基于測電法的灌區農業取水口流量率定研究

王世界

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

近些年來，遼寧省對農業重點取水單位按照水利水資源國家監控建設能力項目要求陸續開展取用水監控點的建設，這其中測電法在近些年來農業取水用監測中應用較為成熟，其次為流量計和水位流量關系曲線推算方法[1]。在上述取用水量計量中由于測電方法安裝的設備維護較為方便，成為國內許多區域灌區農業取水口的主要方法[2-8]。測電法主要通過建立電量和水量之間的轉換關系，通過計量電量來實現水量的自動換算，因此測電法首先需要對灌區農業取水口的流量進行率定，得到灌區取水口的綜合出水系數和轉換公式[10]。當前，國內對于測電法在灌區農業取水口流量率定中得到一定的研究[10-15]，但這些研究成果均集中對中型灌區取水口流量率定的研究，而對于大型灌區的研究還較少，為提高大型灌區農業取水口計量的準確度。以沈陽兩座灌區為具體實例，采用測電法對各灌區農業取水口的綜合出水系數和轉換公式進行率定。研究成果對于大型灌區農業取水口水量自動計量具有重要的參考價值。

1 綜合出水系數率定

收集確定水泵、電機等參數，首先通過實測流量數據率定出相應灌區的水泵效率系數；根據該率定后的水泵效率系數，依據實測電量推算水量。具體推算方法如下：

(1)根據機組開機情況進行流量測驗，需要涵蓋不同機組開機時的取水流量情況。

(2)對各站點進行調查，收集水泵類型、水泵揚程、水泵功率、電機功率、抽水效率等參數。依據監測的水流、電流、電壓，應用以下公式進行水泵效率系數計算：

(1)

式中，Q—水泵流量，m3/s；η—水泵效率系數，%；N軸—水泵軸功率，kW；γ—水的密度，kg/m3；H—水泵揚程，m。

通過上述公式計算出水泵效率系數后，根據使用的電量，即可推算出時段水量。若采用觀測的電功率在實際灌溉用水計量中需對N軸進行直接代替，水密度取值為1000，通過綜合出水系數來確定水泵效率系數，對方程(1)進行簡化計算：

Q=αN/H

(2)

式中，α—率定的綜合出水系數。

本文將常數102和水泵效率系數作為綜合出水系數進行率定在不降低計算精度的基礎上對公式進行簡化計算。此外N軸不是電功率監測值，電功率監測值和水泵軸功率之間還未考慮電動機效率，對于取水機組水泵為一個電動機帶動時，其水泵的軸功率N軸首先用電功率轉化為電動機的效率，其取水功率再通過水泵的軸效率進行轉換計算，因此效率系數分別為水泵和電動機的效率。因此綜合率定系數不是對水泵效率進行率定，而是率定整個機組的水泵效率，因此在進行綜合出水系數率定時候容易出現電動機和水泵兩河系數的乘積。

此外公式(2)也可采用水量方法進行計算：

W水=αW電/H

(3)

式中，W水—水泵在計算時段內的出水量，m3；W電—用電量實際值，kW。

由于分析區域內的農灌灌區取水口大都為半封閉和封閉式的壓力水池，其揚程由于出水口水位很難準確觀測使得很難計算。因此在保證率定精度的基礎上對公式進行簡化，并結合灌區取水口實際情況考慮出水口不受揚程的變化綜合影響，水泵出水量和電量直接進行相關方程的建立，水泵出水量通過電量測定值和綜合系數率定值進行推算，計算方程為：

(4)

式中，α′—綜合出水系數率定值。在實際應用過程中將電功率值和流量實測值進行同步觀測，綜合出水系數α′按照以下公式進行率定計算：

Q=α′N

(5)

式中，綜合出水系數由率定的流量公式的系數計算值乘以3600s得到。

2 實例分析

2.1 灌區概況

以沈陽地區的石佛寺灌區、祝家堡灌區為具體實例，石佛寺灌區位于沈陽市北郊，遼河左岸，始建于1969年。灌區共有11臺提水機組，每年提水期為4—9月份，提水水源為遼河，主要用于農業灌溉。祝家堡灌區位于法庫縣依牛堡子鄉依牛堡子村，地處遼河平原。灌區共有5臺提水機組，設計灌溉面積8000hm2，有效灌溉面積3866.67hm2。每年提水期為4—9月份，提水水源為遼河石佛寺水庫，用于農業灌溉。

2.2 綜合出水系數率定

以沈陽地區農業灌區農業取水口為綜合出水系數率定實例，該區域內布設流量監測站點6個，各流量監測站點布設的有效測次在10～35次之間，在進行流量監測時，采用現場方式對流量測驗斷面進行查勘。對流量觀測和流量測次進行方案的制定。采用橋測或者船測方式對于跨橋布設的觀測點進行流量監測。對各農業取水口進口和出水口的高程進行引測，所有流量觀測斷面均進行大斷面數據的測量并對水尺高程進行引測。此外對測電系統電功率和電量以及灌區流量進行同步觀測，并對監測斷面進、出口水位進行同步觀測，為綜合出水系數率定奠定基礎。以石佛寺灌區其中2個流量監測點為具體實例，對其綜合系數率定過程進行分析，分析結果見表1—2。

表1 測電法在1#流量監測點綜合出水系數率定結果

表2 測電法在2#流量監測點綜合出水系數率定結果

從石佛寺灌區2個流量監測點的綜合出水系數率定結果可看出，2個流量監測點綜合出水系數率定值的均值分別為0.012和0.014，由于分析區域內的農灌灌區取水口大都為半封閉和封閉式的壓力水池，其揚程由于出水口水位很難準確觀測使得很難計算。因此在保證率定精度的基礎上對公式進行簡化，并結合灌區取水口實際情況考慮出水口不受揚程的變化綜合影響得到各流量監測點的綜合出水系數，其灌區取水口出水量不考慮水泵揚程的變化影響，因此得到各流量監測點的綜合出水系數具有一定的經驗性，應結合實際情況綜合考慮水泵揚程的變化影響，如果無法準確觀測出水口水位可以采用一固定數值進行適當選取，假定揚程為固定數值減去入水口的水位，在來對各取水口綜合出水系數進行率定。此外若水泵揚程和出水流量之間的變化差異程度較低時，可以將水泵揚程對綜合出水系數率定影響不予考慮。

2.3 綜合出水系數率定誤差統計

在綜合出水系數率定的基礎上，分別對石佛寺灌區和祝家堡灌區不同流量監測點的綜合出水系數率定誤差進行統計，統計結果分別見表3—4。

表3 石佛寺灌區各流量監測點綜合出水系數率定誤差統計結果

表4 祝家堡灌區各流量監測點綜合出水系數率定誤差統計結果

從石佛寺和祝家堡灌區測電法下各流量觀測點不同測次的綜合出水系數率定誤差統計結果可看出，其各測點不同流量測次下的誤差范圍均在±20%以內，誤差滿足規范許可要求，電量和流量測驗誤差是綜合出水系數率定誤差的主要原因，此外灌區取水口理論上受水泵揚程變化影響較為明顯，因此也一定程度加大了各灌區測電法下綜合出水系數率定的誤差值。通過建立綜合出水系數結合各取水口電量監測數據，即可對其全年用水量進行換算。

3 結論

(1)由于泵站提水灌溉使得排灌站運行期間有大量回水進入農田，因此在綜合出水系數率定時計算排灌站實際水量中要將此部分重復水量減去。在實際計算中，在總用水量中利用回水量監測值估算出水比例并進行折減得到實際提水量，此外這部分排水量在排澇年份也建議予以去除。

(2)流量測驗精度對于測電法下綜合出水系數率定影響較大，應盡量采用ADCP、橋測等流量精測方式提高測驗精度，從而降低綜合出水系數率定誤差。

(3)本文由于不考慮水泵揚程變化對綜合出水系數率定影響，存在不足，在后續研究中若無法準確觀測出水口水位，可建議假定水泵揚程為一固定數值減去入水口水位。