寧夏引黃灌區斗渠量測水設備比測試驗研究

王懷博， 徐利崗， 劉學軍， 蘇笑曦

(1.寧夏水利科學研究院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏唐徠渠管理處， 寧夏 銀川 750001)

1 研究背景

根據國內外灌區建設的經驗和發展趨勢，建設現代化灌區是適應新形勢、解決新問題的必然選擇，灌區現代化的一個主要標志就是量水技術的提高。準確計量對保護和節約水資源、提高經濟效益、保障水資源可持續利用具有重要意義[1-3]。國內灌區多以明渠灌溉為主，灌溉用水以斗農渠口水量按方收費[4]，因此明渠測流是灌區管理的重要任務之一，也直接關系著灌區經濟效益。

寧夏引黃灌區地處中溫帶干旱區，晝夜溫差較大，年均氣溫8～9℃，4-9月大于等于10℃的積溫為3 200～3 400℃，襯砌良好的斗農渠中引用的黃河水泥沙含量在1.5～2.2kg/m3之間。灌區測流主要存在量測水設備多樣，精度不一，對不同流量級別、不同工況條件下適宜的量測水設備缺乏系統研究及選用依據[5-7]。隨著水費制度的改革，對斗農渠的量水精度要求將會越來越高。按照測流原理分類，近些年現場應用的流量計可分為電磁流量計[8]、質量流量計[9]、渦街流量計、超聲波流量計(時差式超聲波流量計、多普勒超聲波流量計、氣體超聲波流量計)[10-12]。受環境、流場、傳輸信號、硬件電路和軟件算法等多方面因素的影響和制約[13]，各類流量計在不同情況下測流精度不一致。多數相關設備的研究針對單一原理研究的較多，技術也得到很大改進，目前大多明渠測流系統注重集成多種流量計技術以提高測流精度[14-16]，澳大利亞的全渠道控制系統實現了測控一體，灌溉水有效利用系數提高至84%～90%，電磁流量計對明渠測流上摩擦和黏附效應較敏感，質量流量計和渦街流量計主要用于管道測流，超聲波流量計主要用時差法和多普勒法測流，多以測流速和水位得出流量，在高含沙的黃河水測流中表現出劣勢。本研究引進不同測流原理的量測水設備，構建量測水設備比測綜合評價指標體系，評價各類設備的可靠性，旨在為寧夏引黃灌區不同流量級別渠道推薦適宜的量測水設備，為灌溉管理部門提高量測水管理水平，以及灌區信息化、現代化建設提供理論依據和技術支撐。

2 資料和方法

2.1 研究區概況

在寧夏引黃灌區唐徠渠支干渠第二農場渠的斗渠上選擇合適位置建設標準化測流斷面，確定流量級別為1～3 m3/s。在該渠道上將各類設備按照灌溉渠道系統量水規范(GB/T 21303-2007)的要求進行安裝布設，各類設備在同一時段(流量指標相對穩定)或時間相隔不大的時限內同時進行觀測，以保證各類設備監測時的工況及基本條件近似，具有數據的可比性。測流時的水位、流量范圍盡可能調控到被檢測設備最不利工況(即從最小水位到最大水位)。

2.2 比測試驗方案

按照斷面流量設置級別及唐徠渠不同流量斗口分布情況，選取團結斗典型渠道進行設備比測試驗。該斗渠位于第二農場渠進口以下4+020右岸，灌溉面積340 hm2，渠道長8 km。斗口為0.8 m×0.8 m雙孔方涵，斷面最大流量3.3 m3/s，測水斷面設置于出口以下200 m，斷面型式為梯形漿砌石砌護。典型斷面安裝了直開口手動閘門量控水系統、超聲波測流系統、智能化明渠流量測量系統、恒流量電動閘門監控系統和非接觸式明渠雷達流量計[17]共5臺設備(表1)，各類設備每5 min返回1次數據。

表1 設備編號及名稱

試驗采取人工測流與設備自動測流兩種方式，通過獲得數據及其他參數分析，綜合評價各類設備。測流期間水量以調解水位的方式進行控制，人工及設備監測不同水位條件下典型斷面的水位、水面寬度、斷面面積、斷面平均流速、斷面瞬時流量。根據典型斷面實際情況，團結斗斷面測線布置采用3垂線兩點法(圖1)，每個水位需獲得5個測次的有效數據，同一水位重復測量3次。由于灌溉期應注意每日的調度水位，可人工調節正常調度水位的±10 cm，并及時進行短時水位的測定，對運行的最低至最高水位均進行監測。

圖1 團結斗典型比測斷面測線布置圖

2.3 數據處理方法

2.3.1 誤差與準確度計算方法 誤差是測定值Xi(各類必測設備的監測值)與真值Pi(LS25-3D監測值)之差，可分為絕對誤差E和相對誤差Er，其計算公式分別為公式(1)、(2)。

E=Xi-Pi

(1)

Er=(Xi-Pi)/Pi

(2)

絕對誤差和相對誤差有正負之分，正誤差表示分析結果偏高，負誤差表示分析結果偏低。

2.3.2 測量不確定度計算方法 誤差不宜用來定量表明測量結果的可靠程度，測量不確定度[18]合理地賦予了被測量值的分散性，是與測量結果相聯系的參數，有合理性、分散性、聯系性3個特點，不確定度和測量結果相結合用來表示在給定條件下對測量進行測量時測量結果所可能出現的區間，可用來描述測量結果的可靠性。

按照《水位觀測標準》(GB/T50138-2010)，比測試驗對于監測數據不確定度的計算采用如下算法：

(1)系統不確定度的計算公式

(3)

式中：Pyi為各類比測設備監測的數值或誤差(水位、斷面平均流速、斷面平均流量)；Pi為LS25-3D監測的數據或誤差；N為觀測次數。

(2)隨機不確定度的計算公式

(4)

(3)綜合不確定度的計算公式

(5)

2.3.3 可靠性評價標準 可靠性評價標準按照比測試驗實際情況制定，評價指標的權重采用德爾菲法和層次分析法相結合的方法確定。通過征求寧夏引黃灌區管理部門人員、長期從事監測工作的技術人員、水利專家、水文氣象專家、農業專家、工程設計人員、設備廠家等對評價指標重要性的比較意見，計算各層次指標的權重值(表2)。

表2 評價指標權重

總體評價以流量指標為主，參照水位和流速指標，總評判值100分，其中數據穩定性占40分，數據準確性占40分，設備對泥沙阻抗性占10分，對氣溫變化(夏秋灌高溫、冬灌低溫)的阻抗性占10分。各指標評分標準計算方法如下：

(1)穩定性指標評分標準。依據整個比測期流量的誤差統計表(范圍1：-5%

(2)準確性指標評分標準。依據整個比測期流量值的綜合不確定度、趨勢線斜率和R2值，不確定度賦分20，斜率賦分10，R2值賦分10。據綜合不確定度(誤差)Xz，按照范圍(范圍1：-5%

(3)設備對泥沙阻抗性評分標準。依據整個比測期不同斷面監測的泥沙含量，對泥沙含量從小到大進行排序，以斷面泥沙含量最小時的流量測量誤差為基準值，計算出不同泥沙含量下流量測量誤差的變幅，按照范圍(范圍1：-5%

(4)設備對氣溫變化阻抗性評分標準。依據冬灌和夏秋灌兩個時期氣溫變化時段各類設備的流量誤差進行計算。由于比測期試驗點在冬灌期間氣溫為-3～8℃，該溫度區間均在現有電子元件適用范圍內，比測期連續多天氣溫超過35℃，因此低溫賦分4，高溫賦分6，冬灌以時段最高溫(夏秋灌以時段最低溫)時流量誤差為基準值，計算出氣溫顯著變化情況下流量誤差的變幅，按照范圍(范圍1：-5%

3 結果與分析

3.1 比測資料的選取

比測時間分為2016年冬灌和2017年夏秋灌兩個時期，冬季比測時間始于11月3日，11月7日終止，夏秋季比測時間始于2017年5月20日，7月25日終止，獲得0.35、0.43、0.54、0.60、0.66、0.71、0.74、0.80、0.88、0.93、0.96、1.03 m共12個水位不同時段的數據。特定渠道水位不同水流態也會發生變化[19-20]，研究中將獲取的數據相應水位分為低、中、高3類，即0.35～0.60 m、0.66～0.74 m、0.80～1.03 m。對行水期內人工及各類設備監測得到數據進行可靠性分析，包括穩定性、準確定及其他因素干擾分析。其中，穩定性評價是對各比測設備值相對人工監測值的變幅和誤差范圍(范圍1：-5%

3.2 數據對比分析

3.2.1 穩定性分析 通過LS25-3D型流速儀監測獲得標尺數據，對該數據監測時段內各比測設備返回數據進行提取并統計個數，并計算該數據誤差，對每個數據的誤差在各誤差范圍(范圍1：-5%設備1>設備3>設備2>設備4。

表3 團結斗斗口各類設備誤差統計表

比較不同水位下比測時段各類設備流量并得出其變幅(器測數據與人工數據的誤差變幅)。低水位如水位為0.43 m時(LS25-3D斷面平均流量：0.644 m3/s)設備5變幅最小，波動區間在0.004～0.018 m3/s(對應誤差0～2.80%)之間；中水位如水位為0.71 m時(LS25-3D斷面平均流量：1.503 m3/s)設備1變幅最小，波動區間在0.034～0.075 m3/s(對應誤差2.26%～4.99%)之間；高水位如水位為0.96 m時(LS25-3D斷面平均流量：2.821 m3/s)，設備5變幅最小，波動區間0.0125～0.0191 m3/s(對應誤差趨于0)。

3.2.2 準確性分析 繪制不同水位下比測設備數據與LS25-3D型流速儀擬合直線，截距設置為0，統計分析各類設備流量擬合直線斜率和R2值并計算誤差綜合不確定度Xz值。圖2為全測期的水位-流量關系曲線和不同設備與流速儀獲得的流量數據的擬合線，表4統計了各類設備與流速儀流量值擬合直線。

表4 流速儀與各設備擬合線指標

注：--表示不存在相關關系。

由圖2和表4可見，全水位條件下，比測數據和流速儀監測數據的吻合程度由高到低為：設備5>設備1>設備3>設備4>設備2；低水位時除設備2外其他設備擬合均較好，設備1最優(y=1.0529x，R2=0.9597)，其次是設備3，中、高水位時各類設備擬合均較好，中水位時設備5擬合最優(y=1.0107x，R2=0.9480)，其次是設備2，高水位時設備5擬合最優(y=0.9356x，R2=0.9222)，其次是設備3。

圖3為各類設備流量綜合不確定度在不同水位條件下的堆積面積圖，某水位下堆積值越低，則各類設備不確定度越低，表明在該種水位下適宜性越好，同一水位，對堆積值貢獻越小的設備，表明其測流越可靠。整體來看，各個水位條件下堆積貢獻率最大的是設備2，最小的是設備5，其次是設備1，如0.54 m時，貢獻率從小到大依次為：設備5>設備3>設備1>設備4>設備2。從綜合不確定的大小比較，設備5綜合不確定度除0.35 m和1.03 m兩個極端水位外均符合測流規范(小于5%)其次是設備3和設備1基本符合測流規范，其中設備1不確定在極端水位下明顯大于設備3，其他水位反之。設備5在低水位時綜合不確定度為8.87%，中水位時為2.87%，高水位時為4.68%。

圖2 全水位下各比測設備水位流量關系曲線和流量數據擬合線

圖3 各類設備在不同水位條件下流量綜合不確定度的變化

3.2.3 設備對泥沙和氣溫變化的阻抗性分析 渠道行水期，在比測斷面采取水樣檢測當日泥沙含量和泥沙顆粒級配[22-23]。結果表明行水期泥沙含量最小為0.320 kg/m3，最大為0.840 kg/m3，泥沙含量小于 0.433 kg/m3時， 泥沙含量對誤差影響不大，泥沙含量大于0.433 kg/m3時，各類設備的誤差隨著泥沙含量的增大而增大， 泥沙量為0.433 kg/m3時，粒徑區間16.70～21.28 μm的顆粒占總含量比例最高，為8.45%，粒徑小于20 μm的顆粒占總含量的68%以上。為了確定測流誤差來源，結合寧夏氣候條件，于2016年11月試驗點最低氣溫-10℃和2017年7月12日至7月21日試驗點最高氣溫達39℃，且溫度超過35℃持續極端高溫日數突破歷史極值的條件下，分析溫度突變前后的測流誤差，誤差變化穩定，表明溫度變化對設備測量誤差無明顯影響。

3.3 綜合評價

從可靠性指標方面分析得出最后評分(表5)可見，設備5得分74.09分，排名第一；設備1，得分61.35分，排名第二；設備3得分44.45分，排名第三；設備4得分27.95分，排名第四；設備2得分21.18分，排名第五。在唐徠渠斗渠(流量級別為1～3 m3/s)推薦采用設備5，其次是設備1。

表5 團結斗斗口量測水設備比測綜合評價得分表

通過試驗發現，現有量測水設備測流原理多樣化，精度均在不斷提高，本研究是基于全面數據的分析，發現單純基于超聲波原理的設備不適宜在泥沙含量較大的渠道上應用，通過閘門控制水量計算流量的設備1和設備4對測流斷面的標準要求較高，結合電磁法和超聲波原理的設備3準確性較高，但是穩定性不足，設備5將聲學和雷達多普勒效應結合明顯提高了設備的可靠性。

4 結論與討論

本研究建立量測水設備比測綜合評價指標體系，對不同測流原理設備進行比測，并對各類設備進行量化評價，得到如下結論：

(1)推薦在唐徠渠斗渠(流量級別為1～3 m3/s)采用非接觸式明渠雷達流量計，其次是直開口手動閘門量控水系統。除0.35 m和1.03 m兩個極端水位外，非接觸式明渠雷達流量計的流量值均符合測流規范(小于5%)，其低水位時綜合不確定度為8.87%，中水位時為2.87%，高水位時為4.68%。

(2)單純基于超聲波原理的設備不適宜在泥沙含量較大的渠道上應用，通過閘門控制水量計算流量的設備對測流斷面的標準要求較高，結合電磁法和超聲波原理的設備準確性較高，但是穩定性不足，將聲學和雷達多普勒效應結合能明顯提高設備的可靠性。

(3)灌溉期氣溫變化不足以影響設備精度，泥沙對新安裝量測水設備的精度影響不大。

所建立的量測水設備比測綜合評價指標體系可用于比測引黃灌區不同流量級別渠道上的設備，通過對不同原理量測水設備全面數據穩定性、準確性和其他指標影響的定量評價方法，為渠道引選各類設備提供理論依據和技術支撐。本研究結果是對全面數據的分析，由于在野外渠道上進行測量，受時間的影響，對于校準各類設備測流模型的參數缺乏探索，下一步研究工作主要對各類設備多年長系列數據進行分析，提出校準量測水設備的關鍵參數，進一步改善量測水設備的可靠性。