塔里木灌區量測水現狀及對策研究

張永威 周亞平 丁宏偉

(1.新疆生產建設兵團河湖與水文水資源中心,新疆 烏魯木齊 830002;2.水利部南京水利水文自動化研究所,江蘇 南京 210012;3.江蘇南水科技有限公司,江蘇 南京 210012)

《全國中型灌區續建配套與節水改造實施方案(2021—2022)》中明確提出,要加強現代信息技術應用,因地制宜建設集信息采集、目標控制和信息傳輸于一體的灌區信息基礎設施,提高信息采集和處理的準確性以及傳輸的時效性,提升灌區管理水平;要加強灌區量測水設施建設,提高工程計量率和水資源監督管理能力。

水位、流量是水文監測的關鍵要素,傳統的流量監測方法是利用水尺讀取水位,流速儀讀取流速,結合斷面形狀計算過水流量[4]。傳統方法雖然簡單可行,但工作量大、連續性差、數據量小且精度易受人為因素影響[5]。在全球氣候變化加劇、極端天氣增多及最嚴格水資源管理制度的背景下,傳統方法已無法滿足水文監測與大數據分析的需求。為了減少人工觀測水文要素的工作強度以及提高監測的精確度,近年來,西北地區逐步引進了各種水文自動化監測設備,其中雷達水位計、一體化超聲波水位計、雷達流量計、超聲波時差法流量計的應用最為普遍。本文圍繞以上4種設備,通過分析其監測原理及其在塔里木灌區的應用現狀,討論量測水技術在西北農業灌區應用中的注意事項。

1 監測原理

量測水是最嚴格水資源管理制度、灌區節水、農業水價改革及灌區信息化建設的基礎,通常量測水方式主要有水工建筑物量水、堰槽量水及儀器儀表量水,其中儀器儀表量水方式使用最多。根據設備的監測原理,儀器儀表量水設備又有多種類型,如雷達水位計、一體化超聲波水位計、陶瓷壓力式水位計、氣泡水位計、雷達波流速儀、旋槳流速儀、雷達流量計、超聲波時差法流量計、ADCP流量計等。設備的監測原理分析是研究誤差來源、性能指標優化及產品升級的基礎,由于超聲波與微波在惡劣天氣條件下的適應性強、受溫度粉塵等影響小,且硬件成本相對不高[6],因此以超聲波技術與微波技術為核心的監測設備被廣泛應用于水文監測中。塔里木灌區量測水工作中最常用的設備為雷達水位計、一體化超聲波水位計、雷達流量計、超聲波時差法流量計,其監測原理如下。

1.1 雷達水位計

雷達水位計采用微波技術進行水位監測,不受大氣溫度、壓強、空氣密度、風、降水、相對濕度及水中漂浮物、雜草等影響,具有極高的精度和穩定性,因此應用廣泛。雷達水位傳感器天線垂直向水面發射雷達脈沖,然后接收從水面反射回來的脈沖,并記錄時間T,由于雷達波屬于電磁波,其傳播速度C為常數,利用公式D=CT/2計算出雷達水位計到水面的距離D,見圖1。

圖1 雷達水位計監測原理

雷達水位計到水面的距離為

當前水位(水面到渠底距離)為

式中:D為雷達水位計到水面的距離,m;C為雷達波速,m/s;T為雷達波發射回收時間,s;H為雷達水位計到渠底的距離,m;h為當前水位,m。

1.2 一體化超聲波水位計

一體化超聲波水位計是一種高精度、低功耗的水位監測設備,可實現采集、計算、遠程無線數據傳輸、鋰電池供電等一體化,在灌區渠道水位的在線自動監測中被廣泛應用。一體化超聲波水位計的監測原理與雷達水位計相似,均采用脈沖往返記時的方式計算水位。采用測橋或安裝支架將超聲波水位計垂直安裝在水體上方,向水面發出一個超聲波脈沖,隨后接收到從水面反射回的信號,信號經過變送器電路的選擇和處理,根據超聲波水位計發出到接收超聲波的時間差T,計算出超聲波水位計到水面的距離D,見圖2。

圖2 一體化超聲波水位計監測原理

超聲波水位計到水面的距離為

當前水位(水面到渠底距離)為

式中:D為超聲波水位計到水面的距離,m;V為超聲波在空氣中傳播的波速,m/s;T為超聲波發出到接收的時間,s;H為超聲波水位計到渠底的距離,m;h為當前水位,m。

1.3 雷達流量計

雷達流量計內置雷達水位計和雷達流速儀,雷達流速儀可采用多普勒原理測出水流表面流速并換算成斷面平均流速V,雷達水位計測量計算出水位h,預先在控制器設置渠道參數,控制器可以根據水位自動換算出過流面積S,然后可計算出過流斷面的瞬時流量Q(見圖3),并且建立水位-流量關系曲線,便于測定不同水位時的過水流量[7]。微波雷達不受溫度梯度、壓力、空氣密度、風和其他氣象環境條件的影響,可全天穩定工作。

圖3 雷達流量計測流原理

斷面過水流量為

斷面平均流速為

式中:Q為斷面過水流量,m3/s;Vm為斷面平均流速,m/s;V為表面流速,m/s;K為折算系數;S為斷面過水面積,m2,由斷面形狀及水位h共同確定。

1.4 超聲波時差法流量計

超聲波時差法流量計集超聲波流速傳感器與各種水位計于一體,利用超聲波脈沖在流體中通過順流與逆流傳播的時間來測量不同水層的流速v,利用水位計監測水位h,結合超聲波傳感器安裝位置來計算各層過水面積A;某水層流速Vi與面積Ai的乘積為該層水體的流量Qi,將每層水體的流量求和即為過水斷面的瞬時流量Q,并且建立水位-流量關系曲線,便于測定不同水位時的過水流量。具體測流原理見圖4。

圖4 超聲波時差法流量計測流原理

順流:

逆流:

表層:

中層:

底層:

式中:T1、T2為順流、逆流時超聲波傳播時間,s;L為同一層流速傳感器的間距,m;C為超聲波在靜水中的傳播速度,m/s;v為某一層水流的平均速度,m/s;v1為v在斜方向的分速度,m/s;θ為同一層流速傳感器的斜角,(°);Q為過水斷面瞬時流量,m3/s;V1、Vi、Vn分別為最低、中間及最高流速傳感器水流的平均速度,m/s;Ai為第i與i+1個流速傳感器間的過水面積,m2;At、Am、Ab為上、中、下層水體過水面積,m2;Vt、Vm、Vb為表、中、底層水體瞬時流速,m/s;Qt、Qm、Qb為上、中、下層水體瞬時流速,m3/s;Kt、Kb為頂、底層流速內插系數,一般取0.1、0.5。

2 灌區量測水設備應用情況

2.1 灌區介紹

塔里木灌區位于塔里木盆地東北部、塔里木河下游,地勢平坦,海拔大部分在855m以下,西高東低,南高北低,主要由河流沖積平原以及大片風蝕地組成。灌區西南為著名的塔克拉瑪干沙漠,東北為庫魯克沙漠,屬大陸性荒漠氣候,年平均氣溫為10.8℃,年均降水量為34.7mm,平均年蒸發量為2408.6mm。該灌區是沿塔里木河所建的狹長灌區,全長180 km、總面積2207.69km2,是塔里木河下游段“綠色走廊”的重要組成部分[8]。近年來,塔里木灌區大量開展量測水設備推廣應用,見圖5。

圖5 塔里木灌區主要量測水設備現場情況

2.2 設備應用情況

本文選擇雷達水位計、一體化超聲波水位計、雷達流量計、超聲波時差法流量計4種量測水設備對應的12個站點來分析說明其應用效果,見表1。經過多年的應用與完善,目前塔里木灌區推廣應用的4種量測水設備運行穩定通暢、數據傳輸及時且測量精度較高。參照《水位觀測標準》(GB/T 50138—2010)及《灌溉渠道系統量水規范》(GB/T 21303—2017)等規范,通過比測率定發現誤差均滿足規范要求。

表1 量測水設備應用現狀

2.3 存在的問題

塔里木灌區的雷達水位計、一體化超聲波水位計、雷達流量計、超聲波時差法流量計等量測水設備運行穩定通暢、數據傳輸及時且測量精度較高,但也存在一定的問題。

a.監測條件破壞、設備功能降低。站點斷面渠道沉降變形或塌陷、泥沙淤積、枯枝落葉聚集等造成斷面形狀變化;站點基礎變形、立桿與橫桿彎曲等造成監測設備傾斜;設備老化造成監測功能下降。

b.設備及網絡系統運行維護效率不高。管理人員及配水人員知識面廣度、學習新知識的能力不足,以及工作調動等造成量測水設備、網絡系統運維效率低下、水資源科學調度不合理。

c.業務交流與數據共享較少。各部門間業務交流與數據共享較少,造成灌區需水與渠系供水能力不匹配、工作難度增大、數據質量不高等問題。

3 思考與對策

3.1 加大資金投入用于監測斷面維修、渠道清淤、老舊設備矯正更換及定期比測

在落實新時期治水思路、最嚴格水資源管理制度及水價改革倒逼農業節水等背景下,對灌區量測水工作提出了更高的要求。面對目前塔里木灌區存在的問題,應積極借助國家高標準農田建設及大中型灌區續建配套節水改造項目,加大資金投入,進行破舊渠段補修及土渠襯砌,重視配水閘門與田間灌溉系統漏水檢修與維護;特別要加強站點監測斷面的維修,泥沙與枯枝落葉的清理,站點立桿、橫桿及老舊設備的矯正、更換及定期比測。既保證斷面形態穩定不變,又保證量測設備性能良好,從而保障量測水的精確度。

3.2 加強復合型人才和團隊的培養

塔里木灌區的管理人員通常具有水利水文和農田水利的專業背景,或多年基層水利系統工作經驗,但對傳感器、自動化監測、信息技術與軟件工程等接觸較少;而從事監測設備運維及軟件系統開發的工作人員在農田水利、水文水資源規劃等方面沒有系統的學習,雙方溝通效率不高。量測水系統作為灌區信息化的基礎,是一項水利、水文、自動化、測控、軟件及農業等多學科交叉融合的工作。為滿足灌區信息化建設的發展要求,相關部門應該積極主動培養融會水利、水文、自動化、測控、軟件及農業等多學科知識的復合型人才,從而解決人才稀缺問題,或者將已有的各專業工作人員組建成團隊,平時加強團隊業務交流學習,并將配合度和工作完成效果作為團隊和個人的考核指標,提高工作效率。

3.3 完善管理制度、重視部門間業務交流與數據共享

制定完善的管理制度,是做好工作的有利保障,制度約束可以減少外界因素對量測水精度及水資源調配的影響。管理部門應加強與農業節水灌溉部門及灌區水資源調配部門之間的業務交流與數據共享,形成合作機制。負責農業節水灌溉的部門可根據農民灌水習慣與用水定額,制定灌溉需水量及灌溉制度;負責灌區水資源調配的部門可根據渠系輸水能力和農業節水灌溉部門制定的灌溉制度與灌溉需水量,制定出科學的配水方案,從而為閘控配水與閘后量測水提供依據。將相關人員的工作態度、廉潔自律、灌區量測水精度及農戶節水意識等納入考核及人才選拔要求,從而保障水資源的合理利用,增強農民公平感,提高農民節水意識。

4 結 語

量測水是最嚴格水資源管理制度、灌區節水、農業水價改革及灌區信息化建設的基礎,因此,應高度重視灌區量測水工作,加大資金投入用于監測斷面的維修、渠道清淤、老舊量測水設備的矯正、更換及定期比測,保證量測水的精確度。同時,加強人才和團隊的培養,打造一支既懂水利、水文、農田水利,又懂自動化、測控、軟件的高水平隊伍,為數字灌區、智慧灌區、孿生灌區等做好人才儲備,從而更好地推進灌區智慧化及農業現代化發展。加強完善管理制度、重視部門間業務交流與數據共享,相互配合、共同做好灌區量測水及水資源優化配置工作,保障灌區節水與作物產量的平衡發展。■