漳河水庫灌區量測水技術研究

張士菊 邵陳斌 陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156)

1 灌區量測水概況

漳河水庫灌區位于湖北省江漢平原西北部，地跨荊門、荊州、宜昌三市，灌區自然面積5544km2，設計灌溉面積17.37萬hm2，其中有效灌溉面積15.57萬hm2，是以漳河水庫為骨干供水工程，灌區內中小型水利設施為基礎，電灌站做補充的大、中、小、微相結合，蓄、引、提、排相配合的水利灌溉網。漳河水庫灌區情況千差萬別，從地貌上劃分，有山丘區和平原區之分；從引水方式上劃分，有自流和提水灌溉之分；從工程類別上劃分，有擋水建筑物和沒有擋水建筑物之分；從工程規模上劃分，大的渠道過水能力達120m3/s，小的渠道過水能力僅0.1～0.2m3/s；從量測水類型上劃分，有明渠測流和管道量水之分；從河流形態上劃分，有人工渠系和天然河道之分等。因而灌區量測水工作比較復雜。

漳河水庫灌區人均徑流總量1208m3,是全國人均徑流總量的45.9%。同時由于灌區存在管理粗放、建筑物配套不完善以及工程老化損壞嚴重等問題，灌溉效益沒有得到充分發揮。因此，加強科學管理、合理調度灌溉水資源、促進節約用水、減輕農民負擔、提高灌溉水有效利用系數、降低灌溉成本、不斷改良土壤、確保灌區糧食生產穩產高產、發揮灌溉工程綜合效益等都必須要進一步做好量測水工作，這是做好灌區管理的核心與基礎。

2 漳河水庫灌區量測水現狀

2.1 量測水的作用與目的

2.1.1 渠系與建筑物

漳河水庫灌區渠系工程包括總干、干、支干、分干、支、分、斗、農、毛渠等九級渠道，共13990條，總長7167.56km；建有渡槽、隧洞、各類水閘等建筑物17857處(座)。樞紐工程取水口見圖1。

圖1 樞紐工程取水口示意圖

2.1.2 灌區量測水的作用與目的

a.計量收費。漳河水庫灌區實行“按田配水，計量收費”的管理辦法，對所有分水口都按規定進行計量，并按計量成果及國家、地方政府相關政策收取農業灌溉用水量水費。

b.準確配水。依據各用水戶提出的開閘時間、用水時段、用水量以及渠系工程現狀，進行綜合計算后統一調度，因此要滿足各用水戶的用水需求，量測水工作必須做到及時、準確。

c.加強灌區管理。灌區內實行輪灌制度，一般情況下的灌溉，每天有數千個分水口門需要計量，如遇較大干旱，全灌區每天則有1萬個分水口需要計量，如果沒有統一的章程和完善的管理辦法，每年的農業灌溉是難以有序進行的。

d.驗證供水方案有效性。每年年初，管理部門根據當年的來水預報趨勢和各部門的用水預測以及工程狀況編制興利調度計劃，按月進行水庫水量平衡分析。因此做好灌區的量測水工作，可對供水方案的時效性進行驗證，并可指導以后灌區興利方案的制定。

e.渠道系統信息化的基礎。按照用水計劃，調節、控制各級渠道的分水流量，為自動化節水型生態灌區管理打下堅實的基礎。

f.驗證渠道水力學參數。根據量水成果，可以分析計算各級渠道的輸水能力和輸水損失，提出渠道維修計劃；可以計算渠系水和田間水的利用率，提出進一步改進的各項措施[1]；可以為計劃用水提供必要的數據支撐，促進節約用水；可以為新建、擴建或改建灌區提供規劃設計的基本資料[2]等。

g.為地方社會經濟的發展提供可靠的依據。

2.2 量測水站設備的要求

a.量測水設備選擇的總體要求。為特定的地點或條件選擇合適的量水設備，必須考慮并權衡該位置不利的因素和不確定的變量[3]。

b.量測水設備選擇的一般要求包括：?量測水設備的精度大于95%；?選擇量水方法不僅要考慮主要設備的初期建設費用，還要考慮長期使用過程中的管理費用，做到經濟、方便、實用；?量水設備必須符合國家或部門的相關規程規范或標準；?適應渠道內不斷變化的水流條件和流量變化；?減少量水所消耗的水頭，確保該處渠道過流能力；?測量設備的選擇必須考慮擬建點的現場條件等。

c.量測水設備運行的要求包括：?所選設備的測量范圍必須涵蓋可能出現的運行工況，如水位變化等；?可以采用每日測得的流量計算當天的用水量以及累計用水量；?建筑物開度變化后，等待下游渠道水位穩定時間較短，通過堰、槽量水則可快速測定流量；?泥沙和雜物的通過，對設備正常運行影響較小。

d.量測水設備的安裝與維修要求包括：?設備安裝應適應現有的工程狀況或對現有工程的改造難度較小；?帶有運動部件或傳感器的測量設備應適應當地的環境；?現場校核、故障排除及維修難度較小。

e.量測水設備的管理要求包括：?標準化量測水設備經過一段的運行，應符合設計的理論基礎、率定方法及運行性能；?選擇量測水方法時應考慮該處量測水方法的歷史沿革和用戶對新方法的接受能力；?儀器設備具有一定的保護和防止被惡意破壞的能力。

f.對環境影響的要求包括：?選擇的量測水設備對附近工程互不影響；?對渠道斷面、流速、沖淤平衡、防洪安全無影響；?對生態環境無影響。

2.3 量測水站點的現狀

2.3.1 灌區量測水站點的建設

根據漳河水庫灌區量測水實際需求，結合近年來漳河灌區信息化建設成果，按照“總體規劃、分步實施，急用先建，建一處成一處發揮效益一處”的原則[4]，以總干渠、四干渠城區段常年供水渠道為重點，采用管道量水、水工建筑物量水、堰槽量水、多普勒明渠流量在線監測、電磁明渠流量監測、H-ADCP等不同量測水方式，實現漳河灌區總干渠、四干渠常年供水渠段主要進水閘、節制閘、分水口流量的精準在線實時監測。

四干渠東、北干渠分水閘以上渠段，一干、二干、三干及西干渠首、分干渠以上的交接斷面，以及上述渠道的重要分水口的流量在線實時監測。

在湖北省中心試驗站(在漳河灌區內)開展測、視、控、調一體化、智能化的試點工作，探索小型渠道量測水新方法和技術，為全省小型渠道量測水提供參考借鑒。

2.3.2 已建設的量測水設施統計

已建設的量測水設施統計見表1。

表1 已建量測水設施統計 單位：個

2.3.3 量測水方案的選擇

a.在有水工建筑物的站點建設量測水設施，優選考慮采用建筑物法測流。

b.水電站、泵站取水管道量測水，優先考慮采用管道測流。

c.對寬度大于50m的渠道采用超聲波時差法流速儀測流，對寬度為10～50m的渠道應優先選用時差法超聲波流速儀測流，或選用多普勒流速儀測流。

d.對寬度1～10m的渠道，采用超聲波時差法流量計。

e.管道測流優先考慮采用電磁流量計，或采用插入式超聲波流量計。

f.標準斷面水位流量關系法不具備長期率定(比測)條件和能力的一般不采用。

g.渠首存在自然跌水的地方，可采用末端深度測流法測流，或對渠道進行整治，形成標準堰流，提高測量精度[5]。

2.3.4 量測水設施主要類型

分渠以上的渠道量水，采用電磁流量計；多普勒渠道流量計；標準段面法(水位-流量關系)，渠道水位+閘門開度，自由出流；時差法；電波流速儀+水位測流量等。

斗、農、毛渠等末級渠系量水，采用前閘后堰，即閘門開度與三角薄壁堰控制流量；堰閘一體，即通過調節支渠水位來調節流量；前閘后管道；電動蝶閥+管道流量；前閘后槽；翻斗堰等，見圖2～圖4。

圖2 三角堰剖面

圖3 寬頂堰剖面

圖4 前閘后槽(太陽能閘控+無喉道)

2.4 量測水方法的優缺點評價

a.流速儀量水。流速儀測流存在工作繁瑣、歷時長、纜道或測流橋等基礎設施建設費用高等缺點，但它以良好的穩定性以及高精度的成果贏得了供用水雙方的認可，因而在灌區骨干渠道普遍使用。

b.ADCP(走航式)量水。對干渠、支干、分干渠等渠道的交接斷面量測水成果存在爭議的，用ADCP量水實測比對，使供需雙方相互滿意。

c.ADCP(固定式)量水。在總干渠渠首測流斷面安裝了固定的ADCP量水設施，目前正在與纜道流速儀法、走航式ADCP測流法等方法同時進行比測和率定。

d.堰槽量水。利用已建的長喉槽、巴歇爾量水槽、無喉道量水槽等測流(采用實時在線)。該方法具有成果精度高、容易掌握、方便群眾監督、設置結構簡單、造價低廉、測算簡捷、損失水頭小、抗干擾能力強等優點，在漳河水庫灌區支渠以下渠道配水中廣泛使用。

e.水工建筑物量水。為做好灌區信息化建設，先后建成了總干渠閘群實時監控與調度自動化系統、灌區重要節制閘和流量交接斷面處水情實時監測系統等，并通過GPRS傳送至信息中心，計算機軟件以該斷面流速儀實測率定的水位流量關系曲線推流，主要用于支渠以下涵閘量水。

f.儀表量水。主要為三干渠農業改革示范區內超聲波管道流量計。此方法精度高，但土建部分較為復雜，且運行過程中要注意防止雜物堵塞。

各測流方法優缺點見表2。

g.量測水精度統計分析。量測水精度統計見表3，從表3中可以看出，量測水精度滿足了灌區灌溉的要求，為灌區穩定持續發展奠定了基礎。

2.5 量測水管理

a.量測水設施的管理。?干渠進口量測水由各干渠管理處負責，其中渠首閘、一干、西干渠進口由樞紐工程管理處負責，二干、三干、四干渠進口由總干渠

表2 各測流方法優缺點統計

表3 量測水精度統計

管理處負責；?水位流量實測時，交接雙方代表到場，并簽字確認；?每日8時完成實測或流量調整水流平穩后加測，實測與加測數據及時報管理局；?總干、二干、三干、四干及一干、西干渠管理段之間交接斷面、分水口的量測水，由所屬管理處或管理段負責；?管理局負責技術指導，并根據需要開展水位流量巡測工作。

b.爭議解決。對有爭議的實測結果，由管理局派出專家并攜帶走航式ADCP儀，現場分析問題，并組織雙方量水人員共同實測，化解矛盾。

3 存在的問題及解決的辦法

3.1 存在的主要問題

a.量測水設施配套不全。漳河水庫灌區為三邊工程，當初建設時量測水設施大量欠缺。在灌區續建配套與節水改造工程中，興建與恢復了部分量測水設施，根據目前的統計數據，現有量水設施須改造2235處，還須新建量水設施14777處。

b.量水設施老化失修。灌區量水設施經多年運行，老化陳舊。如總干渠首測流設施，運行20多年一直沒有更新，且每年灌溉開始前都要進行維修，測流一次需要1個多小時；四干因渠道配套建設不完整，大部分渠道都是單邊整治，選定符合測流要求的標準段面較難。

c.量水設施建設不規范。部分量測水設施在建設過程中存在以施工方便為主，忽略了現場工程條件及量水設施尺寸要求的現象，部分量水設施位置選擇不當，沒有嚴格按規范要求施工，出現水位流量關系理論計算與實測情況相差較大的情況。

d.量水設施水流條件改變。量水設施附近群眾為了取用水方便，隨意用木板、編織袋裝土打垱攔水，造成量水設施水流不暢，水位壅高，改變了原有水力條件，影響量水精度。

e.測流設施缺乏。目前，走航式ADCP僅1臺，便攜式流速儀數量有限，交接斷面主要采用纜道測流，ADCP及便攜式流速儀主要用于巡測。由于灌區渠系復雜，供用水集中，購置ADCP及便攜式流速儀等需求十分迫切。

3.2 建議

a.加強現場勘察設計。建議以灌區現代化改造試點為契機，在規則設計階段，組織專班對灌區量測水現狀情況進行一次徹底的調查，明確哪些地方建、哪些地方不建、建什么樣的量水設施。特別是征求當地老百姓的意見，對于建量水設施后可能造成阻水的，可以考慮建標準斷面[6]，平時加強實測率定水位流量關系。

b.量測水設施與渠道工程建設統籌考慮、同時設計、同時施工。

c.嚴把質量關。嚴格控制量測水設施的位置和尺寸、上下游工程條件，特別是巴歇爾、無喉槽等，嚴格按規范標準施工，確保施工質量。

d.加強宣傳。供用水雙方都要認識到量測水設施的重要性及其在灌溉配水調度、水費計收等方面的積極作用，并真正從中受益。

4 結 語

渠道輸水是灌區農田灌溉的主要形式，受歷史條件限制、地域性差異和灌區條件復雜等因素影響，目前已有的量測水設施不能滿足灌區量測水的新要求。因此,根據灌區實際需求，研制結構簡單、量測精準、適應度高、應用便捷、造價低廉的渠道量測水設施,并對灌區量測水設施統一規劃、逐步實施、不斷完善，適應現代化節水型灌區的建設與發展要求，對于灌區節水和實現水資源高效利用以及可持續發展具有重要意義。