，%；N轴—水泵轴功率，kW；γ—水的密度，kg/m3；H—水泵扬程，m。

通过上述公式计算出水泵效率系数后，根据使用的电量，即可推算出时段水量。若采用观测的电功率在实际灌溉用水计量中需对N轴进行直接代替，水密度取值为1000，通过综合出水系数来确定水泵效率系数，对方程(1)进行简化计算：

Q=αN/H

(2)

式中，α—率定的综合出水系数。

本文将常数102和水泵效率系数作为综合出水系数进行率定在不降低计算精度的基础上对公式进行简化计算。此外N轴不是电功率监测值，电功率监测值和水泵轴功率之间还未考虑电动机效率，对于取水机组水泵为一个电动机带动时，其水泵的轴功率N轴首先用电功率转化为电动机的效率，其取水功率再通过水泵的轴效率进行转换计算，因此效率系数分别为水泵和电动机的效率。因此综合率定系数不是对水泵效率进行率定，而是率定整个机组的水泵效率，因此在进行综合出水系数率定时候容易出现电动机和水泵两河系数的乘积。

此外公式(2)也可采用水量方法进行计算：

W水=αW电/H

(3)

式中，W水—水泵在计算时段内的出水量，m3；W电—用电量实际值，kW。

由于分析区域内的农灌灌区取水口大都为半封闭和封闭式的压力水池，其扬程由于出水口水位很难准确观测使得很难计算。因此在保证率定精度的基础上对公式进行简化，并结合灌区取水口实际情况考虑出水口不受扬程的变化综合影响，水泵出水量和电量直接进行相关方程的建立，水泵出水量通过电量测定值和综合系数率定值进行推算，计算方程为：

(4)

式中，α′—综合出水系数率定值。在实际应用过程中将电功率值和流量实测值进行同步观测，综合出水系数α′按照以下公式进行率定计算：

Q=α′N

(5)

式中，综合出水系数由率定的流量公式的系数计算值乘以3600s得到。

2 实例分析

2.1 灌区概况

以沈阳地区的石佛寺灌区、祝家堡灌区为具体实例，石佛寺灌区位于沈阳市北郊，辽河左岸，始建于1969年。灌区共有11台提水机组，每年提水期为4—9月份，提水水源为辽河，主要用于农业灌溉。祝家堡灌区位于法库县依牛堡子乡依牛堡子村，地处辽河平原。灌区共有5台提水机组，设计灌溉面积8000hm2，有效灌溉面积3866.67hm2。每年提水期为4—9月份，提水水源为辽河石佛寺水库，用于农业灌溉。

2.2 综合出水系数率定

以沈阳地区农业灌区农业取水口为综合出水系数率定实例，该区域内布设流量监测站点6个，各流量监测站点布设的有效测次在10～35次之间，在进行流量监测时，采用现场方式对流量测验断面进行查勘。对流量观测和流量测次进行方案的制定。采用桥测或者船测方式对于跨桥布设的观测点进行流量监测。对各农业取水口进口和出水口的高程进行引测，所有流量观测断面均进行大断面数据的测量并对水尺高程进行引测。此外对测电系统电功率和电量以及灌区流量进行同步观测，并对监测断面进、出口水位进行同步观测，为综合出水系数率定奠定基础。以石佛寺灌区其中2个流量监测点为具体实例，对其综合系数率定过程进行分析，分析结果见表1—2。

表1 测电法在1#流量监测点综合出水系数率定结果

表2 测电法在2#流量监测点综合出水系数率定结果

从石佛寺灌区2个流量监测点的综合出水系数率定结果可看出，2个流量监测点综合出水系数率定值的均值分别为0.012和0.014，由于分析区域内的农灌灌区取水口大都为半封闭和封闭式的压力水池，其扬程由于出水口水位很难准确观测使得很难计算。因此在保证率定精度的基础上对公式进行简化，并结合灌区取水口实际情况考虑出水口不受扬程的变化综合影响得到各流量监测点的综合出水系数，其灌区取水口出水量不考虑水泵扬程的变化影响，因此得到各流量监测点的综合出水系数具有一定的经验性，应结合实际情况综合考虑水泵扬程的变化影响，如果无法准确观测出水口水位可以采用一固定数值进行适当选取，假定扬程为固定数值减去入水口的水位，在来对各取水口综合出水系数进行率定。此外若水泵扬程和出水流量之间的变化差异程度较低时，可以将水泵扬程对综合出水系数率定影响不予考虑。

2.3 综合出水系数率定误差统计

在综合出水系数率定的基础上，分别对石佛寺灌区和祝家堡灌区不同流量监测点的综合出水系数率定误差进行统计，统计结果分别见表3—4。

表3 石佛寺灌区各流量监测点综合出水系数率定误差统计结果

表4 祝家堡灌区各流量监测点综合出水系数率定误差统计结果

从石佛寺和祝家堡灌区测电法下各流量观测点不同测次的综合出水系数率定误差统计结果可看出，其各测点不同流量测次下的误差范围均在±20%以内，误差满足规范许可要求，电量和流量测验误差是综合出水系数率定误差的主要原因，此外灌区取水口理论上受水泵扬程变化影响较为明显，因此也一定程度加大了各灌区测电法下综合出水系数率定的误差值。通过建立综合出水系数结合各取水口电量监测数据，即可对其全年用水量进行换算。

3 结论

(1)由于泵站提水灌溉使得排灌站运行期间有大量回水进入农田，因此在综合出水系数率定时计算排灌站实际水量中要将此部分重复水量减去。在实际计算中，在总用水量中利用回水量监测值估算出水比例并进行折减得到实际提水量，此外这部分排水量在排涝年份也建议予以去除。

(2)流量测验精度对于测电法下综合出水系数率定影响较大，应尽量采用ADCP、桥测等流量精测方式提高测验精度，从而降低综合出水系数率定误差。

(3)本文由于不考虑水泵扬程变化对综合出水系数率定影响，存在不足，在后续研究中若无法准确观测出水口水位，可建议假定水泵扬程为一固定数值减去入水口水位。