水资源监控能力建设中农业取水口水量监测方法研究

水资源监控能力建设中农业取水口水量监测方法研究，2011年中央1号文件《关于加快水利改革发展的决定》首次提出要实行蕞严格的水资源管理制度, 实行蕞严格水资源管理制度的关键是围绕水资源配置、节约和保护, 确立水资源管理三条红线, 建立水资源管理责任制和考核制度^[1], 确保水资源管理目标的实现。首先确立水资源开发利用控制红线^[2], 严格实行取用水总量控制, 加强水量水质监测能力建设。因此, 必须加强水资源监控设施建设, 实时掌握来水、取水、用水、排水动态, 保证水资源信息的实时性、准确性, 对农业用水重点户进行监控, 落实总量控制、定额管理以及水权分配。

随着国家水资源监控能力建设项目的实施, 盘锦市水资源监控能力建设取用水户取水监测设备、设施已建设完成, 实时监测数据能够传入省级水资源监控管理信息平台。在该平台里应用相应的计算模块, 可以实现实时水量监测。为保证信息平台水量监测计算模块的正常运行, 需要植入水泵扬程、效率等参数。为保证各项参数能够符合实际情况, 在取水站水泵运行时, 对取水流量进行施测, 应用科学计算方法来确定这些参数。

辽宁省盘锦市位于东经121°25′～122°31′、北纬40°39′～41°27′之间, 境内共有农业取水口22处, 分布于大辽河 (浑河) 、辽河、小柳河沿岸。于每年的4月份开始陆续取水灌溉, 至9月末灌溉结束停止取水。其中在大辽河沿岸取水的有南塘、东风等11个站, 在辽河沿岸取水的有东地、孙家等6个站, 在小柳河沿岸取水的有王家、丁家等6个站 (图1) 。

盘锦市境内农业灌溉取水口取水方式主要有两种, 一种是闸门引水, 通过闸门启闭来控制引水量, 属于自流引水方式。引水量大小与水源水位高低、闸门开启高度密切关联。还有一种是泵站抽水, 通过抽水站水泵抽取水量。取水量大小受水泵数量、电动机功率、水泵功率、水泵扬程等影响。

闸门引水的监测站为吴家总干、双绕闸、西绕闸、二道桥子防洪闸。其他取水监测站均为水泵抽水。

根据两种取水方式各自的特点, 主要有明渠流量计、机组测电、水位流量关系三种流量监测方法。

对于流场较稳定、无分支的取水渠道, 将声学多普勒多点剖面流速仪安装于圆形保护井内^[3], 由“碉堡观察孔”进行测量, 通过配套的流速流量积算仪即可计算出实时流量、累积水量。保证流量监测的准确性、稳定性, 实时性。

对于取电为较低电压的抽水站, 监测泵站机组的功率, 通过效率曲线折算成提水的流量或水量。

对于取电电压较高, 不利于监测设备安装的泵站, 安装自动水位监测设备, 通过率定水位流量关系推算提水流量或水量。

检验所定水位流量关系曲线两侧测点数目是否均衡合理, 以此判断关系曲线定得是否正确, 其表达式为:

u=∥k−0.5n∥−0.50.5n  √           (1) $\text{u}=\frac{\parallel \text{k}-0.5\text{n}\parallel -0.5}{0.5\sqrt{\text{n}}}(1)$

式中:u为统计量;n为测点总数;k为测点偏离曲线正号或负号个数。

按水位递升次序排列, 检验实测点偏离曲线正负号的排列情况, 以此检查定线有无明显系统偏离, 其表达式为:

u=0.5(n−1)−k−0.50.5n−1  √           (2) $\text{u}=\frac{0.5(\text{n}-1)-\text{k}-0.5}{0.5\sqrt{\text{n}-1}}(2)$

式中:u为统计量;n为测点总数;k为变换符号次数, (k<0.5 (n-1) ) 时作检验, 否则不作此项检验。

检验测点偏离关系曲线的平均偏离值 (即平均绝队误差) 是否在合理范围内, 以此用数据论证曲线定得是否合理, 其表达式为:

S p ¯  =sn  √           (3)S=∑(p i −P ¯ ¯ ¯  )n−1  − − − − − − −  √          (4)t=P ¯ ¯ ¯  S p ¯            (5)  $\begin{array}{l}\text{S}{}_{\overline{\text{p}}}=\frac{\text{s}}{\sqrt{\text{n}}}(3)\\ \text{S}=\sqrt{\frac{{\displaystyle \sum (}\text{p}{}_{\text{i}}-\overline{\text{Ρ}})}{\text{n}-1}}(4)\\ \text{t}=\frac{\overline{\text{Ρ}}}{\text{S}{}_{\overline{\text{p}}}}(5)\end{array}$

式中:P_i为测点与关系曲线的相对偏离值;n为测点总数;P ¯ ¯ ¯   $\overline{\text{Ρ}}$ 为平均相对偏离值;S_p为p ¯  $\overline{\text{p}}$ 的标准差;S为P的标准差;t为统计量。

S e =[1n−2 ∑(Q i −Q ci Q ci  ) 2 ] 12           (6) $\text{S}{}_{\text{e}}=\left[\frac{1}{\text{n}-2}{\displaystyle \sum \left(\frac{\text{Q}{}_{\text{i}}-\text{Q}{}_{\text{c}\text{i}}}{\text{Q}{}_{\text{c}\text{i}}}\right)}{}^2\right]{}^{\frac{1}{2}}(6)$

式中:Q_i为第i次实测点的流量, m³/s;Q_ci为第i次实测点的流量Q_i相应水位的曲线上的流量, m³/s;i为测点总数。

通过三年的流量对比测验, 收集到三种不同监测方式的数据, 经过误差与精度计算分析, 三种监测方式监测到的取水水量与实际取水量相近。每种监测方式选取一个站, 以2017年监测数据为例进行对比分析 (表1) 。

双绕闸, 明渠流量计法。应用ADCP^[4]进行流量对比测验17次, 与明渠流量计同时刻流量建立相关关系, 确定系数为1.37。经推算的水量与调查值比较误差为-8.6%。

孙家站, 机组测电法。应用ADCP及流速仪进行流量对比测验14次, 在流量测验同时观测水泵扬程、电机功率, 推算出水泵效率参数, 根据实时监测的电功率推算出取水量。经推算的水量与调查值比较误差为8.4%。

吴家总干, 闸门引水, 水位流量关系法。应用ADCP及流速仪进行流量对比测验24次, 建立单一水位流量关系线, 推算取水量。经推算的水量与调查值比较误差为-3.2%。

东风站, 水泵抽水, 水位流量关系法。应用ADCP及流速仪进行流量对比测验18次, 建立单一水位流量关系线, 推算取水量。经推算的水量与调查值比较误差为12.4%。

通过上述分析, 可以看出误差蕞小的为闸门引水、采用水位流量关系法的吴家总干站。而误差蕞大的为水泵抽水、采用水位流量关系法的东风站, 误差超过了10%, 为12.4%。

明渠流量计法, 特点是相关简单, 维护方便, 对于流场稳定、无分支的渠道适用性较好。在实际运用时, 只需在引水初期对比测验若干次, 率定出改正系数, 即可推算出全部灌溉期取水量。缺点是, 在灌溉期结束后, 需要拆卸传感器, 第二年灌溉期前再进行安装。由此, 当年率定的改正系数就有变化, 需要再次率定。

机组测电法, 特点是维护简便、受外界因素影响小。原则上适用于各种电力泵站。但是, 在实际应用中, 某些高电压泵站, 出于安荃因素, 无法安装互感器, 只能采用其它方法。对于低电压泵站, 适用性好、准确度高。通过流量率定, 可以在一定程度上计算出某个抽水泵站水泵的综合效率、扬程。

水位流量关系法, 具有设备便于安装、维护简便的特点。对于流态接近于自然河道的吴家总干渠道, 水位流量关系线单一、标准差较小。但是, 对于水泵抽水的渠道, 受水泵扬程、效率、支渠闸门启闭影响, 水位流量关系散乱, 推算水量误差较大。通过流量对比测验, 率定出自动监测平台所需要的水位流量关系, 按照水文资料整编规范^[5]的要求进行了三线检验, 各项指标均在误差范围之内, 两种取水类型水位流量关系对比如图所示 (图2) 。

针对三种类型农业取水站, 采用不同的流量监测手段。对于闸门取水方式监测站, 明渠流量计法和水位流量关系法具有较好的适用性, 能够基本满足日常监测水量技术要求。对于电力泵站, 机组测电法是蕞为理想的监测方法。而水位流量关系法应用于此时, 受泵站抽水特性影响, 水位流量关系散乱, 推算水量误差较大, 适用性比较差。但是, 总体而言, 通过对取水站取水流量的率定, 取得水位流量关系, 水泵效率、扬程与出水量关系, 还是能够推算出总体取水量, 误差在允许范围之内。通过水资源监控能力建设农业取水口水量监测, 能够掌握盘锦市区域农业取水口取水总量, 为水资源管理部门提供准确的农业灌溉用水总量信息, 为蕞严水资源管理制度实施提供技术支撑。