四川省大中型灌區農業用水計量監測模式研究①

(四川省水利科學研究院，成都，610072)

大中型灌區是四川省農業灌溉的主體，截至2017年，全省大中型灌區有效灌面134.89萬hm2，占全省有效灌溉總面積的46.95%，用水量占全省農業用水總量的一半以上，在灌溉、供水、水生態和水環境方面發揮著重要作用，對保障糧食安全和農業發展、農村建設、農民增收起到了顯著作用。當前，大中型灌區農業用水計量設施建設存在諸多薄弱環節，據調查，主要取水口計量設施配備率僅72.1%，其中人工計量設施占比達84.2%，自動計量設施中運行正常率僅56.8%，主要存在監測點位選擇不合理、監測方法不科學、自動化程度較低、故障率較高和運行維護困難等問題。根據自動化程度、取水口類型等特點，本文提出了大中型灌區農業用水計量監測模式。

1 按自動化程度劃分的灌區用水計量監測模式

1.1 人工計量監測模式

1.1.1 模式特點

基于水位-流量關系曲線推流原理，利用水工建筑物量水、特設量水設備或者標準斷面量水的方法，進行人工推算流量；基于流速-面積法測流原理，采用機械型轉子式流速儀計測水流速度，同時輔以水尺以獲取斷面面積，進行人工推算流量。

1.1.2 技術要點

利用閘門、涵洞、渡槽等水工建筑物的斷面水位及閘門開度，或標準斷面渠道的水位，對照水工建筑物或渠道的水位-流量曲線推算流量；利用安設不同類型的特設量水設備(堰、槽)，采用人工讀數的方法，讀取量水槽側壁上的水尺水位刻度，并對照特設量水設備的水位-流量公式計算流量；或采用機械型轉子式流速儀計測渠道某斷面流速，依據流速面積法測算流量。

1.1.3 適用條件和范圍

適用于灌區資金條件有限，量水精度要求相對不高的大型灌區斗渠、農渠，中型灌區支渠、斗渠和毛渠，可充分利用水工建筑物量水、標準斷面量水、量水堰、槽量水和機械型轉子式流速儀的方法進行人工測定。另外，基于采用水位-流量曲線推流的計量模式，一般要求監測渠道斷面盡量規整順直、水流平穩，水位-流量曲線需要提前擬定，并進行長期維護。

1.2 自動計量監測模式

1.2.1 模式特點

基于水位-流量關系曲線推流和流量流速面積法測流原理，利用自動化量水設備對水工建筑物或渠道(河道)進行水位、流速等參數的實時監測，自動計算、記錄流量及累計水量，并自動采集、上報的方法。

1.2.2 技術要點

利用水工建筑物或渠道斷面的自動化水位量測設備(閘位計、浮子式、氣泡式、雷達、超聲波水位計和電子水尺等)，對水工建筑物或渠道進行閘門開度、水位等參數的實時監測和采集，通過軟件系統中事先擬定好的水位-流量關系曲線或公式，自動調取、推算、記錄流量及累計水量，并通過傳輸網絡，將數據自動上報至灌區用水平臺或業務應用系統。

利用自動化水位及流速類量水設備(水位識別類：浮子式、氣泡式、雷達、超聲波水位計和電子水尺等；流速儀類：電磁類、聲波類等；管道流量計(電磁式、插入式、管段式))，對水工建筑物或渠道(管道)進行水位、流速、流量等參數的實時監測及采集，并通過軟件系統按流速面積自動計算、記錄流量及累計水量，并通過傳輸網絡，將數據自動上報至灌區用水平臺或業務應用系統。

1.2.3 適用條件和范圍

主要適用于規模較大、渠系配套完善、條件優越的大中型灌區渠首、骨干渠道和有特別計量需求的田間渠道，自動化量水系統一次性投入大，長遠來看可極大地提高灌區的灌溉效率，提高量水精度，還能節約水量，節省大量的人力物力。同上，基于采用水位-流量曲線推流的計量模式，一般要求監測渠道斷面盡量規整順直、水流平穩，水位-流量曲線需要提前擬定，并進行長期維護。

2 按取水口類型劃分的灌區用水計量監測模式

2.1 管道型取水口計量監測模式

2.1.1 模式特點

利用管道流量儀表對灌區取水管道流量進行人工或自動采集、計量及累計水量，并用人工或自動采集數據上報的流量監測模式。

2.1.2 技術要點

針對灌區取水口采用鑄鐵管、鋼管、塑料管等形式輸水管道，利用聲學時差法管道流量計、聲學多普勒管道流量計、電磁管道流量計、電子遠傳水表和普通水表采集、計量、存儲管道流量及累計水量，并用人工或自動采集數據，利用網絡上報用水管理業務平臺。

2.1.3 適用條件和范圍

適用于以管道引水為主的提水灌區取水口，或灌區中利用提灌站提水的區域；管道材質以鑄鐵、鋼管、PE管等為主，尺寸一般為10cm～3000cm為宜，適宜有壓管流，量水精度較高，除常規校準外，無需進行單獨率定，同渠道用水計量模式相比，能節省大量的人力物力。

2.2 渠道型取水口計量監測模式

2.2.1 模式特點

針對渠道(河道)型取水口灌區，基于水位-流量關系曲線推流和流速面積法測流原理，利用水工建筑物法、特設量水設備、標準斷面法、流速面積法等對水工建筑物或渠道(河道)進行水位、流速、流量等參數的采集，或人工或軟件系統自動計算、記錄流量及累計水量，并傳輸、上報至用水管理業務平臺。

2.2.2 技術要點

(1)標準斷面量水模式：利用穩定的斷面水位-流量關系推流，是灌區量水中常用的方法之一，具有觀測簡便、精度適用、省工省時等優點；適用于渠段順直、斷面規則、水流均勻、測流斷面不受建筑物泄流影響的渠道；該方法需要率定水位-流量函數關系，配置水位傳感器設備，由監測水位和水位-流量函數關系表查算流量。

(2)流速面積法量水模式：利用流速儀表測量渠道斷面上流速，并結合過水斷面面積，計算流量的方法。以流速儀法應用比較廣泛，主要分機械、電測和超聲三種類型，其中機械型以轉子式為主，按轉子類型有旋漿式和旋杯式流速儀，電測式有電磁式流速儀，超聲型有聲學時差法流速儀、多普勒流速儀等。其特點是成果精確，但費用高，施測和計算繁雜，多在無水工建筑物及特設量水設備不可利用的情況下使用，同時對明渠而言須輔助水位測量。

(3)水工建筑物量水模式：利用渠道上已有的堰閘、涵洞、抽水站、水電站、渡槽等水工建筑物，通過實測水頭、閘門開啟高度等水力參數，經率定分析或利用經驗公式確定流量系數或效率系數，用水力學公式計算得到流量；用于測流的水工建筑物應滿足一定的邊界條件和水力條件，可以通過現場率定、模型實驗、同類綜合和經驗系數等方法來確定流量系數。它既可以減少因灌溉系統設置其他量水設施產生水頭損失，又可以節省大量建設費用。

(4)量水堰槽量水模式：測流堰橫槽一般是由行近渠槽、量水建筑物和下游段三部分組成，通過量水建筑物主體段過水斷面的科學收縮，使得上、下游形成一定的水頭落差，即可得到較為穩定的水位與流量關系。測流堰槽量水的結果比較準確，但要增加設備費用，加大水頭損失。按照結構形式，現有的設施主要有量水堰、測流槽等。

2.2.3 適用條件和范圍

此模式主要適用于廣大的渠道型取水口灌區，具體技術選擇宜結合灌區規模、經濟條件、斷面情況和精度要求等綜合確定，條件優越的大中型灌區渠首取水口和骨干渠道，可配套水工建筑物法、特設量水設備、標準斷面法、流速面積法的自動化量水模式；其他渠道等級較低、量水精度要求不高的渠道取水口，可選擇上述方法的人工量水測量模式。

3 結論與建議

灌區農業用水計量涉及監測、傳輸、應用等多個環節，涉及面廣，應用條件復雜，上述模式通過在國家水資源監控能力建設二期項目中的應用實踐，取得了較好的效果。但在應用過程中也發現一些關聯問題，對此提出以下對策和建議。

(1)四川省灌區分布較廣，計量監測建設任務艱巨，需要持續的資金和技術投入，是一項長期的系統工程，建議相關部門要科學合理規劃、密切配合、統籌協調，在不斷加大政策支持和技術及資金投入的同時，專題研究重點復雜問題，分批次分重點逐步推進計量用水工作開展；另一方面，部分灌區渠首或重要斷面站點大多分布在野外，由于缺乏基本的站房保護和人員維護，同時需要配備相應的電源和網絡條件，其運行安全和長期維護的代價是需要考慮的問題，因此，建議通過專題研究解決此類問題。

(2)四川灌區條件復雜，河、渠交錯分布，同一灌區可能存在多種水源、多個取水口、多種取水形式，干、支渠道間相互補水、退水情況普遍，同一渠道用水類型多樣，即使純灌溉渠道也存在退排水任務，單靠渠首取水口監測的水量判斷農業用水量的方法，在很多渠道斷面行不通。因此，建議合理布局，加大對灌區渠首以下渠道用水的計量監測力度，提高監測布點密度；另一方面，需要綜合考慮多種影響因素，判定渠道灌溉水量，特別復雜的灌區農業水量分析可進行專題研究。

(3)通過對已建或在建計量監測站點的分析，發現高達70%以上的站點均采用標準斷面法計量模式量水，這一類通過水位-流量曲線推流的監測站點，需要事先率定水位與流量的函數關系，但根據灌區監測斷面現狀及水文變化特征分析，一次性率定好水文要素～流量函數關系是不現實的，常規做法是經多年監測資料累積確定(綜合線法)，這就需要配備相應的技術人員，參與長期維護。因此，建議加強相關管理人員的技術培訓和信息水平提升，有計劃地進行人員培訓和人才儲備，以適應斷面維護與率定、設備更新和系統建設對人才的需求。

(4)現階段，由于相關的用水計量監測體系不可能大面積覆蓋，為更加準確獲取灌區用水數據及全口徑農業用水量，同時為驗證計量監測體系獲取數據的科學性和有效性提供核實依據，建議加強灌溉試驗站網建設和試驗開展工作，逐步開展各類作物灌溉需水規律和灌溉制度的試驗研究，健全墑情監測系統，減少以往灌區用水量估算時采用的經驗值法的使用，進一步提高灌區用水量監測的科學合理性，做到總量控制，實現定額管理。