遼寧省大中型灌區(qū)自動(dòng)量水設(shè)備與人工觀測(cè)方法數(shù)據(jù)比對(duì)

谷成麟

(遼寧合悅土木工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

灌區(qū)田間用水計(jì)量體系包括田間灌溉計(jì)量工程配套和計(jì)量管理。對(duì)于大中型灌區(qū)而言，尋找一個(gè)性?xún)r(jià)比較高的計(jì)量設(shè)備對(duì)于灌區(qū)科學(xué)用水、灌溉用水效率提升意義重大[1]。通過(guò)對(duì)灌區(qū)灌溉供水方案進(jìn)行分析其田間用水計(jì)量設(shè)施布局的合理性和科學(xué)性，從而提高大中型灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建設(shè)，是灌區(qū)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革研究面臨的實(shí)際問(wèn)題[2]。遼寧省灌區(qū)多以地表水灌溉，在水價(jià)綜合改革中田間用水計(jì)量設(shè)施布置符合國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，且根據(jù)灌區(qū)的實(shí)際情況及灌水計(jì)量要求，在干渠與支渠分界點(diǎn)設(shè)置量水設(shè)備，末級(jí)渠系量水精確到農(nóng)渠，斗渠直接進(jìn)地情況量水精確到斗渠[3]。灌區(qū)用水計(jì)量設(shè)施建設(shè)管理的目標(biāo)對(duì)對(duì)灌區(qū)灌溉水量進(jìn)行科學(xué)調(diào)配，提高其灌溉水量計(jì)量的精準(zhǔn)性，提高其灌溉水量使用的科學(xué)性，通過(guò)嚴(yán)格控制灌區(qū)供用水量，采取有效的節(jié)水措施，降低灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)行供水到戶(hù)制度，杜絕水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，提高灌溉用水的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的，具有十分重要的意義[4]。當(dāng)前，對(duì)于灌區(qū)自動(dòng)量水設(shè)備取得一定的研究成果[5-15]，但不同地區(qū)對(duì)于灌區(qū)量水設(shè)備的要求有所差異，需要結(jié)合地區(qū)灌區(qū)實(shí)際情況，對(duì)其自動(dòng)量取設(shè)備計(jì)量的精準(zhǔn)性進(jìn)行分析。為提高遼寧地區(qū)灌區(qū)量水設(shè)備的精準(zhǔn)性，選取10個(gè)典型大中型灌區(qū)，結(jié)合人工同步觀測(cè)方式開(kāi)展灌區(qū)自動(dòng)量水設(shè)備計(jì)量精度的分析。研究成果對(duì)于灌區(qū)智慧化建設(shè)具有參考價(jià)值。

1 典型灌區(qū)選取

選擇5個(gè)大型灌區(qū)(燈塔、東港、凌海、渾蒲、營(yíng)口)、5個(gè)中型灌區(qū)(凡河、大清溝、遼陽(yáng)、通江子、渾北)作為典型灌區(qū)，各典型灌區(qū)信息見(jiàn)表1，在典型灌區(qū)中選擇合適區(qū)域建立試驗(yàn)區(qū)，具體原則如下。

表1 典型灌區(qū)基本信息

(1)選取一條斗渠(或農(nóng)渠)控制的封閉地塊，整個(gè)斗渠(農(nóng)渠)控制的地塊邊界清晰，無(wú)串灌串排現(xiàn)象。

(2)選取的斗口(或農(nóng)口)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)量(自帶量水設(shè)備，或可配備常規(guī)自動(dòng)量水設(shè)備)，田間進(jìn)水口也盡量保證有計(jì)量設(shè)施。

(3)選取的斗渠(或農(nóng)渠)及田間盡量已襯砌，工程條件較好，且能落實(shí)觀測(cè)人員，交通較為便利。

2 灌溉計(jì)量總體方案

通過(guò)典型灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及灌溉計(jì)量現(xiàn)狀分析，每個(gè)灌區(qū)均需配套自動(dòng)化量水監(jiān)測(cè)設(shè)備、觀測(cè)水尺及降雨量觀測(cè)設(shè)備。自動(dòng)化量水監(jiān)測(cè)站布設(shè)于灌區(qū)進(jìn)水口處，用于觀測(cè)灌區(qū)毛灌溉用水量，主要觀測(cè)設(shè)備包括多普勒明渠流量計(jì)、多層時(shí)差法流量計(jì)。觀測(cè)水尺布設(shè)在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)水口及灌區(qū)典型田塊觀測(cè)點(diǎn)，包括進(jìn)水口噴漆水尺及田間觀測(cè)點(diǎn)木樁水尺。灌區(qū)進(jìn)水口噴漆水尺用于觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)毛灌溉用水量，可與自動(dòng)化量水設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)相互校正；灌區(qū)典型田塊觀測(cè)水尺數(shù)據(jù)用于觀測(cè)灌區(qū)凈灌溉用水量。灌區(qū)降雨量數(shù)據(jù)可通過(guò)配套自動(dòng)翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。

2.1 自動(dòng)量測(cè)設(shè)備選型

根據(jù)各典型灌區(qū)區(qū)農(nóng)渠渠道斷面情況，主要為灌溉渠道，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)低流速(流速小于0.4m/s)，受到刮風(fēng)影響后水面會(huì)隨風(fēng)漂移，此時(shí)非接觸的雷達(dá)流量計(jì)的測(cè)量誤差會(huì)很大，所以不適合選用非接觸測(cè)流設(shè)備，多普勒明渠流量計(jì)更適合于0.4m的渠道；對(duì)于寬度在80cm以下的小渠道，當(dāng)正常放水水位比較穩(wěn)定在某一值附近時(shí)，流速傳感器安裝于正常水位位置附近，當(dāng)正常放水水位變化幅度較大時(shí)，可以將流速傳感器安裝在最低水處，綜合比較最終選用雙聲道時(shí)差法超聲波明渠流量計(jì)。各典型灌區(qū)自動(dòng)化量水設(shè)備選型見(jiàn)表2。

表2 各典型自動(dòng)化量水設(shè)備選型結(jié)果

2.2 量水設(shè)備安裝

由于各典型灌區(qū)農(nóng)渠渠道無(wú)襯砌，所以需要在渠道底部中間位置做一處基礎(chǔ)斷面(300×300)，作為固定探頭，一般在渠系的順直段安裝較為固定的斷面并在斷面上假設(shè)量水設(shè)備的固定探頭，越長(zhǎng)的順直河段其量水設(shè)備的精度越高，以15～20倍渠道寬度作為順直河段的長(zhǎng)度最為適宜，對(duì)于選取的大中型灌區(qū)而言，上游順直段長(zhǎng)度一般為渠道寬度的10倍，下游渠系順直段一般為渠道寬度的5倍，且上下游順直段之間不能有水閘、堰等過(guò)流阻擋物，從而可有效保證量水設(shè)備探頭安裝的穩(wěn)定性。靠近渠底的方法可盡量安裝量水設(shè)備探頭，當(dāng)有水草生長(zhǎng)或滾動(dòng)的卵石在渠底進(jìn)行雜質(zhì)沉積后，可以將探頭安裝的位置進(jìn)行抬高以免探頭被卵石沖撞或水草覆蓋。一般以50～150mm作為探頭距離渠底的高度，按照測(cè)流水位作為渠道最低值。

2.3 設(shè)備率定及方法

為確定灌區(qū)區(qū)進(jìn)水口流量計(jì)測(cè)量精度情況，依據(jù)GB/T 21303—2017《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》、GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》及SL 195—2015《水文巡測(cè)規(guī)范》等規(guī)范，采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)流方法測(cè)流進(jìn)行比測(cè)率定。通過(guò)率定，確定灌區(qū)進(jìn)水口水位～流量關(guān)系曲線，便于同自動(dòng)化流量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互校正。

3 灌溉計(jì)量數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)比對(duì)

3.1 水位比對(duì)結(jié)果

對(duì)各典型灌區(qū)進(jìn)行水位誤差比對(duì)，誤差比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各典型灌區(qū)水位比對(duì)誤差

按照GB 50179—2015規(guī)定，灌區(qū)渠首取水在線監(jiān)測(cè)Ⅰ類(lèi)精度適用于灌溉面積大于2萬(wàn)hm2大型灌區(qū)渠首測(cè)流，其誤差要求控制在±9%以?xún)?nèi)，Ⅱ類(lèi)精度適用于灌溉面積大于3333.33hm2大型灌區(qū)渠首測(cè)流，其誤差要求控制在±10%以?xún)?nèi)，Ⅲ類(lèi)精度適用于灌溉面積大于666.67hm2大型灌區(qū)渠首測(cè)，其誤差要求控制在±12%以?xún)?nèi)，從各典型灌區(qū)水位自動(dòng)量取值和人工觀測(cè)比對(duì)誤差可看出，其誤差均在9%以?xún)?nèi)，達(dá)到Ⅰ類(lèi)精度標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 流速比對(duì)結(jié)果

在各典型灌區(qū)水位比對(duì)的基礎(chǔ)上，對(duì)各典型灌區(qū)流速自動(dòng)觀測(cè)值和人工觀測(cè)流速進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)誤差見(jiàn)表4。

表4 各典型灌區(qū)流速誤差比對(duì)結(jié)果

從10個(gè)典型灌區(qū)流速誤差對(duì)比結(jié)果可看出，各灌區(qū)自動(dòng)觀測(cè)流速和人工觀測(cè)流速之間的誤差均在±9%以?xún)?nèi)以?xún)?nèi)，達(dá)到I類(lèi)精度要求，表明選取的各典型灌區(qū)自動(dòng)計(jì)量設(shè)備滿(mǎn)足灌區(qū)自動(dòng)量水設(shè)備精度要求，可基本實(shí)現(xiàn)灌溉用水自動(dòng)計(jì)量和精準(zhǔn)計(jì)量。

4 灌溉定額區(qū)間

在各典型灌區(qū)自動(dòng)計(jì)量設(shè)備與人工觀測(cè)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工觀測(cè)田間用水量，確定各典型灌區(qū)灌溉用水定額區(qū)間，見(jiàn)表5。

表5 各典型灌區(qū)灌溉定額區(qū)間

從各典型灌區(qū)灌溉定額區(qū)間可看出，在各灌區(qū)中渾北灌區(qū)每公頃平均凈定額區(qū)間最小，在2926.95～3177.3m3/hm2之間，而遼陽(yáng)灌區(qū)由于灌溉面積最大且灌溉效率較高，其每公頃平均凈定額為7645.5～7853.4m3/hm2，其次為渾蒲灌區(qū)，通過(guò)各典型灌區(qū)用水定額區(qū)間，可進(jìn)一步強(qiáng)化定額灌溉管理，提高灌溉用水效率。

5 結(jié)論

(1)一般在渠系的順直段安裝較為固定的斷面并在斷面上假設(shè)量水設(shè)備的固定探頭，越長(zhǎng)的順直河段其量水設(shè)備的精度越高，以15～20倍渠道寬度作為順直河段的長(zhǎng)度最為適宜，對(duì)于選取的大中型灌區(qū)而言，上游順直段長(zhǎng)度一般為渠道寬度的10倍，下游渠系順直段一般為渠道寬度的5倍，且上下游順直段之間不能有水閘、堰等過(guò)流阻擋物，從而可有效保證量水設(shè)備探頭安裝的穩(wěn)定性。

(2)多普勒明渠流量計(jì)更適合于0.4m的渠道；對(duì)于寬度在80cm以下的小渠道，當(dāng)正常放水水位比較穩(wěn)定在某一值附近時(shí)，流速傳感器安裝于正常水位位置附近。

(3)本文對(duì)灌區(qū)自動(dòng)量取設(shè)備的影響因素還未進(jìn)行深入探討，存在不足，在后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注自動(dòng)量取設(shè)備的影響因素，從而提高其計(jì)量的精準(zhǔn)性。