农业灌区渠首计量设施调研与分析

任庆海，马 辉，董自立

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 水利部水文局（信息中心），北京 100053；4. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

农业灌区渠首计量设施调研与分析

任庆海1,2，马 辉3，董自立4

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；
2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；
3. 水利部水文局（信息中心），北京 100053；
4. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

基于国家水资源监控能力建设项目，对全国重点中型以上地表水源灌区渠首计量设施现状的调研，对调研结果进行初步统计与分析，对可用于灌区渠首明渠型和管道型输水方式的各种在线流量计量设施进行详细地分类比选与分析。为国家水资源监控能力建设项目下一步开展灌区渠首计量设施设计与安装工作提供参考。

国家水资源监控能力建设；农业灌区；渠首计量；调研；在线流量监测

0 引言

伴随着国家水资源监控能力建设项目的执行，全国将完成对占全部颁证许可取用水总量 70% 以上的重点用水大户取用水的监测或计量。主要包括地表取水年许可取水量在 300 万m3以上、地下取水年许可取水量在 50 万m3以上的集中取用水大户[1]。为支撑实行最严格水资源管理制度，进一步提高取用水监控水平，下一步需要将主要的农业灌溉用水大户也纳入到取用水监控体系中来。为全面掌握全国重点中型以上地表水源灌区渠首分布和计量设施的安装及运行情况，国家水资源监控能力建设项目办公室组织各省（自治区、直辖市）对辖区内的重点中型以上以地表水为主要水源的灌区（重点中型以上灌区是指设计灌溉面积≥ 3 333 hm2的灌区）渠首现有计量设施安装及运行情况进行了调查，以利于指导下一步开展灌区渠首计量设计与安装工作。

1 灌区渠首情况汇总分析

根据各省（自治区，直辖市）调查汇总初步统计，全国重点中型以上地表水源灌区共计 2 200 余个，灌区渠首（引水口门）共计 7 000 余处，其中提水灌溉型灌区占29.6%，引流灌溉型灌区占 70.4%。目前在灌区渠首已装有计量设备且数据具备输出上传条件的灌区仅占总数量的 3.2%。因此，国家水资源监控能力建设项目若要实现全国重点中型以上地表水源灌区的取用水的监控，还需要在灌区渠首安装大量的计量设施。

2 灌区渠首计量设施情况汇总分析

地表水源灌区渠首按照取水方式不同，概括为蓄水工程（湖库）、引水工程（河道）取水及提水工程（泵站）提水 3 类；灌区渠首按照输水方式不同，分为渠道和管道 2 种输水方式[2]。根据各省调查汇总初步统计，在灌区渠首尚未安装计量设施的灌区中，渠道型输水方式约占 70%，管道型输水方式约占 30%。

针对不同的取水和输水方式，可选择的监测方式也有所不同。通常情况下，对于灌区渠首为渠道输水方式的应采用明渠（河道）型流量自动监测设备；对于管道输水方式的应采用管道型流量自动监测设备；对于部分泵站提水工程，如果出水口管道埋入地下比较深，或难以安装管道流量自动监测设备，亦可以根据泵站机组特性曲线推算流量，此种情况下只要监测泵站机组的功率，通过泵站效率曲线推算提水流量，但此种方法取得的流量精度较低，仅适合在难以采用其他监测方式时使用。

3 明渠流量自动监测设备选型分析

目前常用的明渠（河道）在线流量监测的方法主要有以下几种[3]：

1）超声波时差法。超声波时差法是利用超声波换能器测量 2 个换能器之间超声波传播的历时差实时监测流体流速的，进而计算明渠渠道的过水流量[4]。

2）H-ADCP 法。H-ADCP 是水平式声学多普勒流速剖面仪，是利用声学多普勒流速剖面仪测量水体中颗粒物的运动速度，以其代表流层的流速，进而推算得到断面流量[5]。

3）水工建筑物测流法。水工建筑物测流法是利用河、渠、湖、库上已有的水工泄水建筑物，通过实测水头（水头差）、闸门开启高度等水力因素，经率定分析或利用经验公式确定流量或效率系数，用水力学公式计算流量的一种测流方法。

4）比降面积法。比降面积法是根据选定的比降观测渠段的断面平均面积和水面比降，以及根据渠段特征、渠道衬砌的糙率等常用的经验公式推算流量[6]。

5）堰槽法。堰槽法是采用专门制造或现场制作的测流堰槽，根据过堰水流的水位，通过水力学公式计算出通过堰槽的流量。

可用于明渠（河道）在线流量监测的各类方法具体应用场景及比选情况如表 1 所示。

根据各种明渠在线流量监测方法的比选可知，超声波时差法和 H-ADCP 法的测验精度相对较高，但前期投资和后期维护的费用相对较高；水工建筑物测流法、比降面积法和堰槽法的前期投资较小，后期维护方便，费用较低，但堰槽法的适用场景相对受限。

综合我国当前经济发展水平和农业灌区管理现状，对农业地表水源灌区渠首明渠方式的取水口计量设施进行方案设计时，在对取用水计量精度要求不是很高的情况下，建议对具备适用场景的灌区渠首计量尽量选用水工建筑物测流法或比降面积法。2 种测流方法对项目投资要求较少，且配套设施简单，安装方便，后期运维费用较低，维护相对简单，对系统维护人员的技能要求相对较低，有利于灌区管理单位长久使用和运维。而且对于间歇性供水特征更加突出的北方灌区，需要在较长的非灌溉期将计量设施拆回保管，这 2 种方法由于传感器相对简单，易于管理单位的养护和拆装。当然在有较好土建配套建设条件的地方，堰槽法测流可获得更高的测验精度。

4 管道流量自动监测设备选型分析

目前常见的管道在线流量监测传感器主要有以下几种：

1）声学时差法管道流量计。声学时差法管道流量计是利用超声波换能器测量 2 个换能器之间超声波传播的时间差测量流量的仪表。

2）声学多普勒管道流量计。声学多普勒管道流量计和时差法管道流量计均属于超声波管道流量计。声学多普勒管道流量计应用多普勒原理测量管道内的流速分布，由测得流速推求管道内平均流速，再根据管道内径推算流量[7]。

3）电磁管道流量计。电磁管道流量计应用法拉第电磁感应原理测量管道中水流平均速度，由管道内径推算流量。

4）电子远传水表。电子远传水表是在冷水水表（基表）的基础上，增加水流量信号的机电转换和信号处理单元，构成电子远传水表。具有数据与信息存储、信号远传传输等功能，可用于水量的自动监测。

5）涡街流量计。涡街流量计是根据卡门涡街的流体振荡原理，通过测量旋涡频率计算出流过旋涡发生体的流体的平均速度，进而根据管道内径计算流量。

可用于管道在线流量监测的各类传感器具体应用场景及比选情况如表 2 所示。

根据各种用于管道的在线测流传感器的应用场景比选，可得到以下结论：

1）在小管径测流中，尽管涡街流量计测量范围宽且有较高测量精度，但是对安装现场的环境要求比较苛刻，而农业灌区的水中杂质较多，时常会夹带水草，因此不适用于农业灌区的管道测流。

2）对于农业灌区渠首涵管方式的取水口，当管道直径＜ 300 mm 时，宜采用电子远传水表测流；当管道直径＞ 300 mm 时，宜采用电磁或超声波流量计测流[8]。

表1 明渠在线流量监测方法应用场景及比选情况表

表2 管道在线流量监测方法应用场景及比选情况表

3）在对农业地表水源灌区渠首涵管方式的取水口计量设施做方案设计时，对于项目投资较少，涵管直径较大，且对测量准确度要求不高的情况，建议使用超声波流量计；在安装、维护资金充足，对测量准确度要求较高的情况，建议采用电磁流量计。

4）对于一些建设年代比较早的灌区，涵管的管道老旧、结垢、材质疏松、导声不良，或者锈蚀严重，会存在衬里和管道内空间有间隙等情况，如果采用外夹式超声波流量计测量，会导致超声波信号衰减严重，将无法正常测量；而管段式或插入式超声波流量计相比外夹式超声波流量计的测量精度和稳定性更高，因此，建议采用管段式或插入式超声波流量计。

5 结语

通过对全国重点中型以上地表水灌区进行的调研分析，初步掌握了目前全国各省（自治区、直辖市）重点中型以上地表水灌区渠首的计量现状，可为国家水资源监控能力建设项目进一步针对全国重点中型以上地表水灌区渠首计量设施的设计工作提供有力的数据支撑。通过对用于灌区渠首的各类在线流量监测方法的具体适用场景和比选分析，提出了明渠和管道型的渠首计量设施的典型设计，可为国家水资源监控能力建设项目对灌区渠首计量设施设备选型设计提供参考。

[1] 蔡阳. 国家水资源监控能力建设项目及其进展[J]. 水利信息化，2013 (6): 5-10.

[2] 水利部国家水资源监控能力建设项目办公室. SZY 203—2012 水资源监测设备技术要求[S]. 北京：水利部国家水资源监控能力建设项目办公室，2012: 9-14.

[3] 姚永熙. 明渠流量测验方法和自动测流仪器[J]. 水利水文自动化，2003 (1): 5-8.

[4] 杨红玲，马树升，张加义，等. 超声波法与流速仪法在明渠测流中的比较研究[J]. 山东农业大学学报，自然科学版，2008，39 (2): 301-304.

[5] 郑庆涛，唐健奇，张志敏. H-ADCP 在流量自动监测系统中的应用[J]. 水利科技与经济，2007，13 (3): 173-174.

[6] 胡云进，陈国伟，郜会彩. 明渠规则断面流量测量方法研究[J]. 水文，2009，29 (5): 39-41.

[7] 李玉华. 超声波流量计和电磁流量计各自特点及区别比较[J]. 能源与节能，2011 (9): 94-96.

[8] 水利部国家水资源监控能力建设项目办公室. SZY 204—2012 水资源监测设备现场安装调试[S]. 北京：水利部国家水资源监控能力建设项目办公室，2012: 25-33.

Survey and analysis of Canal-head metering Facilities in Agriculture Irrigation

REN Qinghai1,2, MA Hui3, DONG Zili4

(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
2. Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China;
3. Hodrologic Bureau (Information Center), the Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China;
4. Jiangsu Naiwch Co.Ltd, Nanjing 210012, China)

Based on survey of present situation of the surface water’s canal-head metering facilities by national water resources building project of monitoring capacity, which are in the key medium and larger irrigation areas, the paper does preliminary statistics and analysis. Also, it does classified comparison and analysis of the online traffic monitoring facilities of the canal and the pipe in irrigation canal-head. It provides important references for carrying out design and installation work of irrigation canal-head metering facilities of national water resources building project of monitoring capacity.

National water resources building project of monitoring capacity; agricultural irrigation area; canalhead metering; investigate and survey; online flow monitoring

S27

A

1674-9405(2015)04-0039-05

2015-04-13

任庆海（1975－），男，黑龙江鸡西人，高级工程师，从事水资源和水利信息化的研究工作。