新疆博斯騰下游灌區(qū)明渠量水方式選擇及敏感要素分析

山巴依爾，王靜茹

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 庫爾勒 841000；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

博斯騰灌區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，地處開都河、孔雀河流域平原區(qū)，規(guī)劃灌溉面積 260萬畝，是自治區(qū)商品糧和優(yōu)質(zhì)棉基地。庫塔干渠位于博斯騰灌區(qū)下游，行政單位隸屬于塔里木河流域巴音郭楞管理局，現(xiàn)狀年控制灌溉面積43.75萬畝。主要承擔(dān)庫爾勒市、尉犁縣的農(nóng)業(yè)灌溉用水任務(wù)和向農(nóng)二師塔墾區(qū)、西尼爾水庫輸水及塔河下游輸送生態(tài)水的任務(wù)。1998年開始冬季輸水任務(wù)。

庫塔總干渠自孔雀河第一分水樞紐引水，末端分為兩支渠道，一支為西干渠，一支為希尼爾水庫進水渠，庫塔總干渠水進入希尼爾水庫后經(jīng)過放水閘進入東干渠。總干渠長19.246 km，設(shè)計流量35～40 m3/s，西干渠長38 km，設(shè)計流量15～23 m3/s，庫塔東干渠長43.46 km，設(shè)計流量25 m3/s。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(GB50600-2010)確定，庫塔總干渠改造段工程規(guī)模為大型，渠道及主要建筑物工程級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為4級。

1 量水方法選取

1.1 灌區(qū)量水特點

博斯騰灌區(qū)下游灌區(qū)位于孔雀河沖洪積平原區(qū)，地勢自西北向東南傾斜，地形由陡趨向平緩，地面高程為950～880 m，地面坡度為2.3‰～0.5‰。

新疆南疆地區(qū)的水資源特點是降雨量少、蒸發(fā)量大，存在嚴(yán)重的水資源短缺問題。孔雀河是開都河匯入博斯騰湖，經(jīng)博斯騰湖調(diào)節(jié)后出流，因博斯騰湖的沉淀作用，除洪水期哈滿溝洪水匯入帶進一些泥沙外，其余時段水質(zhì)清澈，含沙量少。

1.2 常用量水方法

目前用于灌區(qū)的常用量水方法包括水工建筑物量水(包括閘門、跌水、渡槽、倒虹吸等)、特設(shè)量水設(shè)備量水(包括簡易量水檻、無喉道量水槽、長喉道量水槽、巴歇爾量水槽等)、流速儀量水、標(biāo)準(zhǔn)斷面量水以及專用量水儀器等。

水工建筑物量水經(jīng)濟、方便但不夠精確，適用于含沙量小的渠道；特設(shè)量水設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，量測小流量時精度較高，但需要額外水頭；流速儀量水適用性廣、方法正確時較準(zhǔn)確，但比較耗時；標(biāo)準(zhǔn)斷面量水成本低，水頭損失小，但對斷面要求較高；儀表類流量計量水最精確，但價格較貴，對灌溉水質(zhì)有一定要求[1-3]。

可見不同的量水方法適用性、水頭損失、通過泥沙能力、自動化程度、運行管理要求、率定要求等各不相同，針對不同的渠道特點及測流要求，選擇考慮的要素及方案千差萬別。

1.3 灌區(qū)量水方法選取

庫塔總干渠自孔雀河第一分水樞紐引水，目前常用量水方法包括水工建筑物量水、流速儀量水。在沒有設(shè)置進水涵閘的渠段測流時，可考慮量水槽量水[4](見圖1)。其中長喉道量水槽具有水流非阻流性的特點，量測范圍廣泛，適用于各級灌溉渠道的流量量測，具有水頭損失小，精確度較高的特點。

超聲波流量計測流直觀簡便，高精度，水頭損失小，基本不需要現(xiàn)場率定。它的缺點也比較明顯，初始建設(shè)成本和維修成本比較高。而對于大型渠道，量水設(shè)備的建設(shè)成本相對渠道的建設(shè)成本較低，因此在灌區(qū)可承受范圍之內(nèi)。

因此根據(jù)氣候條件、渠道的特性、水質(zhì)要求、建設(shè)施工要求、量測水人員的準(zhǔn)確操作程度等原因考慮，選取長喉槽和超聲波流量計進行比對。

2 量水方案對比

已知總干渠上有矩形斷面和梯形斷面兩種斷面，同時為使量水設(shè)備的選擇能為庫塔干渠灌區(qū)提供可行性建議，需要同時考慮大流量工況和小流量工況，因此從總干渠選擇①0+350～0+820渠段、②10+700～10+950渠段，從西干渠選擇③金鹿閘渠段進行比對。

2.1 總干渠量水方案

2.1.1 典型渠段1

0+350～0+820渠段底寬4 m，邊坡為1∶1.5，設(shè)計流量35 m3/s，設(shè)計水深1.95 m，加大2.09 m，設(shè)計的渠深2.98 m，測流范圍為0.7～35 m3/s。

1)長喉槽。長喉槽實際上是一種改進型的寬頂堰。一般來說主要由行進渠道段、收縮段、控制段、擴散段和尾水渠段五部分組成。在行進渠道段設(shè)計一個水位觀測站，測堰頂水頭h1，由上游水位代入長喉槽流量公式就可計算得對應(yīng)流量(見表1)。

圖1 量水槽平面布置圖

表1 長喉槽尺寸表 m

2)超聲波流量計。超聲波流量計主要由超聲波換能器和帶微處理器的二次儀器組成。超聲波在流動的流體中傳播時，可以載上流體流速的信息，因而通過接收穿過流體的超聲波就可以監(jiān)測處流體的流速，從而轉(zhuǎn)換成為流量。超聲波測流方法主要有傳播時間差法(時差法、相位差法、頻差法)、波束偏移法、多普勒法等。

其中比較常用的是時差法和多普勒法。時差法超聲波流量計只能用于清潔液體和氣體，多普勒法超聲波流量計主要適用于含有固體顆粒或雜質(zhì)的流體的計量。多普勒流量計誤差大于時差式超聲波流量計且時差法使用較為普遍。考慮到庫塔干渠水質(zhì)較為清澈，泥沙含量較少，因此選取時差法測流的UF-911多聲路超聲波流量計。

由于總干渠渠底寬不超15 m，根據(jù)換能器及水位計選配原則，UF-911流量計采用2聲路布置，投入式水位計，換能器頻率為1 MHz , 選擇直段超過20倍渠寬的位置安裝[5]。其設(shè)備配置見表2。

表2 干渠設(shè)備配置表

3)兩種方案對比。長喉槽和超聲波流量計兩種量水方法在建設(shè)成本、優(yōu)缺點等方面對比如表3所示。

表3 兩種量水方法對比表

2.1.2 典型渠段2

總干渠10+700～10+950段渠道為矩形斷面，底寬為16 m，渠深2.3～3.15 m，渠底采用12 cm厚C20F200W6現(xiàn)澆混凝土板襯砌，兩側(cè)邊墻采用現(xiàn)澆混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)。總干渠的矩形斷面和梯形斷面渠道的流量變化不大，也可根據(jù)①的比對方法以此類推。

2.2 西干渠量水方案

西干渠上選取的典型渠段為金鹿閘處，與取水口距離39 km，有電子水情監(jiān)測設(shè)施，設(shè)計流量為13 m3/s，底寬3.3 m、渠深2.05 m，邊坡為1∶1.5。測流范圍為0.3～13 m3/s。

與總干渠相同，選取長喉槽、超聲波流量計進行比對。設(shè)計的長喉槽尺寸如表4所示。

表4 長喉槽尺寸表 m

與總干渠相同，超聲波流量計同樣選取UF-911多聲路超聲波流量計。

計算出長喉槽建設(shè)費用約為0.3萬元，對水位計的維護費用需每三年花費1.2萬元率定一次；超聲波流量計總共只需要17.5萬元的建設(shè)成本，其中14萬設(shè)備費用，3.5萬安裝費用。

2.3 灌區(qū)量水方案確定

庫塔干渠總干渠、金鹿閘西干渠是開放式明渠，其量水方法的選擇考慮了水工建筑物、巴歇爾槽、流速儀、長喉槽、超聲波流量計等。考慮到灌區(qū)地形由陡趨向平緩，水質(zhì)清澈，含沙量少等原因，主要選擇長喉槽和UF-911多聲路超聲波流量計進行了對比。

大流量工況下(即總干渠)用長喉槽測流水頭損失比較大，可達(dá)到0.5 m以上，建設(shè)成本較小，但后期定期率定需要額外的費用；而超聲波流量計雖然建設(shè)成本比較高，共需要17.5萬元(其中14萬設(shè)備費用，3.5萬安裝費用)，但后期基本不需要維護費用，且?guī)缀鯖]有水頭損失，因此建議在大流量工況下的總干渠渠段選用超聲波流量計。

小流量工況下(即西干渠)，用長喉槽測流水頭損失約0.2 m，建設(shè)成本只需約0.3萬元，定期率定需每三年花費1.2萬元。相比超聲波流量計花費較少，且相對總干渠對水頭損失要求沒有太高時考慮選用長喉槽測流。

因此，本灌區(qū)在選擇量水方法時，要考慮所選渠段的流量工況、選取的量水設(shè)備造成的水頭損失、建設(shè)成本以及運行成本，同時考慮到本灌區(qū)混凝土襯砌易發(fā)生凍融破壞，在襯砌表面鋪設(shè)土工膜[6-7]。即本灌區(qū)選擇量水方法的敏感因素有地形、流量、水頭損失、成本等。

3 結(jié) 語

1)在庫塔干渠灌區(qū)總干渠上選擇量水方法時，考慮到盡可能減小水頭損失，建議選擇超聲波流量計測流。

2)在庫塔干渠灌區(qū)西干渠上選擇量水方法時，主要考慮量水設(shè)備的建設(shè)成本和運行成本，建議采用長喉槽測流。

3)在總干渠和西干渠量水方法選擇上主要考慮了地形、流量、水頭損失、成本等敏感因素，在本灌區(qū)其他渠道上以及類似灌區(qū)量水設(shè)備的選用也要考慮這些敏感因素。