马 萍

（宁夏水利厅七星渠管理处，宁夏 中宁 755100）

量水测流是农业灌溉区管理工作的核心，是提高灌溉用水管理工作质量的基础［1］。水资源的日益短缺和农业现代化的发展对灌区测流提出了更高的要求。一方面，水资源日益紧缺，农业水价改革，水权交易改革不断深入，对测量的精度要求越来越高；另一方面，随着农业灌溉现代化的发展，灌区信息化建设进程不断加快，对时效性要求越来越高，迫切需要实现测流自动化和数字化［2］。

闸门是最常用的水量控制及调节设备。现有的闸门不能根据需求自动调节流量，也不能实现定时间、定流量、定水量的调节和控制，无法按需精确调节各级渠道流量，造成水资源浪费严重。随着技术的不断进步，测水一体化闸门集流量自动调节、精确测流、信息传输于一体的测水一体化闸门，能实现渠系内按需供水，达到节水灌溉的目的［3］。2018—2020 年，宁夏回族自治区七星渠管理处陆续引进测控一体化闸门，安装使用后获得了明显的效果。

1 宁夏回族自治区七星渠灌区概况

宁夏回族自治区七星渠灌区自中卫市黄河申家滩南岸取水，属无坝引水。目前，干渠最大引水能力58 m3/s，年引水量8.88 亿m3，干渠全长87.6 km，担负着七星渠灌区及固海扬水、红寺堡扬水、固海扩灌三大扬水灌区农田灌溉的供水任务，是卫宁灌区经济社会发展的重点水源工程。七星渠为傍山渠道，建有处、所、段、点、农场30处。截至2018年底，七星渠已建干渠直开口589座（计量直开口322座、明口203座、扬水站64座）、进水闸7座、退水闸18座、节制闸11座、渡槽15座、涵洞17座、险工段26处及山洪沟道23条（其中5条山洪沟道直接入渠）。完备的灌区工程设施为七星渠完成灌溉供水和防汛两大任务奠定了良好的基础。

2 测控一体化闸门在宁夏回族自治区七星渠灌区的应用

2.1 测控一体化闸门工作流程

测控一体化闸门在工作中通过太阳能板将太阳能转化为电能存储在蓄电池中。闸门的动力来源是蓄电池中的电能。渠系内来水时，闸板上下游的水位传感器和开度感应器进行工作，实时测控渠道内的水位、闸门开启高度、过闸流量等，通过数据传输部分传到控制室内的计算机中，计算机根据灌溉需求设定目标数值并与实时测得的数据进行比对发出闸门操作指令［4-5］。系统反复循环执行操作指令，直到测得值达到设定值。

2.2 七星渠管理处测控一体化建设情况

近年来，七星渠管理处深入调研、统筹谋划，先后争取资金1 500 余万元，逐步加强网络和信息化建设、自动化装备应用。2017 年，七星渠管理处自筹项目资金试点建设4座大闸自动化远程控制系统和灌区标准化管理应用平台软件；2018 年，七星渠管理处利用岁修资金，建设14 座大闸自动化远程控制系统，安装测控一体化闸门5台；2019年，七星渠管理处实施农业水价综合改革七星渠干渠量测水设施建设项目，安装测控一体化闸门41 台、流量计2 台，建设5 处自动化测水断面，更换8 台（套）大闸启闭机，改造4座水闸远程监控系统，并建设管控中心及完成软件系统集成应用。截至目前，七星渠累计建设22座大闸自动化远程控制系统和监测系统，安装测控一体化闸门46台，安装电磁流量计2套，建设自动化测水断面5座。

2.3 测控一体化闸门测流精度

2019—2020 年，七星渠管理处共安装测控一体化闸门46台，为准确评定七星渠管理处已安装测控一体化闸门测流精度，采用比测抽检方式进行试验，抽检比例43%，共计20台。

2.3.1 国家相关规范对量测水精度的要求

《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T 21303—2017）的量水方法中提到，流速仪量水宜作为其他量水方法的率定。《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）第四章流速仪法测流的一般规定第4.1.1条中提到，流速仪法的测量成果可作为率定或校核其他测流方法的标准。《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T 21303—2017）附录H.5 中提到，测控一体化闸水量计（堰顶高度可调的顶面溢流堰）在满足上下游水位差大于4 cm 的条件下，流量测流允许误差在±5%以内，但规范中没有明确“误差”比对的方法。《测控一体化闸门技术规程》（T/CIDA 0006—2020）第五章技术参数对计量精度要求提到，测控一体化闸门（堰槽式测控一体化闸门应满足上下游水位差大于4 cm），流量测量最大允许误差为±5%。《取水计量技术导则》（GB/T27714—2012）中5.2.6实测流量计算中关于误差来源与控制提到，根据测流误差来源，按《河流流量测验规范》及本标准有关规定进行操作，减少人为因素造成的误差。《水资源水量监测技术导则》（SL 365—2015）流量测验中关于测验误差控制提到，国家基本水文站的流量测验误差控制应按《河流流量测验规范》的要求执行。《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）第四章流速仪法测流中指出，流速仪法单次流量测验总随机不确定度，按不同精度等级水文站根据水深、水面宽和水深的比值在5%～12%，并在备注中提到总随机不确定度的置信水平为95%。

2.3.2 比测方法

2.3.2.1 比测方法的选定。由于现状国家及地方标准中没有涉及测控一体化闸门量水精度认定方法的规定，参照国家标准《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T 21303—2017）中5.1.2 规定，流速仪量水宜用于要求水头损失小，易受下游水位影响的大型渠道量水及其他量水方法的率定；国家标准《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）中4.1.1 规定，流速仪法的测量成果可作为率定或校核其他测流方法的标准，选定流速仪法作为七星渠灌区已安装的测控一体化闸门测流精度的比测方法［6］。

2.3.2.2 流速仪法测流误差的控制。按照国家标准《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T 21303—2017）中明渠测流的具体要求，流速仪测流误差以不确定度表示。《灌溉渠道系统量水规范》中明确，不确定度主要以实测资料进行，如无实测数据，可采用理论计算确定。根据流速仪法测流原理，流速仪法测流是否精确，关键要确保测流断面过水面积与流速测定数据的准确性，因此，流速仪测水自身误差影响因素主要如下：①过水面积的测量误差，主要是水深测量引起的过水面积误差；②点流速的测量误差，包括人工操作误差和点流速测定数量引起流量误差；③岸边流速系数取值的影响。试验选取七星渠中4条支渠进行测定，结果表明，当出现水位测定、岸坡系数取值判定、测杆倾斜等累计极端不利影响因素时，人工流速仪测流的极端误差在±1.88%～±10.63%，对应流量越小，误差越大，流量越大，误差越小。流速仪测水误差产生的主要原因如表1所示。

表1 测定误差原因及分析

2.3.3 流速仪法与无喉道量水的测流精度对比分析

无喉道量水目前是宁夏扬水灌区普遍采用的量水方法，其量水精度得到了供用水双方的认可［7］。利用2019—2020 年的数据进行比测，拟合无喉道量水堰测流数据与流速仪测流数据的关系，如图1所示，流速仪法和无喉道量水堰量水数据拟合优度达到了0.989 8。这与灌区管理处进行比测的数据一致，说明流速仪法可作为今后灌区测控一体化闸门测流精度比测认定的工作方法。

图1 宁夏七星渠流速仪法和无喉道量水堰量水数据拟合图

2.3.4 比测数据的整体情况

整理与分析20台测控一体化闸门60测次的数据，参照《灌溉渠道系统量水规范》对测流精度的要求，同一闸门在3 种不同工况条件下，根据测控一体化闸门流量数据与流速仪标准断面法流量数据偏差与绝对差值的范围将闸门分为4个类型：测流数据偏差在±5%内或流量绝对差值在0.02 m3/s（扬水0.01 m3/s）之内的测控一体化闸门为一类设备，数据偏差在±5%～±10%且均不超过±10%的测控一体化闸门为二类设备，数据偏差在±10%～±20%且均不超过±20%的测控一体化闸门为三类设备，数据偏差超出±20%的测控一体化闸门为四类设备。不同厂家测控闸门分类情况见表2。

表2 七星渠测控闸门分类统计表

采用超声波时差法结合标准测箱可以完成自动测流工作，大部分测控一体化闸门测流数据与人工实测流量相吻合，有显著相关性。随着技术的不断完善，自动测流技术可以用于水量计量［8］。

2.4 测控一体化闸门应用成效

七星渠灌区通过远程操控开启闸门配水，全面改变了过去灌水不能离人的现状，解决了配水人员人工手摇启闭机配水的问题，有效杜绝了安全隐患，保障了职工人身安全。管理人员随时都能查看水闸监控视频，在灌溉调度工作中起到了“千里眼”的作用；发生故障时，设备会显示故障警告信号，维修人员及时进行故障处理，提高了工程安全运行管理水平。通过远程操作调整配水量，减少了调度层级，减轻了劳动强度，极大地提高了工作效率，有效解决了管理处人员减少的现状问题；实现了部分渠段引水、供水、用水动态监管，提高了灌溉管理水平，做到干渠调水、供水一体化、自动化。测控一体化闸门配水计费，提高了用水户节水意识，其中安装测控一体化闸门的管理所夏秋灌用水量比安装前减少180 万m3，水费比安装前减少8.7 万元，有效减轻了农民的负担，实现了水资源高效利用。

测控一体化闸门改造，补齐了现代化基础设施“短板”，颠覆了手摇扳手开启斗口的千年传统，终结了手工启闭斗口这个基层单位最大的工作量，对安全调度和灌区节水打下了坚实的基础，为优化管理层级进而创新管理模式、推进全渠道控制和水利改革创造了必要条件。测控一体化闸门改造应用推动了传统工作向信息化、智能化、现代化方式的转变，初步获得了“测得准、控得住、管得好、用得顺”的效果。

3 问题及建议

目前，测控一体化闸门在使用过程中还存在一些问题，针对这些问题提出几点建议：①对专业技术人员的要求比较高，使用此系统时必须加强相关人员的课程培训及现场操作训练；②远程操作时，网络延迟、设备自身系统和软件设计等因素，会造成闸门控制延迟和现地运行情况不明确，出现配水流量过大、系统不显示流量的现象，需要改进设备；③存在设备不定期掉线问题，这可能与闸门的设计有关，应从需求出发，建立市场准入机制，淘汰不合格、不规范产品，确保设备合格、操作可靠、应用顺畅；④闸门的安装应与实际相结合，根据直开口工况、灌溉情况确定闸门类型。水流进水条件好、灌溉面积大于13.33 hm2的干渠安装测控一体化闸门，灌溉面积小于13.33 hm2的干渠直开口配置前控后测闸门，出口淤积严重的干渠直开口配置只控不测闸门，确保建一片、发挥效益一片。

4 结语

在抓好“云、网、端、台”基础建设的基础上，七星渠灌区管理处深化业务软件建设，升级完善七星渠灌区标准化管理应用平台，完成各业务软件集成，实现“控制系统本地控制，业务系统上云”，建立信息传输系统，打通信息孤岛，及时将采集数据推送到水利云，业务系统接入水慧通应用平台，切实提高了灌区灌溉保证率，提升了灌区水资源调控管理水平，加快了水利数据开放共享，加强了水利安全体系建设，推进了七星渠灌区由传统水利向现代水利的升级发展。