新疆博斯腾下游灌区明渠量水方式选择及敏感要素分析

山巴依尔，王静茹

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，新疆 库尔勒 841000；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

博斯腾灌区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，地处开都河、孔雀河流域平原区，规划灌溉面积 260万亩，是自治区商品粮和优质棉基地。库塔干渠位于博斯腾灌区下游，行政单位隶属于塔里木河流域巴音郭楞管理局，现状年控制灌溉面积43.75万亩。主要承担库尔勒市、尉犁县的农业灌溉用水任务和向农二师塔垦区、西尼尔水库输水及塔河下游输送生态水的任务。1998年开始冬季输水任务。

库塔总干渠自孔雀河第一分水枢纽引水，末端分为两支渠道，一支为西干渠，一支为希尼尔水库进水渠，库塔总干渠水进入希尼尔水库后经过放水闸进入东干渠。总干渠长19.246 km，设计流量35～40 m3/s，西干渠长38 km，设计流量15～23 m3/s，库塔东干渠长43.46 km，设计流量25 m3/s。根据《渠道防渗工程技术规范》(GB50600-2010)确定，库塔总干渠改造段工程规模为大型，渠道及主要建筑物工程级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为4级。

1 量水方法选取

1.1 灌区量水特点

博斯腾灌区下游灌区位于孔雀河冲洪积平原区，地势自西北向东南倾斜，地形由陡趋向平缓，地面高程为950～880 m，地面坡度为2.3‰～0.5‰。

新疆南疆地区的水资源特点是降雨量少、蒸发量大，存在严重的水资源短缺问题。孔雀河是开都河汇入博斯腾湖，经博斯腾湖调节后出流，因博斯腾湖的沉淀作用，除洪水期哈满沟洪水汇入带进一些泥沙外，其余时段水质清澈，含沙量少。

1.2 常用量水方法

目前用于灌区的常用量水方法包括水工建筑物量水(包括闸门、跌水、渡槽、倒虹吸等)、特设量水设备量水(包括简易量水槛、无喉道量水槽、长喉道量水槽、巴歇尔量水槽等)、流速仪量水、标准断面量水以及专用量水仪器等。

水工建筑物量水经济、方便但不够精确，适用于含沙量小的渠道；特设量水设备结构简单，造价低廉，量测小流量时精度较高，但需要额外水头；流速仪量水适用性广、方法正确时较准确，但比较耗时；标准断面量水成本低，水头损失小，但对断面要求较高；仪表类流量计量水最精确，但价格较贵，对灌溉水质有一定要求[1-3]。

可见不同的量水方法适用性、水头损失、通过泥沙能力、自动化程度、运行管理要求、率定要求等各不相同，针对不同的渠道特点及测流要求，选择考虑的要素及方案千差万别。

1.3 灌区量水方法选取

库塔总干渠自孔雀河第一分水枢纽引水，目前常用量水方法包括水工建筑物量水、流速仪量水。在没有设置进水涵闸的渠段测流时，可考虑量水槽量水[4](见图1)。其中长喉道量水槽具有水流非阻流性的特点，量测范围广泛，适用于各级灌溉渠道的流量量测，具有水头损失小，精确度较高的特点。

超声波流量计测流直观简便，高精度，水头损失小，基本不需要现场率定。它的缺点也比较明显，初始建设成本和维修成本比较高。而对于大型渠道，量水设备的建设成本相对渠道的建设成本较低，因此在灌区可承受范围之内。

因此根据气候条件、渠道的特性、水质要求、建设施工要求、量测水人员的准确操作程度等原因考虑，选取长喉槽和超声波流量计进行比对。

2 量水方案对比

已知总干渠上有矩形断面和梯形断面两种断面，同时为使量水设备的选择能为库塔干渠灌区提供可行性建议，需要同时考虑大流量工况和小流量工况，因此从总干渠选择①0+350～0+820渠段、②10+700～10+950渠段，从西干渠选择③金鹿闸渠段进行比对。

2.1 总干渠量水方案

2.1.1 典型渠段1

0+350～0+820渠段底宽4 m，边坡为1∶1.5，设计流量35 m3/s，设计水深1.95 m，加大2.09 m，设计的渠深2.98 m，测流范围为0.7～35 m3/s。

1)长喉槽。长喉槽实际上是一种改进型的宽顶堰。一般来说主要由行进渠道段、收缩段、控制段、扩散段和尾水渠段五部分组成。在行进渠道段设计一个水位观测站，测堰顶水头h1，由上游水位代入长喉槽流量公式就可计算得对应流量(见表1)。

图1 量水槽平面布置图

表1 长喉槽尺寸表 m

2)超声波流量计。超声波流量计主要由超声波换能器和带微处理器的二次仪器组成。超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体流速的信息，因而通过接收穿过流体的超声波就可以监测处流体的流速，从而转换成为流量。超声波测流方法主要有传播时间差法(时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法等。

其中比较常用的是时差法和多普勒法。时差法超声波流量计只能用于清洁液体和气体，多普勒法超声波流量计主要适用于含有固体颗粒或杂质的流体的计量。多普勒流量计误差大于时差式超声波流量计且时差法使用较为普遍。考虑到库塔干渠水质较为清澈，泥沙含量较少，因此选取时差法测流的UF-911多声路超声波流量计。

由于总干渠渠底宽不超15 m，根据换能器及水位计选配原则，UF-911流量计采用2声路布置，投入式水位计，换能器频率为1 MHz , 选择直段超过20倍渠宽的位置安装[5]。其设备配置见表2。

表2 干渠设备配置表

3)两种方案对比。长喉槽和超声波流量计两种量水方法在建设成本、优缺点等方面对比如表3所示。

表3 两种量水方法对比表

2.1.2 典型渠段2

总干渠10+700～10+950段渠道为矩形断面，底宽为16 m，渠深2.3～3.15 m，渠底采用12 cm厚C20F200W6现浇混凝土板衬砌，两侧边墙采用现浇混凝土挡土墙结构。总干渠的矩形断面和梯形断面渠道的流量变化不大，也可根据①的比对方法以此类推。

2.2 西干渠量水方案

西干渠上选取的典型渠段为金鹿闸处，与取水口距离39 km，有电子水情监测设施，设计流量为13 m3/s，底宽3.3 m、渠深2.05 m，边坡为1∶1.5。测流范围为0.3～13 m3/s。

与总干渠相同，选取长喉槽、超声波流量计进行比对。设计的长喉槽尺寸如表4所示。

表4 长喉槽尺寸表 m

与总干渠相同，超声波流量计同样选取UF-911多声路超声波流量计。

计算出长喉槽建设费用约为0.3万元，对水位计的维护费用需每三年花费1.2万元率定一次；超声波流量计总共只需要17.5万元的建设成本，其中14万设备费用，3.5万安装费用。

2.3 灌区量水方案确定

库塔干渠总干渠、金鹿闸西干渠是开放式明渠，其量水方法的选择考虑了水工建筑物、巴歇尔槽、流速仪、长喉槽、超声波流量计等。考虑到灌区地形由陡趋向平缓，水质清澈，含沙量少等原因，主要选择长喉槽和UF-911多声路超声波流量计进行了对比。

大流量工况下(即总干渠)用长喉槽测流水头损失比较大，可达到0.5 m以上，建设成本较小，但后期定期率定需要额外的费用；而超声波流量计虽然建设成本比较高，共需要17.5万元(其中14万设备费用，3.5万安装费用)，但后期基本不需要维护费用，且几乎没有水头损失，因此建议在大流量工况下的总干渠渠段选用超声波流量计。

小流量工况下(即西干渠)，用长喉槽测流水头损失约0.2 m，建设成本只需约0.3万元，定期率定需每三年花费1.2万元。相比超声波流量计花费较少，且相对总干渠对水头损失要求没有太高时考虑选用长喉槽测流。

因此，本灌区在选择量水方法时，要考虑所选渠段的流量工况、选取的量水设备造成的水头损失、建设成本以及运行成本，同时考虑到本灌区混凝土衬砌易发生冻融破坏，在衬砌表面铺设土工膜[6-7]。即本灌区选择量水方法的敏感因素有地形、流量、水头损失、成本等。

3 结 语

1)在库塔干渠灌区总干渠上选择量水方法时，考虑到尽可能减小水头损失，建议选择超声波流量计测流。

2)在库塔干渠灌区西干渠上选择量水方法时，主要考虑量水设备的建设成本和运行成本，建议采用长喉槽测流。

3)在总干渠和西干渠量水方法选择上主要考虑了地形、流量、水头损失、成本等敏感因素，在本灌区其他渠道上以及类似灌区量水设备的选用也要考虑这些敏感因素。