遼陽地區農業灌溉取水監測流量轉化參數探究

易嘉成

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

為提高水資源監控能力，水利部在全國范圍內相繼開展了兩期國家水資源監控能力項目（一期2012年～2014年及二期2016年～2018年）。其中二期項目是為了進一步提高全國水資源監控能力，提高三大監控體系中農業用水的監控比例，著重開展重點中型以上灌區渠首取水在線監測工作［1]，本文以此項目為契機，根據遼寧省水利廳遼水資（2015）201 號文件以及遼寧省水文局灌區取水監測流量轉化參數工作安排，遼寧省遼陽水文局于2018年對遼陽地區所屬灌區取水監測流量轉化參數進行研究。為準確推算水量提供技術保證，算好水帳，掌握農業用水效率，強化用水管理，實行水權集中，統一指揮，統一調配，分級管理有著較為重要意義。

1 流量轉化率測定

1.1 監測站基本情況

為測定遼陽地區農業灌溉流量轉化率需設立三處監測站，分別位于燈塔灌區、燈塔灌區紅光管理所、遼陽灌區，引水水源為葠窩地表水水庫水源，引水方式均為從太子河干流通過灌渠引流，控制方式均為引水閘門控制。三處監測站的監測儀器和水量測驗方法見表1。

表1 監測站監測儀器和測驗方法

1.2 流量轉化率測定方法

首先通過多次實測流量確定流量轉化率，再用此參數推算流量過程，最終推算出實測逐日、逐月時段水量。通過實測逐日、逐月時段水量與根據灌溉定額推求的灌區水量和水文調查灌區灌溉用水量三者進行對比分析，驗證轉化率的合理性。針對不同監測方式，在確定流量轉化率時具體方法有所不同。

1.2.1 水位流量關系法

在渠道引水期間，在不同水位級施測流量，與監測站雷達自記水位計監測的水位建立關系曲線，用于推算流量。根據建立的水位- 流量關系線，繪制流量過程線，推算時段水量［2]。

1.2.2 明渠流量計法

在不同水位級和不同閘門啟閉時進行流量測驗，與監測站明渠流量儀監測到的數據進行對比分析。在分析時，可以計算兩組流量數據的相對誤差，根據誤差情況，確定是否需要進行修正。修正方法可以用線性系數或相關系數。根據確定的系數修正流量值，繪制流量過程線，推算時段水量［3]。

2 流量轉化率參數確定及合理性分析

2.1 燈塔灌區

2.1.1 流量轉化參數確定過程

燈塔灌區引水渠道情況示意圖見圖1，儀器安裝及測流斷面見圖2～圖3。

圖1 燈塔灌區引水渠道情況示意圖

圖2 燈塔灌區水位計安裝位置

圖3 燈塔灌區測流斷面情況

測流斷面選取在河段順直，河床漿砌石組成，河道底部為河淤土，主流偏左。測試中，在各水位級均勻布置流量測次。為了減少誤差，在雷達水位計處安裝水尺，對水位進行對比觀測。期間共比測22 次流量，最大流量30.4 m3/s，最小流量1.38 m3/s。為了確定流量合理性，對流量不確定度的計算。流量測驗不確定度由流量測驗隨機不確定度和系統不確定度組成。

①隨機不確定度［4]

式中：XQ'為流量隨機不確定度，%；Xm'為斷面Ⅲ型隨機不確定度，%；Xe'為斷面Ⅰ型隨機不確定度，%；Xp'為斷面Ⅱ型隨機不確定度，%；Xc'為流速儀率定隨機不確定度，%；Xd' 為斷面測深隨機不確定度，%；Xb'為斷面測寬隨機不確定度，%。

②系統不確定度

式中：XQ" 為流量系統不確定度，%；Xb" 為測寬系統不確定度，%；Xd" 為測深系統不確定度，%；Xc" 為流速儀檢定系統不確定度，%。

③總不確定度

根據以上公式對燈塔灌區斷面的流量不確定度進行計算，見表2。

表2 燈塔灌區斷面的流量不確定度

根據表2 結果，斷面實測的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。通過點繪實測水位流量，確定水位流量關系線，見圖4。對上述水位流量關系曲線進行符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，均合理。

圖4 燈塔灌區水位流量關系曲線圖

2.1.2 合理性分析

通過水量分析，驗證轉化率系數的合理性。燈塔灌區2018年5月～9月用水位流量法推求水量為12310 萬m3。根據灌溉定額推求燈塔灌區水量為14000 萬m3；水文調查灌區灌溉用水量9967 萬m3。實測水量與灌溉定額計算水量誤差分別為-12.1%，二者水量相差不大。實測水量與灌區計量水量誤差為23.5%，誤差偏大；經調查分析，是因為流量較小時灌區不計量，導致儀器測到的水量偏大［5]。

2.2 紅光灌區

2.2.1 流量轉化參數確定過程

測流斷面選取在河段順直，河床由河淤土組成。水位漲落緩慢。測試中，在各水位級均勻布置流量測次。為了減少誤差，在雷達水位計處安裝水尺，對水位進行對比觀測。期間共測流量23 次，最大流量4.64 m3/s，最小流量0.442 m3/s；水位進行對比觀測，水尺讀數與水位計讀數一致。紅光灌區引水渠道情況示意圖見圖5，儀器安裝見圖6。

圖5 紅光灌區引水渠道示意圖

圖6 紅光灌區儀器安裝位置圖

同上，為了確定流量合理性，對流量不確定度的計算。流量測驗不確定度由流量測驗隨機不確定度和系統不確定度組成。

根據公式對燈塔灌區斷面的流量不確定度進行計算，見表3。

表3 紅光灌區斷面的流量不確定度

根據表3 結果，斷面實測的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。通過點繪實測水位流量，確定水位流量關系線，見圖7。對上述水位流量關系曲線進行符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗，均合理。

圖7 紅光灌區水位流量關系曲線圖

2.2.2 合理性分析

紅光灌區2018年5月～9月用水位流量法推求水量為2363 萬m3。根據灌溉定額推求紅光灌區水量為1600 萬m3；水文調查灌區灌溉用水量1578 萬m3。實測水量與灌溉定額計算水量誤差分別為47.7%，水量相差較大。實測水量與灌區計量水量誤差為49.7%，誤差偏大；經調查分析，是因為水位較低時灌區不進行取水計量，導致儀器測的水量偏大。

2.3 遼陽灌區

2.3.1 流量轉化參數確定過程

測流斷面選取在河段順直，河床混凝土石板組成，主流偏左。遼陽灌區渠首示意圖見圖8，儀器安裝位置及測流斷面圖見圖9。

圖8 遼陽灌區渠首示意圖

圖9 遼陽灌區水位計安裝位置圖

比測中，流量測次在各流量級進行均勻布置。為了減少誤差，流量比測的同步性最為關鍵，明渠流量計和流速儀測流同時進行，以最大限度的保證流量測驗精度和代表性。期間共比測25 次流量，最大流量24.1 m3/s，最小流量7.22 m3/s。

為確定流量合理性，對流量不確定度的計算。流量測驗不確定度由流量測驗隨機不確定度和系統不確定度組成。根據公式對燈塔灌區斷面的流量不確定度進行計算，見表4。

表4 遼陽灌區斷面的流量不確定度

根據表4 結果，斷面實測的流量不確定度滿足要求，流量資料可靠性較好。

以同一時刻施測的流量，橫坐標（X）為明渠流量計流量，縱坐標為流速儀施測流量，點繪流速儀與明渠流量計實測流量對比關系見圖10。流速儀與明渠流量計施測流量對比分析表見表5。

圖10 流速儀與明渠流量計實測流量對比關系圖

表5 流速儀與明渠流量計施測流量對比分析表

通過表5 計算發現個別誤差較大，分析原因為明渠流量計被漂浮物遮擋，根據分析和調查將有漂浮物影響的測次剔除后，最終確定流速儀與明渠流量計實測流量對比關系見圖11。

圖11 最終確定實測流量對比關系圖

從圖11 可以看出，流速儀施測流量與明渠流量計流量呈單一線性關系，相關系數為1.0418。

2.3.2 合理性分析

遼陽灌區2018年5月～9月按照相關系數推求水量為10105 萬m3。根據灌溉定額推求遼陽灌區水量為9600 萬m3；水文調查灌區灌溉用水量9017 萬m3。實測水量與灌溉定額計算水量誤差為5.3%，兩者水量相差不大。實測水量與灌區計量水量誤差為12.1%，誤差相差不大；經調查分析，是因為流量較小時灌區不計量，導致儀器測的水量偏大。

3 結論及存在問題

3.1 結論

本文闡述了遼陽地區三個主要灌區農業灌溉取水監測流量轉化參數確定及合理性分析的過程，運用多次現場實測流量測驗數據及定線成果確定流量轉化率參數，并通過水量確定其合理性。可以看出，通過對各監測站點實測流量成果表、水位流量關系線檢驗、標準差計算及水位流量關系定線計算表進行分析統計，定線精度總體較好，流量轉化參數合理可靠［6]。同時，后期將繼續進行不同工情、水情下的率定測驗及時對流量轉化率參數進行校核，為實現最嚴格水資源管理提供技術支撐［7]。

3.2 存在問題

通過遼陽地區三個主要灌區農業灌溉取水監測流量轉化參數確定及合理性分析的過程，發現出存在以下問題：①明渠流量計灌溉期水中夾雜大量的漂浮物很容易致使流量計被遮擋，導致流量數據飄忽不定，無法確定是否有漂浮物，對水量變化影響較大。②水位站水位站存在水位突然變化情況，對設備穩定性要求高。③數據監測平臺瞬時數據和存儲數據不一致，對數據處理有一定影響。