平原地區農業供水純進水流量計的選型與布局設計探討

摘要：農業供水計量是灌溉管理、水量核算、水價分析的重要前提。合理設置供水計量設施成為農業水價綜合改革的基礎性工作，能促進農業產業持續節水。宿豫區地處黃淮海平原，作為全國農業水價綜合改革試點區，在農業供水計量設施的選型與布局方面進行了深入探討，比選出切實可行的方案并付諸實施，為平原地區農業供水計量設施的推廣實施積攢了典型經驗，對其他項目實施單位具有一定的借鑒作用。
1　終端水價形成對供水渠系計量設施的要求
1.1 數量上便于供需雙方考核確認
目前，我國農業灌溉用水多為大水漫灌方式，導致水資源有效利用率低。同時，計量設施少，用水戶長期使用“大鍋水”，導致用水戶節水意識不強。為促進農業節水，減少用水戶水費支出，根據國家發展改革委、財政部、水利部統一部署，在全國范圍內推行農業水價綜合改革試點工作，實行農業用水的總量控制和定額管理。為此，需對農業用水加以準確計量，便于供需雙方考核確認。計量設施從以前的干、支渠首延伸到斗渠首或農渠首，為灌溉用水供需雙方考核確認提供依據。
1.2 使用上滿足基層農戶取水需求
為減少對農業輸水的影響，計量設施需要計量準確、簡單直觀、水頭損失小、輸水通暢等。計量準確一般要求計量誤差小于3%~5% ；簡單直觀，一般要求具備現場顯示屏或直觀曲線圖 ；水頭損失小則要求不能明顯增加原輸水渠道的水頭損失 ；輸水通暢則要求計量設施不能影響渠道過水能力。
1.3 布局上適應用水組織分片計量
因用水組織的行政邊界與水文邊界不完全一致，為了便于計量用水組織用水量，需對跨用水組織灌溉的渠道增設計量設施。通過多渠道分段安設計量設施，方便計算各用水組織的實際用水量。
1.4 安全上滿足供水單位拆卸統一管理的要求
在設置量水設施時，應重點考慮量水儀表的安全防護問題，在正常運行使用時需能防盜防破壞，在灌溉結束時需能由管理單位統一拆卸，便于保養維護。
2　現有灌溉渠系供水計量設施主要性能比較
2.1 灌溉渠系供水計量方法分類
當前，灌溉渠系常用的量水方法有利用水工建筑物、特設量水設備、流速儀、水尺、新型管道量水等幾種?，F對各種量水方法分述如下 ：
利用水工建筑物量水 ：針對已有的固定放水建筑物，根據建筑物的結構尺寸、水文參數，通過特定流量公式計算出過水流量的量水方法。根據建筑物形式又分為閘門及孔口出流、倒虹吸管道及渡槽等。利用特設量水設備量水 ：通過特設的水位 ( 水深 )、流速、水壓及流向測定的設備進行量水。常用的包括各種堰、槽、噴嘴、配水器等。
利用流速儀量水 ：通常包括利用轉子式流速儀、旋杯或旋漿流速儀、聲波流速儀及電磁流速儀量水等。利用水尺量水 ：常用的方法是對選定的地點用流速儀測定不同的水流條件下的流量，而后作出“水頭-流量”關系曲線圖，對照曲線圖，即可用水尺測得的水位計算出流量。新型管道量水 ：利用管道量水設備在滿管有壓狀態下對順直管道中的水流進行量水。常見的有旋翼式水表、螺翼式水表、純進水流量計、超聲波流量計等。
2.2 灌溉渠系供水計量設施的主要性能比較
2.2.1 水工建筑物量水的主要性能
主要特點 ：水工建筑物量水較為經濟、簡便。經濟性體現在不需額外建設量水設施 ；簡便性體現在測試方法易于掌握，根據實際運行的閘位、上下游水位按相應公式計算即可。
適用條件 ：建筑物本身必須完整無損，并且嚴格按照設計尺寸施工，無變形及漏水現象；無紊流及水面波動情況；建筑物符合水力計算的要求，上下游水頭差不小于 5cm，在淹沒狀態時，淹沒度不大于 0.95。設施選型 ：因水工建筑物量水設施所依據的量水公式中諸多參數只是理論值，未經實際率定，系統誤差較大，不推薦在末級渠系中使用。
2.2.2 特設量水設備量水的主要性能
主要特點 ：特設量水設備測量結果較為精確，但會對渠道中的水頭造成一定損失。
適用條件 ：有一定的過水能力 ；操作、使用、計量、計算簡便可行 ；明渠上游要有 40 倍水力半徑的平直段 ；不能有過大的流速水頭，否則易產生較大的水頭測量誤差。設備選型 ：在常用的堰槽等特設量水設備中，長喉槽量水設施相比其他量水設施具有水頭損失小、淹沒度高、過泥沙及漂浮物能力強等特點，最適合平原地區末級渠系明渠量水。
2.2.3 流速儀量水的主要性能
主要特點：流速儀量水測量結果比較精確，但費用較高，并且測量及計算較為費時費工。
適用條件 ：測量渠段應較為平直、規整、無障礙 ；水流條件好，無紊流及渦動、波動現象等。設備選型 ：因流速儀量水計算較為復雜，測量極為費時費工，一般只作為其他量水設施率定校核使用，不推薦其作為灌溉渠系量水設施使用。
2.2.4 水尺量水的主要性能
主要特點 ：水尺量水測量方法簡單，容易掌握，因新型水位計的開發應用，便于網絡智能傳輸。
適用條件 ：測量渠段平直、穩定且渠道比降較大 ；水流均勻、流速較快。
設備選型：因水尺量水要求渠段中水流均勻，流速較快，比較適宜渠道比降較大的地區使用，不適合平原地區平緩渠道使用。
2.2.5 新型管道量水的主要性能
主要特點 ：新型管道量水儀器具有測量結果直觀、精度較高、無額外水頭損失，便于網絡智能傳輸的特點。
適用條件 ：安裝位置前后有較長的平直管道 ；測量時管道需有滿管水流。
設備選型 ：在諸多的新型管道量水設備中因純進水流量計及超聲波流量計管徑能與被測管徑相同，不會阻礙水流或積聚其他雜物，故用得較多。在實際選型中因超聲波流量計存在零點漂移及自定義參數較多的問題，所以在固定式農業供水計量方面用得較少。純進水流量計相對來說性能穩定、精度較高，在工業、農業供水計量方面使用較多。純進水流量計按原理分有橡膠襯里型、插入型、電磁水表型；按供電方式分有常規電源型、電池供電型等，均可加裝GPRS 通訊模塊，實現遠程數據自動采集功能。
3　宿豫區灌溉渠系終端計量設施的選型與布局
3.1 宿豫區灌溉渠系終端計量設施的布局
3.1.1 根據水源總量控制要求進行布局
根據國家“四部委”文件精神，要求對農業用水試行總量控制和定額管理。為達到總量控制的目的，需對各控制區域內的灌溉水源出口處設立量水設施。宿豫區在 2013年度、2014 年度的水價改革項目中，在項目區的水源地設立了 4 處量水設施。
3.1.2 根據試點項目區分類進行布局
在宿豫區水價改革項目中，按照水源類型及土地性質，已將項目區劃分為自流、提水、末級渠系、回歸水利用、土地流轉等供水區。在 2013 年度、2014 年度項目中，五種灌溉區域內共設置了 57 處量水設施。
3.1.3 根據終端水價考核需要進行布局
農業水價綜合改革項目的核心工作是轉變用水方式和考核辦法，由傳統的用“大鍋水”轉變為“總量控制和定額管理”。在 2013 年度項目中的 15 處量水設施中有 11 處是專為終端計量設置的，在 2014 年度項目中的 42 處量水設施中有 37 處是專為終端計量所設置的。
3.2 宿豫區灌溉渠系終端計量設施的選型
3.2.1 根據輸水條件、投資大小選型
宿豫區地處蘇北平原，各干、支渠首多有提水泵站或開敞式渠首閘對水源進行控制，斗、農渠首多有涵管式斗、農門對水源進行控制。在渠道較長、水頭富余度略大、比降大于 1 ︰ 5000 的渠道中可選用長喉槽進行量水。而對于渠道短小、水位緊張、流態不穩定，渠首又有較長的涵管式斗、農門建筑物時，可選用等管徑的電磁水表進行量水。
根據實際投資測算，在管道直徑小于或等于 600mm 時，使用電磁水表量水比用長喉槽量水有較大的投資優勢，而在管道直徑大于或等于 1000mm 時，使用長喉槽量水又比用電磁水表量水有較大的投資優勢。
3.2.2 根據供電條件、現場顯示要求選型
在農業灌溉條件方面，大多沒有市電供電電源，在選用各類量水儀表時，要按有無市電電源進行適當選型。在有市電電源時可選防護等級略低的 IP64 級以上、較為經濟的量水儀表 ；在無市電電源時需考慮選用大容量鋰電池進行供電，供電時間不少于 3 年時間，防護等級相應達到IP66 級以上。另外，優先選用具有現場顯示功能的儀表。
3.2.3 按照“高精度、免維護、低成本”要求選型
一般而言使用傳統常規計量設施能將量水精度控制在3%~5%（等同于 3.0 級 ~5.0 級）之間已經比較好了。在宿豫區水價改革項目中除了 3 套明渠流量計、8 套長喉槽量水儀器的系統量水精度為 2.5 級外，46 套電磁水表量水精度達到 1.0 級以上，均能勝任農業供水計量的精度要求。另外，項目區中所有量水儀表均具有“免維護”的特點，可以在野外長期運行，極大地降低了管理人員的管理難度，減少了管理量水設施的工作量。
3.2.4 按照“智能采集、網絡共享”要求選型
為了更進一步減少管理單位的運行成本，便于快捷地對計量用水進行統計、分析、成本核算，宿豫區水價改革項目區中所有量水儀表均依托當前網絡科技發展技術，運用 GPRS 數據傳輸模塊，將現場采集的灌溉水參數智能傳輸到裝有專用接收處理軟件的服務器中，并利用專用處理軟件對服務器數據庫中的數據進行分析、處理，便于管理單位與用水戶隨時查詢、分析、統計。
4　結語
宿豫區農業水價綜合改革基于以上要求首批所選取的57 套計量設施，至今已運行 3 年以上，受到省內外諸多市縣的觀摩借鑒，效果良好。為方便各級渠道計量選型，現總結出計量設施選型口訣如下 ：
一看渠水二看電，三看屏顯加曲線 ；
干支渠首控總量，規則斗渠長喉堰 ；
小渠最好電磁表，電池供電方便跑 ；
選型不光性價比，智能共享有最好。

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