河套灌区末级渠道量水技术方面的研究.doc

河套灌区末级渠道量水技术研究应用情况末级渠道（支、斗、农、毛渠）的测流量水是灌区管理和水费计收的基础工作。自1998年河套灌区节水改造与续建配套项目实施以来，灌区管理部门和研究机构都十分重视末级渠道量水技术的试验研究工作。先后投资数百万元用于末级渠道量水技术的试验研究与推广应用。河套灌区是一个大型的平原灌区，与其它灌区相比，末级渠道量水方面存在以下的难点和困难：一是渠道纵坡比降平缓，一般为1/5000到1/10000之间，对量水设施水头损失方面有较高要求。二是流态不稳定，自由流和淹没流交替出现，一般没有稳定的水位流量关系。大多数末级渠道无法利用测量水闸上下游水位及闸门开启度来量水。二是水流泥沙含量大，且水中树枝、柴草等漂浮物多，利用传统的涡轮式、旋杯式仪器量水易缠绕。三是由于受上游来水及农民用水习惯方面的影响，渠道开关口频繁，全天内流量不稳定而且流量变化幅度较大。用传统的流速仪一日两次测流，由于不是连续测流，无法捕捉变化频繁的流量，系统误差较大。四是末级渠道数量众多，全灌区支、斗、农、毛渠有近2万条，采用传统的半自动化的流速仪标准断面法测流，工作量很大。而且由于需要专门的技术人员施测及计算，用水户监督核实困难，不适应用水户参与管理的要求，不易在末级渠道上大量推广。由于河套灌区的特殊性，其它灌区用得较好的量水技术设备在这里却不适用。像其它灌区广泛使用的巴歇尔量水槽、无喉道量水槽、长喉道量水槽、梯形堰、三角堰等量水槽和量水堰均曾在灌区引进使用，但效果都不理想。多是由于水头损失较大，不能被用水户接受而均告失败。我灌区于2001年安排由解放闸灌域管理局沙壕渠试验站研制适合平原灌区末级渠道上使用的自动化量水设备。该站在大量试验的基础上，历时五年，研究开发成功适宜于平原灌区末级渠道上使用的文丘利自动化量水系统。这套系统在末级渠道上应用具有以下优点：一是水头损失小，在5厘米以内，容易被灌户接受。特别适合缓坡降或逆坡渠道。二是自动化程度高，单片计算机控制水位传感自动、定时采集水位信息，自动计算瞬时流量、累计水量。三是功能拓展容易。可在文丘利槽上加装闸门，把水量或水费信息输入磁卡，系统自动控制开口、测流、关口等操作，与灌区自动化控制系统衔接容易。如需要还可直接把以上信息发送到手机上。四是由于采集水位信息（测流）间隙时间可控制在很短的时间内，（如几分钟），基本上相当于连续测流，测量精度很高，误差在5%以内。该系统从2001年至今，已在河套灌区推广应用289套，使用效果良好。近年来西北农林科技大学研制的适合在衬砌的U型渠道上使用的机翼型量水系统在国内其它灌区也应用较多。为了比较文丘利量水系统和机翼型量水系统在河套灌区的适用性，2007年到2009年的三年中，由解放闸沙壕渠试验站和内蒙水科院、西北农林科技大学共同合作对河套灌区末级渠系量水技术及设备进行适用性专题研究。1、 支、斗渠量水技术适用性比较研究支、斗渠采用的文丘利自动化量水设备是河套灌区沙壕渠试验站二OO一年引进的平底、圆弧进口，矩形断面结构的文丘利量水槽，并对其结构进行了部分改造，同时加装了河套灌区科技人员自己研制的磁卡式自动测流仪，实现了自动连续测流。该项技术经过5年的试验改进，已经成熟并非常适合像我们这样的平原灌区使用。2006年经过成果鉴定，专家们一致认为该项成果整体水平达到国内先进，在数据自动化采集方面居国内领先水平。该套量水系统经过定型设计，每0.5个流量为一个档次，在02m3/s的流量范围内共分4个档次。每个档次量水建筑物尺寸和流量公式都一样，便于现场施工和预制。量水槽建成后也不需要进行率定。使用时，由自动测流仪控制水位传感器定 文丘利量水槽全景 观测室（传感器和测流仪）时测量水深，计算瞬时流量、累计水量，并把测量结果显示在液晶屏上同时记录在磁卡中。每轮水灌水前放入自动测流仪，灌水结束后取出并打印测流结果，使用和维护十分方便，用户监测容易。 现场浇筑施工场面 浇筑完成后的文丘利槽 治丰公安斗渠（文丘利槽、观测室、太阳能、数采、无线传输）该套系统不必区分淹没流与非淹没流，流态稳定，可用于缓坡降渠道，水头损失很小，一般在5cm以内，易于被农民接受，抗缠绕，抗泥沙性能也好。由于施测时间可以设成十分钟一次或半小时一次，相当于连续测流，易于捕捉末级渠道变化频繁的流量，所以测流精度很高。该套系统还具有功能拓展容易的优点，文丘利槽上可安装闸门，采用微电脑控制，可以实现自动控制灌溉和定额定量供水。该套系统适用范围很广，梯形渠道、U型渠道、梯形弧底渠道、土渠、衬砌渠道都适用。 衬砌渠道运行状况 土渠运行状况西北农林科技大学研制的机翼形量水槽也是一种新型量水槽，其量水槽外形仿真飞机机翼，具有良好的流体力学特征，适用于衬砌的U型渠道上量水。2007年在解放闸沙壕渠灌域的一斗渠试用，量水精度在喉口和下游流态不变（一直保持自由流）的情况下效果很好。这种量水技术需要区分流态，在自由流和淹没流状态下流量公式不同，而平原灌区末级渠道流态不稳，难以保证始终在一个流态下运行，好多时候是自由流和淹没流交替出现；流态判别也需要精度很高的水位传感器和单片计算机来实现，增加了设备成本。同时由于机翼型量水槽的适用范围比文丘利小，只能用在U型渠道。所以，机翼型量水槽在平原灌区的支、斗渠道上使用受局限。从近年来的试验比测和用水户的反映看，文丘利自动化量水设备还是比较适合平原灌区末级渠道使用的。但由于配套仪表后造价较高（较大的斗渠上文丘利量水设备总造价约7000-8000元），故建议在支渠和斗渠上安装该种设备，便于农民用水协会和水管部门的水量计算和水费结算。农、毛渠上建议安装更加价廉的量水设备。 2007年在沙壕渠灌域一斗渠做的机翼型量水槽2、 农、毛渠量水技术适用性比较研究由于农、毛渠道灌溉面积和涉及农户较少，操作简单快捷但造价较高的量水设备（如超声波、电磁流量计）难以推广。造价较低但操作复杂的量水设备（如流速仪）也难以推广。正因如此，多年来，灌区农、毛渠道的量水一直是量水死角，水利部门和用水户都很少涉足这一领域的量水。几年的事实证明，文丘利量水槽在支、斗渠道上使用效果很好，我们由此想到在农、毛渠道上也做文丘利水槽，但不配备造价较高的自动测流仪（每台约4000元）；而是标设水尺，并把流量公式制成流量速查表，农户看两个水尺后，查表即得流量。再乘以行水时间，即可算出累计水量。这样可大幅度降低造价，一般农渠1000元左右即可实现水量计量。西北农林科技大学研制的机翼形量水槽2007年在沙壕渠灌域的一斗渠试用，在流态稳定的情况下测流精度能满足规范要求。此次比较试验中，计划在U型农渠上安装一些机翼型量水槽，在U型、梯形、梯形弧底渠道安装一些文丘利水槽；通过流量比测比较这两种量水槽在平原灌区农、毛渠道上的适用性。 农渠机翼型量水槽（上游） 农渠机翼型量水槽（下游） 农渠文丘利量水槽（上游） 农渠文丘利量水槽（下游）3、 两种量水槽的比较和适用性研究的结论3.1、文丘利和机翼型量水槽的比较：3.1.1适用范围不同：文丘利量水槽可以用于U型或梯形衬砌渠道；也可适用于未衬砌的土渠。机翼型量水槽目前只能用于U型衬砌渠道，其他渠道尚需做水工模型试验后再进行设计使用，目前尚无先例。3.1.2设计过程不同：文丘利量水槽已完成定型设计，只要最大设计流量和渠道形式确定，量水槽尺寸及流量公式即可确定，不需要单独设计。机翼型量水槽需要根据每条渠道的参数单独设计。3.1.3公式失效条件不同：文丘利量水槽在自由流和淹没流状态下均可使用，而且公式不变，故不必判别流态。只有在上游水位和喉口水位相等时公式才失效。理论上讲，这时应该是渠道关口，渠中只有静水位，此时流量为零。机翼型水槽目前的流量公式只能在自由流状态下使用，淹没流状态下自由流流量公式失效。在河套灌区这样的平原灌区，农、毛渠道上淹没流流态是会不可避免的出现的，有时还会交替出现。所以需要用高精度的水位传感器和单片计算机芯片来判别流态，设备成本将大大增加。这也将是机翼型量水槽在平原灌区推广应用的最大制约因素。3.1.4施工难易程度不同：文丘利水槽已完成定型设计，流量每0.5立米/秒为一个档次。每个档次水槽尺寸和流量公式完全一样。施工放线时只有直线和圆弧，便于预制和定制模具施工。本次三条农渠上的文丘利槽尺寸和流量公式都一样，农户查一张流量表即可。机翼型水槽未进行定型设计，每条渠道都需要单独设计，此次项目区这三条渠道尽管设计流量相差不大，但设计的机翼型水槽尺寸和流量公式各不相同，农户需要在不同的渠道上查不同的流量表。施工时如用模具，需三套不同的模具，给施工带来不便。而且由于机翼的流线形需要坐标定位，施工放线较复杂。3.1.5使用过程不同：文丘利槽需要读取上游和喉口两个水尺的读数，然后查表得到流量。机翼型水槽只需读取上游一个水尺的读数，就可查表得到流量。3.2、适用性比较的结论：在河套灌区这样的平原灌区，田间渠道（支、斗、农、毛渠）量水技术或设备要克服渠道缓比降、多泥沙、流量变化频、变幅大等难点。其它灌区应用很好的量水技术和设备在河套灌区却不适用。这也是多年来困扰河套灌区水管部门的技术难题。经过近年来灌区科研单位的不懈努力，基本上找到了适合平原灌区支、斗、农、毛渠使用的量水设施：3.2.1、在比降平缓（比降小于1/3000）的支、斗渠道上（在河套灌区占多数），可以使用配备自动测流仪表的文丘利量水设备，在比降较陡（比降大于1/3000）的支、斗渠道上，可以使用配备自动测流仪表的机翼型量水设备。在比降平缓（比降小于1/5000）的农、毛渠道上（在河套灌区占少数），可以使用查表计算的文丘利量水槽量水，在比降较陡（比降大于1/5000）的农、毛渠道上，可以使用查表计算的机翼型量水槽量水。3.2.2、从试验和实际使用情况看，由于文丘利量水槽流量公式不必区分自由流和淹没流，在这两种流态下公式都有效而且一样，所以这种量水槽更适合在河套灌区这样的平原灌区使用。机翼型量水槽在自由流和淹没流两种流态下流量公式不同，它使用的仪表只自动测量喉口上游一个水位，不能自动判别是自由流还是淹没流。而河套灌区的支、斗、农、毛渠，特别是农、毛渠自由流和淹没流往往