量測水設備比測綜合評價指標體系與方法

王懷博 徐利崗 劉學軍 蘇笑曦

摘 要：適宜的量測水設備有利于降低灌區運行管理成本，提高灌區水資源管理水平，增加經濟效益和生態效益，從而促進現代化灌區建設的發展。基于系統工程理論，綜合分析影響因素，構建以優選適宜寧夏引黃灌區不同流量級別渠道的量測水設備為目標層，以技術性、經濟性和其他相關指標為準則層，共13個因子為指標層的寧夏引黃灌區量測水設備比測綜合評價指標體系，建立了定量評價量測水設備的等級標準。以寧夏引黃灌區唐徠渠灌域量測水設備比測為例，進行實例驗證，結果顯示6類設備中2類達到中等等級，4類為較差等級，在寧夏引黃灌區支渠和斗渠可采用設備4（得分72.57），其次為設備6（得分60.63）。

關鍵詞：量測水設備;比測;精度;適宜性;綜合評價指標體系;寧夏引黃灌區

中圖分類號：TV213.4;TB937文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.032

引用格式：王懷博，徐利崗，劉學軍，等.量測水設備比測綜合評價指標體系與方法[J].人民黃河，2021，43（1）：156-160.

Comprehensive Evaluation Index System and Method on Comparing

Measurement of Water Volume Equipment

WANG Huaibo1， XU Ligang1， LIU Xuejun1， SU Xiaoxi2

（1.Scientific Research Institute of the Water Conservancy of Ningxia， Yinchuan 750021， China;

2.Ningxia Hydrology Department Tanglai Canal Management Office， Yinchuan 750001， China）

Abstract：Suitable water volume equipment can reduce the cost of irrigation area operation and management， improve the management level of irrigation area， increase economic and ecological benefits and promote the development of modern irrigation area construction. This study based on the theory of system engineering， scientifically and comprehensively analyzed the influencing factors. The comprehensive evaluation index system were made up with one goal layer， three grades and thirteen indices and established quantitative calculation of evaluation criterion of water. Taking comparison of water measuring equipment of Tanglai canal irrigation area in the Yellow River irrigation region in Ningxia as an example， it conducted instance verification. The outcomes show that among the 6 categories equipment， 2 categories reach medium level and 4 categories are at poorer level. It is recommended that equipment 4 （score 72.57） and equipment 6 （score 60.63） can be used for branch canal and lateral canal of the Yellow River irrigation area in Ningxia.

Key words： volume of water equipment; comparing measurement; precision; reliability; comprehensive evaluation index system; Yellow River irrigation area of Ningxia

隨著國家“互聯網+”戰略的深入實施，應用現代信息技術，實現灌區計量和管理現代化、科學化，可為終端水價核算、和諧用水、保障農民用水權益提供科技支撐[1-3]。我國大部分灌區的測流方法仍然是落后的人工測流方式，這與社會經濟的不斷發展和進步是不相適應的[4-5]。適宜的量測水設備有利于降低灌區運行管理成本，提高灌區水資源管理水平，增加經濟效益和生態效益，從而促進現代化灌區建設的發展。目前渠道量水方式有很多種[6-7]，如在具有一定水流條件的渠道，可采用渠系建筑物（渡槽、涵閘等）量水，但該方式易產生水頭損失，必要時需對建筑物進行實測校核，用得較多的是特設建筑物，即量水堰槽，但不同設施適用范圍不盡相同，需要根據具體情況而定;流速儀[8-9]使測流工作變得更加靈活和有效，結合標準斷面可以進一步提高精度，其不足在于設備壽命短等問題造成成本不可控，同時對操作人員要求較高，在大中型灌區應用中存在困難[10]。近些年，各種具有自動監測、傳輸、決策功能的量測水設備應運而生，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，應用中評價褒貶不一。澳大利亞全渠道控制系統實現了測控一體化，灌溉水有效利用系數提高至84%～90%，類似的設備在小型灌區直開口用水計量中尚可應用，在大型節制閘及退水閘應用的改造成本高，適應性差，同時在灌區側向引水情況下，量測水精度受水情及測流條件影響較大。因此，有必要對現有量測水設備進行綜合性、定量化評價研究，構建一套科學的評價指標體系，以問題為導向，針對各類量測水設備在現場應用中的技術、經濟等方面存在的問題，科學評判，推進灌區現代化建設[11-12]。

1 評價指標體系構建方法

1.1 內涵特征

量測水設備比測是在一定的環境影響和條件約束下，以灌區現代化建設為方向，為使量測水設備滿足特定條件下測流規范、工程投資、運營和政策要求、已運行管理軟硬件之間的交互作用，以量水堰或校準后的流速儀為標準，對其測流的準確性、穩定性、對惡劣測流環境的阻抗性、設備經濟性等方面進行對比，定量評價比測結果，優選出適宜的量測水設備。

1.2 構建的可行性

灌區現代化是實現農業現代化的關鍵，信息化—數字化—智能化[13]是必經之路，制定能夠規范我國現代化灌區建設、適應灌區普遍規律的標準體系迫在眉睫[14-15]。目前計量方法定量評價程度普遍提高，使用大量數據的指標體系評價法在生態農業模式 [16-17]、農戶用水[18]、農機集成評價等系統得到有效應用，而量測水設備比測涉及因素多、內容復雜，宜用綜合評價指標體系進行評價[19-20]。本研究遵循系統性、典型性、動態性、簡明科學性等原則，構建的評價指標體系可表征評價對象各方面特性及其相互聯系。

1.3 制約因素分析

明確制約量測水設備選型的因素及其相互關系，是合理評價量測水設備的前提。量測水設備比測的制約因素如下。

（1）技術性指標。技術性指標是影響量測水設備監測結果的關鍵因素，主要體現在監測數據是否能真實反映渠道流量指標、設備運行是否穩定、各部件對高含沙量和氣溫變化的阻抗能力，如高寒、黃河水高含沙量[21]等因素。

（2）經濟性指標。經濟性指標是決定設備能否正常運行發揮效果的重要因素，主要包括設備投資、使用壽命、安裝調試、運行維護費用以及批量采購優惠等。

（3）其他相關指標。包括設備的認知度、操作性、防盜性和供電系統的可靠性。

1.4 構建流程

該體系構建包括評價指標體系建立、指標權重確立、評價指標等級標準劃分、綜合評價方法的選擇。

1.4.1 評價指標體系建立

以推薦適宜的量測水設備為目標層，建立包含技術性、經濟性和其他相關指標的準則層，確定包含數據穩定性、準確性、對溫度與泥沙阻抗性、設備價格、使用壽命、安裝調試及土建費用、運行維護費用、不同采購規模優惠比例、設備認知度、操作性、防盜性、供電系統可靠性等因素的指標層。

1.4.2 評價指標權重確定

確定各指標權重的方法很多，該體系利用德爾菲法和層次分析法[22-24]相結合的方法來確定評價指標的權重，其中征求了灌區管理部門人員、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意見，計算各層次指標的權重值。

1.4.3 評價指標等級標準建立

按照《流量測驗規范》中流速儀的測量成果作為評價測流方法的標準，明渠流量測量誤差要求為±5%，確定總評分為100分。依據以上原則，對各類指標進行定量分析，確定指標評價的等級標準。

第1步，建立評語集，等級分為優良、中等、較差。

第2步，定量分析。主要目的是將不同指標統一轉化成分值，使其定量可比。技術性指標是將各因子劃分區間并賦予系數，計算評分;經濟性指標中設備價格、安裝調試費用、土建費用和運行維護費4個指標采用遞減函數，規模化采購（30套）優惠、設備使用壽命2個指標采用遞增函數，關鍵在于試算并確定不同量測水設備科學的得分下限;其他指標依據滿足指標的具體個數進行量化賦分。

第3步，綜合各指標得分，確定等級標準。

1.4.4 綜合評價方法的選擇

該體系涉及13個指標的定量分析，每個指標均可單獨評價，算出具體設備的最終得分，得分越高，說明該設備的適宜性越好，反之越差;對設備進行等級劃分，最終滿足優良或中等等級方可確定為選用設備。

2 綜合評價指標體系的構建

2.1 評價指標體系框架

本研究目標層是評價體系的總目標，是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，為類似灌區比測量測水設備提供科學合理的理論與技術支撐;準則層是組成綜合評價總目標的子目標，包含技術性、經濟性和其他相關指標;指標層是準則層的表征，包括13個指標。

2.2 評價指標的權重

量測水設備比測總賦分設定為100分，量測水設備比測綜合評價指標體系與權重見表1。

2.3 評價指標等級標準的建立

依據各評價指標和權重，計算出各指標的總賦分，評價使用3個等級，總評分大于等于80分為優良（作為推薦），大于等于60分、小于80分為中等（定義為可采用），小于60分為較差（定義為不可采用）。各評價指標量化計算標準如下。

2.3.1 技術性指標評分標準

依據權重計算得出技術性指標得分50分，其中數據穩定性20分，數據準確性20分，設備對泥沙阻抗性5分，設備對氣溫變化（夏秋灌高溫、冬灌低溫）的阻抗性5分。總體評分以流量為主，參照水位和流速指標。

第一，穩定性指標。依據整個比測期流量的誤差統計（范圍1：-5%

第二，準確性指標。依據整個比測期流量誤差的不確定度、趨勢線斜率和決定系數R2值3個考量指標，分別賦分10、5、5。不確定度按照其范圍（范圍1：-5%

第三，設備對泥沙阻抗性。對比測期不同時段各斷面泥沙含量從小到大進行排序，以取樣時的流量誤差為基準值，計算出不同泥沙含量下流量誤差的變幅，按照其范圍（范圍1：-5%

第四，設備對氣溫變化阻抗性。依據不同灌期氣溫變化顯著時段各類設備比測的流量誤差，對低溫抗性賦分2，對高溫抗性賦分3，以正常溫度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，按照誤差范圍（范圍1：-5%

2.3.2 經濟性指標評分標準

經濟性指標得分30分，利用遞減（增）函數試算確定設備各指標賦分，其中：設備單價8分，3萬元以下得8分，20萬元以上得3分;設備使用壽命5分，20 a以上得5分，5 a以下得2分;安裝調試及土建費用5分，安裝調試及土建費占設備費10%以下得5分，占30%以上得2分;運行維護費用6分，運行維護費占設備費3%以下得6分，占15%以上得2分;規模化采購（30套）優惠6分，優惠比例占設備費20%以上得6分，占5%以下得1分。

設備價格、安裝調試及土建費用和運行維護費得分采用遞減函數插值法計算：

Bx=Bmin+Amin-AxAmax-Amin（Bmax-Bmin）

規模化采購（30套）優惠、設備使用壽命采用遞增函數插值法計算：

Bx=Bmin+Ax-AminAmax-Amin（Bmax-Bmin）

式中：Ax為具體設備的價格（萬元）/使用壽命（a）/該費用占單價百分比（%）;Amax為所有設備中價格上限（萬元）/使用壽命上限（a）/該費用占單價百分比上限（%）;Amin為所有設備中價格下限（萬元）/使用壽命下限（a）/該費用占單價百分比下限（%）;Bx為具體設備經濟性指標的得分;Bmax為所有設備具體經濟性指標得分上限;Bmin為所有設備具體經濟性指標得分下限。

2.3.3 其他相關指標評分標準

依據權重計算得出其他相關指標占20分，其中：設備認知度6分，連續3 a以上入選《水利先進實用技術重點推廣指導目錄》得6分，入選2 a得5分，入選1 a得4分，入選未滿1 a得3分，未入選得2分;設備操作性5分，中文界面、英文界面、手機終端、電腦終端、數據可視化操作5項中有幾項得幾分;設備防盜性5分，以具備2項防盜功能及設置得5分，具備1項防盜功能及設置，根據其防盜級別，得2～4分，不具備防盜功能及設置得1分;供電系統可靠性4分，若太陽能供電系統連陰天持續工作7 d以上得4分，4～6 d得1～3分，3 d及以下得0分。

根據以上指標評分標準，對各類設備數據進行統計分析，計算最終得分，進行等級劃分。

3 寧夏引黃灌區量測水設備比測案例評價

3.1 研究區概況與比測原則

本研究選擇典型的支、斗渠斷面開展量測水設備比測評價。以暖泉渠典型斷面比測試驗為例，試驗點在寧夏引黃灌區唐徠渠灌域，灌溉面積2 133 hm2，渠道長24 km，斗口為2 m×2.5 m雙孔方涵，斷面最大流量6.0 m3/s，測流斷面為格柵石籠砌護，渠底寬4.5 m，渠道開口寬10 m，高水位處最大水深1.5 m。

選擇并建設標準化測流斷面，安裝不同原理（水位測量原理或流速測量原理）的6類設備（設備1為超聲波法+聲學多普勒法，設備2為雷達波法+雷達波法，設備3為靜水壓力法+超聲波法，設備4為超聲波法+電磁法，設備5為脈沖雷達波法+K頻多普勒雷達波法，設備6為超聲波法+超聲波法），以流速儀為標準，水位變幅的測定范圍為30～150 cm。將各類設備按照《灌溉渠道系統量水規范》（GB/T 21303—2017）的要求進行安裝布設，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，數據具有可比性。

3.2 綜合評價結果

依據構建的寧夏引黃灌區量測水設備比測綜合評價指標體系，開展野外比測試驗，統計分析數據，得出綜合評價結果（見表2）。

從結果看出，參比的6類量測水設備差異較大，中等等級2個，較差等級4個，均沒有達到優良等級。從技術性指標看，各指標差異較大，尤其是穩定性和準確性差異顯著，設備4技術性指標得分31.34，其次是設備6，設備3得分最低，為7.8;從經濟性指標看，各指標差異不大，設備1得分最高為24.64，設備3得分最低為19.27;其他相關指標無明顯差異，整體表現為設備在行業內的認知度不足，需要加強在各類灌區及不同水流條件下的應用和推廣，適應各灌區不同測流工況的特殊需求。

通過綜合評價指標體系得出：設備4得分72.57，排名第一，劃分為中等;設備6得分60.63，排名第二，劃分為中等;其他4類設備均劃分為較差。在寧夏引黃灌區支渠可采用設備4，其次是設備6。

4 結論與討論

（1）本研究基于技術-經濟-認知度等相關指標復合的系統工程理論，綜合分析影響因素，構建以優選適宜寧夏引黃灌區量測水設備為目標層，以技術性、經濟性和其他相關指標為準則層，包括13個指標的綜合評價指標體系，建立了定量計算量測水設備評價等級標準，完善了現場應用中量測水設備比測的方法，具有較強的可操作性。

（2）利用本研究所得的評價指標體系對寧夏引黃灌區唐徠渠灌域量測水設備比測進行綜合評價，結果表明：6類設備中2類達到中等等級，4類為較差等級，在寧夏引黃灌區支渠和斗渠可采用設備4（得分72.57），其次是設備6（得分60.63）。依據綜合評價指標體系能夠明確量測水設備在各指標中的優勢和劣勢，避免采購中利用單一指標或定性分析帶來的風險。

所建立評價指標體系可為引黃灌區管理部門比選適宜的量測水設備提供科學依據，分析的案例亦可為現代化灌區建設提供有益參考。鑒于灌區情況的復雜性、動態性，本研究做了整個行水期全面數據的分析，受環境和時間的影響，下一步還需要繼續開展現場案例研究驗證，獲取長序列數據，深入研究各類設備硬件和軟件模型的參數，進一步完善該評價指標體系。

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【責任編輯 許立新】