范县彭楼引黄灌区量测水监测系统建设探索与实践

王 舒，马山玉，张玉明，冯永善

（1河南省濮阳市范县水利局；2河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 范县彭楼引黄灌区测流系统建设背景

范县彭楼引黄灌区是全国434处大型灌区之一，灌区位于河南省濮阳市范县中西部，南邻黄河，北依金堤河，东西长约23 km，南北宽约14 km，设计灌溉面积20 720 hm2。灌区近年来开展了续建配套与节水改造建设，灌区基础设施基本完善，但信息化建设不足，成为灌区现代化改造的短板，与水利部提出“十三五”期间全面完成大型灌区信息化建设任务和以水利信息化带动水利现代化的总体要求存在差距。为响应国家用水效率控制要求，实现计划引配水、减少浪费、节约用水目标，灌区管理单位计划利用专项资金初步开展灌区信息化建设。量测水监测系统是灌区信息化建设的重要组成部分，对灌区干支渠水量监测及合理分配具有重要意义。

2 范县彭楼引黄灌区量测水监测系统建设难点

2.1 节水灌溉与地下水补给很难量化平衡

范县彭楼灌区地处豫东平原东北角，历史上金堤河改道、降雨偏少、超采地下水等原因，造成灌区所属区域在内的土地盐碱化，粮食产量极低。为改善土地盐碱化问题，利用紧邻黄河的地理优势，兴建了彭楼引黄灌区，耕地由种植小麦、玉米的旱地发展为种植水稻的稻田，渠系及田间入渗转换为地下水，多年的灌溉使土壤中的盐碱溶解后下渗，盐碱化问题得到改善，水稻年年丰收，促进了地下水补给，特别是灌区南部区域地下水回补明显。过去采用的大田漫灌方式，虽然属于严重的水资源浪费，但对土地盐碱化改善起到至关重要的作用。目前，盐碱化初步得到改善，应该研究节水灌溉与地下水补给的平衡关系，但是因为引水量、引水时间、降雨量、蒸发量等多因素相互关联，导致节水灌溉与地下水补给很难量化平衡。

2.2 农民节水认识不够

范县彭楼灌区是曾经的贫困地区，农村居民科学文化水平还有待提高，多数农民认为节水灌溉很难保证农作物正常生长，对节水灌溉所带来的现实利益与长远利益缺乏全面认识，同时为了节省灌溉时间，采用大田漫灌减少灌溉次数，而拒绝采用多次少量的节水灌溉模式。

2.3 用水和供水时空矛盾

范县彭楼灌区地处北方，又以水稻为粮食作物，用水高峰相对集中，特别是整地插秧期间、夏季稻穗分化到抽穗期间，灌区南部干支渠利用区域优势优先用水，导致灌区北部用不上水或水量很小。同时，彭楼灌区为自流灌区，小浪底水库建成后，通过调水调沙，导致黄河中下游主河槽下切约1.50 m，灌区渠首常年很难达到设计引水流量，引水流量的不足，只能通过增加引水时间弥补。因此，用水和供水的时间、空间均存在矛盾，加大了管理和调度的难度。

2.4 自动化信息化基础设施薄弱

灌区总干渠长约2.47 km，设计流量50 m3/s，经绦河枢纽分叉为两支，向东北方向为辛杨干渠，另一支北上约1.16 km后分在豆庄枢纽分为濮东干渠和濮西干渠。干渠共4 条长约55.30 km，支渠39 条共102.10 km。各类枢纽闸、节制闸、分水闸、退水闸、斗口闸等共计近百座，枢纽闸及节制闸等虽为手电两用启闭机，除辛杨枢纽闸通电外，其他水闸现地未通电，使用时需接移动电源；部分水闸为手动螺杆机启闭；灌区基本没有自动化装置。渠道上的量测水装置几乎空白，全靠管理人员通过观察水位、铅鱼测流和经验调度。

2.5 泥沙淤积严重

范县彭楼灌区为自流引水灌区，可利用水头小，特别是黄河主河槽下切后，灌区取水流量不足，流速较小，导致干渠、支渠、斗渠泥沙淤积严重，每年的冬季均需组织人力物力开展清淤工作。随着年度灌溉的持续，淤积持续，造成渠道断面全年变化，增加了测流系统建设的难度。

3 范县彭楼引黄灌区量测水监测系统建设探索

范县彭楼灌区信息化建设首要任务是节水优先，根据各支渠的灌溉面积，合理确定分水流量。其次，掌握各干渠、支渠的引水流量，便于灌区内现有水资源的优化配置，结合水稻生长用水量情况，尽可能实现空间均衡，避免出现灌区南部漫灌后进入排水沟，而灌区北部无水可灌的情况；同时，在水稻分蘖等稻田不需要深水的时段，减少总干的引水量，避免直接退水。

综合分析灌区现状及信息化建设难点，经过分析、思考和论证。为实现彭楼灌区的信息化建设总目标，必然要经历多个阶段。先期建设阶段：加强灌区管理单位人员的培训和学习，使其理解水利信息化管理业务的核心内容，提高灌区管理单位对灌区水利信息化的管理能力；吸收消化其他灌区信息化建设的成功经验，特别是泥沙淤积严重的其他引黄灌区成功经验，以量测水监测系统建设为依托，开展相关研究探索，逐步建立彭楼灌区信息化管理系统，从而逐渐实现灌区的现代化。

3.1 灌区管理单位信息化管理业务职能建设

3.1.1 农作物需水计划编制

范县彭楼灌区覆盖6 个乡镇，255 个自然村。灌区以支渠作为供水单元，每个支渠覆盖不同的自然村，结合灌溉面积和农作作物生长周期的用水量，可初步确定一定周期内的用水需要，各级管理机构将编制的支渠、干渠计划用水量汇总，形成整改灌区的需水计划表。

3.1.2 配水计划编制

配水计划主要是制定各支渠口的水量分配计划，按照各区段和田间的水利用系数，分别求出每日及每个轮灌期的配水量，计算公式如下：

式中：W斗j为第j条斗渠口门分水的毛需水量；Aji为第j条斗渠控制的第i类作物种植的面积；mji为对应于灌溉面积的灌水定额；μ斗i为第j条斗渠农渠的平均水利用系数；μ田为田间水利用系数；W支k为第k条支渠口门的毛需水量；μ斗j-k为第k条支渠第j 条斗渠到该条支渠分水口之间的渠道水利用系数；W干s为第s 条干渠枢纽闸的毛需水量，μk-s为第s 条干渠中第k 条支渠到该支渠口门之间渠道水利用系数。

3.1.3 水量平衡计算

由于灌区范围内的降雨、气温、蒸发等气象情况复杂多变；其次，黄河分配给灌区的用水指标为年度总用水指标，未细化到各时间段；再次，灌区渠首取水流量不足，用水高峰时段分不到足够的水量，导致各干渠、支渠、斗渠的分水量与配水计划不能完全吻合，因此必须根据灌区渠首的引水量进行水量平衡，以确定实际配水量。

3.1.4 供水计划编制

水量平衡后，就可确定各干渠、支渠和斗渠的分水流量和分水持续时间。因灌区取水量不足，必须采取轮灌措施才能基本保证配水平衡。分水计划主要依据轮期计划分水量、轮期时长，同时也需考虑因淤积导致的过流能力等特殊情况，如轮期分水量较大，而流量较小，就需要延长轮灌时间。

3.1.5 控制点上下游水位、流量确定

在计算出灌区上下游各区段的毛配水量后，可根据渠道的坡降，枢纽闸、节制闸、分水口建筑物的结构形式、物理特性，可推算水位流量关系曲线，依此得出各区段的控制水位值，指导各渠道区段的水闸运行。也可建设适量的量测水设施，使用量测水设备的测量数据，指导水量分配与调度。

3.2 测流系统建设

要实现灌区的水量分配与调度，首先要全面、系统地获取灌区的各种信息，特别是渠道的水位信息、流速信息、流量信息，并通过智能化设备、网络将采集的数据发送到服务器，管理人员依据供水计划，结合灌区的实时实测数据进行合理的水量调度和分配。为此彭楼灌区计划在干渠和较大支渠上建设自动化量测水的监测站和遥测站等设施，实现水位、流速、流量等数据的实时监测和报送，在灌区管理所建设中心站，实现数据的接受、存储和分析使用。

3.2.1 灌区量测水设备选型

王怀博等人在宁夏引黄灌区唐徕渠支干渠第二农场渠的斗渠上建设标准测流断面，在流量为1～3 m3量级开展了量测水设备比测试验，得出了：①推荐唐徕渠斗渠采用非接触式明渠雷达流量计，其次是直开口手动闸门量控水系统，除个别水位外非接触式明渠雷达流量计的流量值符合测流规范的误差要求；②单纯基于超声波原理的设备不适宜在泥沙含量较大的渠道上应用。

王成福等人在《浅析我国农业灌区用水量测技术的现状与发展》一文中，列举农业灌区用水量测技术现状。因泥沙淤积、投资、能否直接采集数据等多种原因，水工建筑物量水、特种量水设备、电子水尺、水位流量法均不太适合彭楼灌区。

综合分析其他灌区已建量测水设备，非接触式明渠雷达流量计具有更加智能的特点，并且在标准渠道断面时各水位流量值符合测流规范误差要求。经过近几年连续的续建配套和节水改造，彭楼灌区渠道全部硬化，渠道断面平直、标准，适合采用非接触式明渠雷达流量计测流。

3.2.2 非接触式一体式明渠雷达流量计测量系统建设

范县彭楼灌区利用专项资金，在总干渠、干渠和主要支渠建设了共计19套非接触式一体式明渠雷达流量计。通过安装在钢结构悬臂杆下部的一体式明渠雷达流量计采集渠道的水位、表面流速，系统还包括太阳能供电系统和RTU终端。水位计、流速仪内置固化了不同现场边界条件下的流量计算模型（表面流速与过水断面平均流速关系）及流量计算软件。流量计还植入了智能判断模块，当流速小于0.15 m/s 时，自动启用大功率雷达波以保证流速获取，同时利用上位机程序，输入渠道断面和泥沙淤积曲线，利用大数据技术，得到不同过水断面、糙率下的断面平均流速点位置与水文关系，大幅度降低了率定的工作量，也提高了一体化智能量测精度。

3.2.3 流量率定结论

量测水监测系统建成投入使用并且渠道清淤后，委托水文单位对其中的6 处非接触式一体式明渠雷达流量计进行了率定，利用相同断面数据（含淤泥断面），一体式明渠雷达流量计的测量成果与水文单位的测量成果接近，误差在规范允许范围内。

3.2.4 量测水系统建成后存在的问题

灌区引水量不足，导致流速达不到设计流速，进而导致水中的泥沙缓慢析出沉淀，造成渠道淤积，淤积后因过水断面变小，导致测量数据逐渐偏大。针对泥沙淤积，不管采用何种测流方案和设备，几乎没有合适的解决方案，而采用非接触式明渠雷达流量计，可以采用在设备中输入淤泥断面和对应K值系数的方式基本解决淤积导致测量不准的问题。如何精准测量水下的淤泥断面，需要进一步研究。

4 结语

范县彭楼灌区建设的非接触式一体式明渠雷达流量计测流系统，具有测流设施安装简单、安全性高、容易实现渠道流量实时监测的优势，为灌区水量分配和调度提供了基础数据，为下阶段信息化建设提供了参考依据。随着管理人员管理水平的提升，运行数据的积累和充分分析，淤积导致精度不足的问题也会彻底解决。