灌區(qū)量水技術對比綜述

□李炳辰 □張輝棟 □趙 爽 □寧玉清（河南省人民勝利渠管理局）

近年來，隨著社會主義市場經(jīng)濟體制的不斷完善和城市化進程的不斷加快，部分發(fā)展型缺水地區(qū)怎樣在保證經(jīng)濟繁榮的同時為農(nóng)業(yè)灌溉提供足夠的保障，已不可避免地成為事關全局的戰(zhàn)略問題。在這種情況下，如何在灌區(qū)推行節(jié)水灌溉技術，提高灌水質(zhì)量和灌溉效率成為發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)必須要面對的前提條件。而量水作為灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水合理分配的基礎工作，是促進節(jié)約用水定量灌溉的前提，沒有精確量水，就無法實現(xiàn)水資源的合理配置，就無法迅速便捷地根據(jù)各地的需水要求和灌區(qū)可供水源狀況，在不同區(qū)域和作物不同生育階段進行水量的優(yōu)化調(diào)度。

1 目前國內(nèi)灌區(qū)采用的量水技術

目前國內(nèi)灌區(qū)常用的量水方法有：利用水工建筑物量水、利用特設的量水設備量水、利用儀表或其他特制的裝置量水、利用流速儀量水、利用浮標量水以及其他開發(fā)出來的現(xiàn)代化量水方案。

1.1 水工建筑物量水

水工建筑物量水是指利用水閘、涵洞、跌水、渡槽、陡坡、倒虹吸等，通過測定上游水頭或上下游水頭差，根據(jù)進口形狀、建筑物形式、尺寸及水流流態(tài)，按照水力學原理計算流量，或制成圖表、曲線查用的一種量水方式。

水工建筑物量水簡便、經(jīng)濟，既可減少因單獨設置量水設備所產(chǎn)生的水頭損失，又可節(jié)省附加量水設備的建設費用，也可進行大流量測定，同時通過安裝水位、閘位傳感器、數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)便可進行水位、流量觀測及控制一體化，更符合信息自動控制化的要求。因此，在率定過的精確流量系數(shù)保證下，尤其是平原灌區(qū)，應盡量利用水工建筑物量水。缺點是首先要求流平順，符合水力計算要求（上下游水頭差≥5 cm，水流呈淹沒狀態(tài)時淹沒度＝0.95），其次是一旦水工建筑物發(fā)生破損、變形、漏水，尤其是泥沙淤積（如早期的部分引黃灌區(qū)）及雜物阻塞時，均會對精度產(chǎn)生很大影響，根據(jù)人民勝利渠灌區(qū)的測流經(jīng)驗，多泥沙情況下，每2-3年就需重新測流率定。因此渠系建筑物量水適合于建筑物配套標準較高的渠首及干、支渠，斗渠等，末級渠系水工建筑配套標準普遍較低，多不采用此方法。

1.2 特設量水設備量水

特設量水設備量水指在灌區(qū)沒有水工建筑物或現(xiàn)有水工建筑物不能滿足量水要求條件下采用特設量水設備進行量水的方式。量水槽、量水堰以及量水計是目前灌區(qū)內(nèi)多采取的量水措施。目前比較常用的特設量水設備主要包括巴歇爾量水槽、無喉段量水槽、三角剖面堰、量水噴嘴、量水檻、套管、分流計、柱形量水槽、分流式量水計以及直讀式擋板量水計等等。

特設量水設施的核心就是通過對過水斷面的收縮改變，在其上下游形成的水位落差中找到穩(wěn)定的水位與流量關系，形成堰流公式后通過對水位的測量得到流量。特設量水設備量水精度高，數(shù)據(jù)易讀取，因此多用于斗、農(nóng)渠等末級渠系，可減輕測流工作量，便于現(xiàn)代化管理。但改變過水斷面會不可避免地帶來水頭損失，因此灌區(qū)在選擇特設量水設備時應考慮以下幾點：水頭損失盡可能小，不妨礙渠道加大流量；觀測計算方便；在渠道通過允許輸沙能力的流量時，量水不受影響；設備費用及維護費用少。目前灌區(qū)使用特設量水設備常參照試驗給定的各種模板尺寸進行制定（灌溉渠道量水規(guī)范GB/T21303-2007），可大大減小主體設計及水位流量關系計算的工作量。

1.3 利用流速儀測流法或浮標法量水

流速儀測流，成果精確，而且可以不改變渠道布置、不設任何建筑物。但由于流速測點多，測量及計算繁雜費時較多，同時對測流斷面選擇要求較高，要求渠段平直、水流均勻、無漩渦和回流，水流方向與斷面垂直等，因此不宜經(jīng)常使用，通常用于其它測量方法的流量系數(shù)率定。

浮標法量水多用于襯砌過的或規(guī)則的渠道，通過秒表對流速簡單估算后乘以修正系數(shù)再乘以過水面積，常用于簡單粗糙的估算水勢水情，只適用于水勢平緩，精度低，但測量速度快，很方便實用。

1.4 利用二次儀表類流量計量水

灌區(qū)所用儀表類流量計是基于水力學原理測流的二次儀表，具有安裝簡便，測流精確和現(xiàn)代化管理可操作性強等突出性優(yōu)點，且不同于化工、環(huán)保、冶金、食品等行業(yè)，對耐腐蝕耐熱性上沒有需求，但在耐久性尤其是耐磨性上有很高要求。其量水范圍多在0.5～1.5 m3/s，量水范圍較建筑物量水及特設量水設備較小，且造價較為昂貴并易被破壞，應用較多的是分流式水量計和旋杯式流量計。分流計多以文丘利管作為節(jié)流件和過水主管，分為渠用式和管道式兩種，量水精度較高，測讀簡捷，靈敏度高，且對上下游水流穩(wěn)定條件及護砌段的要求不高，但因泥沙對其影響較大，一般用于含沙量不太大的管道及斗農(nóng)渠量水。旋杯式流量計由量水涵洞和量水儀表組成，它安裝使用簡便、造價低、可連續(xù)測流，多用于多泥沙緩坡渠道（1/10000），因此可多用于平原灌區(qū)量水應用。

2 灌區(qū)量水技術的選擇

由上述可見，灌區(qū)量水方法和量水設備種類繁多。但是因為各地區(qū)環(huán)境情況復雜不一，應對實地情況進行分析計算后再進行量水方法的選擇。具體可將以下幾個方面作為主要依據(jù)：

2.1 根據(jù)過水流量規(guī)模和精度進行選擇

一般情況下，渠首、干、支渠這些需求過水流量較大的渠道，且擁有較高經(jīng)過流量范圍，系數(shù)率定達到一定精度后均推薦采用水工建筑物測流。而斗、農(nóng)渠等末級渠系測量因為多為小流量又與農(nóng)戶利益密切相關，多采用較為精確的特設量水設備和流量計進行測流。

2.2 根據(jù)對渠道過流能力的影響進行選擇

特設量水設備工作原理為收縮渠道以形成臨界過水斷面，這樣勢必使得量水設備上游的水位抬高造成水頭損失，對渠道的過流能力有一定影響。因此，要通過對渠道兩側(cè)堤頂高程的復核驗算，如果對過流影響在接受范圍內(nèi)，可選擇加高堤頂高程，如果超出影響范圍，應重新選擇量水設備。泥沙較多的渠道，也不宜選擇量水堰、量水檻等容易導致渠道淤積的量水設備，會導致渠道水力特性改變，影響渠道過流能力。

2.3 根據(jù)測量儀器易讀性和易損情況

末級渠系和農(nóng)戶利益息息相關，且離灌區(qū)管理單位一般較遠，往往需要地方群眾參與，因此易讀性必不可少。同時由于量水設施保護措施較少，比如薄壁堰等易被人為損壞，而自動測流儀器等則多受自然條件限制，均需結合當?shù)厍闆r進行設置。

3 灌區(qū)量水技術發(fā)展趨勢

得益于我國經(jīng)濟的強勢發(fā)展以及科技進步，目前的灌區(qū)量水技術也越來越向著水頭低損化、設備網(wǎng)絡化、監(jiān)測自動化、行業(yè)標準化、經(jīng)濟適用化的方向發(fā)展。

對于作為農(nóng)業(yè)支柱的平原灌區(qū)，各級渠道滿足水位控制的要求是非常重要的，以往通過增加水頭損失來增加測量精度的方式現(xiàn)在已不適合實際灌溉需要，研制對水流無阻礙或小阻礙的量水技術是未來的主要發(fā)展方向之一。

隨著我國灌區(qū)體制改革的普遍推行和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，過去人工量測、調(diào)控的方法已難以滿足灌區(qū)現(xiàn)代化管理的需求，因此基于包括有線以及無線網(wǎng)絡（尤其是基于3G以及未來4G的圖形化大數(shù)據(jù)量傳輸）的自動化量測和調(diào)控必將成為灌區(qū)用水管理的主流趨勢。

對于灌區(qū)數(shù)量龐大的末級渠系來說，如何在造價低、建設簡便、精度高和使用可靠四者之間需找平衡點是必須面對的一個難題。如何建立標準化的規(guī)范及行業(yè)要求作為基礎，怎樣在市場中選擇適合本灌區(qū)的新產(chǎn)品、新技術，是每個灌區(qū)發(fā)展需要面對的問題。

[1]史海濱,田軍倉,劉慶華.灌溉排水工程學[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]蔡勇,周明耀.灌區(qū)量水實用技術指南[M].北京:中國水利水電出版社,2001.