新疆喀什市灌區自動化測流設備選型

郭星辰，馬合木江·艾合買提，3，陶洪飛

（1.新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆喀什市水利局,新疆 喀什 844000）

0 引言

水資源對于人類來說至關重要,是人類賴以生存和發展的必備資源,在全國用水的各個方面,農業用水所占比例最大,農業用水量占全國總用水量的60%,因此合理地管控農業用水是節約淡水資源的重要途徑[1]。目前農業的灌溉設施有很多,但是缺乏配套的量水設施,而且大部分地區的量水設施較為陳舊,自動化程度低,量測效率低下。人工測量水量流量數據缺乏時效性,不能迅速掌握水量信息,從而造成某一時間段水量數據的缺失,造成水資源的浪費,達不到快速計量、高效管理的要求[2]。

新疆喀什市位于我國的西北部,是典型的大陸性干旱氣候,光照長、蒸發量大、水資源缺乏,所以推動節水型農業灌溉、選擇適合該地區的自動化測流設備至關重要。本文對比市面上應用較為廣泛的幾種量測水設備,結合灌區當地的實際情況為喀什市灌區選擇合適的自動化測流設備,并應用在喀什市灌區之中,對推進喀什市灌區水利信息化的發展具有重要意義。

1 喀什地區灌區情況介紹

通過多年的農田水利基本建設,喀什市已建成干、支、斗渠共634.673 km,其中干渠5 條,支渠42 條,斗渠448 條,主要渠道破損較為嚴重,防滲覆蓋率較低,具體情況見表1。喀什市屬喀什噶爾河流域沖積平原,轄8 個街道、2 鎮、9 鄉,總灌溉面積59.6 萬畝,其中農民30 年承包地及地表水供水范圍的村集體地37.11 萬畝,國有土地22.49 萬畝。

表1 喀什市干、支、斗渠情況表

2 自動化量測水設備選型

2.1 自動化量測水設備介紹

隨著科學技術的發展,計算機網絡更為完善,數據的傳輸與處理更加便捷,灌區自動化、信息化量測成為灌區量測水的趨勢。市面上的自動化量測水設備有很多種,性能穩定且在灌區應用較多的主要有電磁式全渠寬測流設備、雷達表面測流設備、超聲多層時差法測流設備、多普勒超聲波測流設備、一體化超聲波水位計設備 、堰槽測流設備六種,其中前四種測流設備是利用流速面積法進行測流,后兩種測流設備是通過水力學方法（水位～流量關系法）進行測流[3-4]。本研究將從多個方面進行對比,為喀什灌區干渠、支渠、斗渠選擇合適的測流設備。以下內容中將以簡寫名稱代替測流設備全稱。

2.2 測流設備方案比選

本文從測量范圍、安裝方式、外界影響、適用場景、建設成本、維護頻次等方面做明渠測流設備的整體比選,結果見表2。

表2 渠道測量方案總體比選表

新疆喀什市灌區干渠、支渠和斗渠道的水情情況如下：

（1）干渠的水情

喀什灌區干渠一般水位較高、水面較寬；流速一般；渠道淤積情況嚴重；渠道漂浮物較多、泥沙含量較大。

由于干渠渠道一般較寬且水位較高,無法采用電磁式全渠寬測流設備、堰槽法測流設備、一體化超聲波水位計設備。雷達表面測流設備適用于渠道寬度較寬的渠道,測量的表面流速需要轉化才能求出斷面平均流速,所以安裝渠道深度不宜太大；渠道內常年存水,無法安裝超聲多層時差法、多普勒測流法等測流設備,綜合測流精度、建設成本及日常維護等方面的影響,在干渠選擇非接觸式安裝的雷達表面測流設備較為合適。

（2）支渠的水情

喀什灌區支渠水位高度一般在2 m 范圍內、水面寬度一般,基本在3 m 范圍內；流速較快；渠道淤積情況較輕；渠道漂浮物較多、泥沙含量較輕。

由于支渠渠道一般寬度較干渠小很多,當地干渠的寬度跨度約在2 m以上,若采用水工建筑法、堰槽法測流設備方法,土建實施工程量較大,同時容易造成渠道阻水現象的發生。當地支渠一般不存在長年存水情況的發生,可根據渠道的具體寬度與沉積情況選用雷達表面測流設備、超聲多層時差法測流設備。

（3）斗渠的水情

水位高度通常在 1 m 范圍內、水面寬度一般,基本在1.5 m范圍內；流速較快；渠道淤積情況較輕；渠道漂浮物較多、泥沙含量較輕。由于斗渠寬度較小,除了雷達表面測流設備不合適外,其他測流設備基本都能滿足測流需求。

針對以上信息繪制水情因素設備比選見表3。

表3 水情因素設備比選

喀什市渠道水質較差,含沙量較高,不適用于堰槽測流等測流設備,綜上所述在英吾斯坦鄉阿克喀什干渠等51 處干渠和支渠選用雷達表面測流設備；祖努阿吉等28 處斗渠選用電磁式全渠寬測流設備,見圖1。

圖1 電磁式全渠寬測流設備、雷達表面測流設備現場圖

2.3 測流精度對比

為驗證電磁式全渠寬測流設備、雷達表面測流設備的測流精度,通過在喀什灌區實地人工率定對比自動化測流設備精度。人工量測采用轉子式流速儀進行流速測驗,采用施測相對水深0.6 倍位置的流速,垂線布設視渠寬而定,垂線條數按照取水計量技術導則（GB/T 21303-017）布設,水深測量每份流量采用實測水深。單次流量測驗完成后立即根據收集的水位、斷面、流速數據計算出流量成果,通過控制上游節制閘、分流閘等形式,調節流量的大小。

在已搭建自動化測點中隨機選取兩個,圖2（a）反映了電磁式全渠寬測流設備和人工測流方式所測得同時段的水位-流量關系變化過程（皮合森取水口）；圖2（b）反映了雷達表面測流設備和人工測流方式所測得同時段的水位～流量關系變化過程（祖努阿吉分水閘）。電磁式全渠寬測流設備和雷達表面測流設備兩者與人工測量所得水位一流量折線關系整體趨勢基本一致,前者最大誤差9.88%,平均誤差4.77%；后者最大誤差7.14%,平均誤差4.66%。

圖2 自動化測流設備和人工測流方式水位～流量關系對比圖

3 測流誤差分析

（1）測量環境的區別：前人自動化設備的測流試驗是在實驗室進行的,實驗室的渠道規整,經過穩流箱穩流后的水流流態穩定,具有很好的量測效果；喀什灌區的渠道雖然經過修整,但是局部渠道仍不平整,且不可控因素很多,流態較為復雜。

（2）人工率定方式的原因：人工率定是進行多點位的平均計算對流態進行校正,自動化設備直接進行測量出來的水流信息和人工校正過后的存在一定差別。

（3）由于自然界的水流信息具有脈動性,如果刻板的將上文兩者的數據的誤差作為判斷依據是不合理的,我們可以利用水位～流量關系曲線的相關趨勢進行分析[5]。兩種測流方式的流量測量都會利用到過水面積信息,面積的差異會干擾到最后的測流結果。從圖2 可以看出自動化測流設備和人工測量的水位流量關系曲線接近,而最大誤差不超過10%,說明兩種自動化流量監測設備運行穩定,數據真實可靠。

4 結論

本研究針對新疆喀什市灌區量測水效率低下、測流精度低等問題,選出兩種分別應用在干渠、支渠和斗渠的自動化測流設備,主要結論如下：

（1）通過理論分析各種自動化測流設備的特點和適用情況,結合新疆喀什灌區渠道水質較差,含沙量較高的特點,在決定在干、支渠選用雷達表面測流設備,斗渠選用電磁式全渠寬測流設備。

（2）在實地安裝測量,與人工測量方式對比之后,對誤差進行分析,發現兩種非接觸式自動化測流設備和人工測量的水位流量關系曲線接近,最大誤差不超過10%,兩種自動化測流設備穩定可靠。