吳自成，吳凌霄，盧 成，張亞?wèn)|，胡榮祥

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

根據(jù)國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目（2016—2018 年）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)控二期項(xiàng)目）的相關(guān)部署要求，為實(shí)現(xiàn)對(duì)占全省用水總量近 40% 的農(nóng)業(yè)灌溉用水進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和計(jì)量，浙江省在全省 55 個(gè)灌區(qū)（其中 50 個(gè)重點(diǎn)中型以上灌區(qū)，5 個(gè)重點(diǎn)中型以下灌區(qū)）建設(shè)了 325 個(gè)農(nóng)業(yè)用水計(jì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2018 年根據(jù)總項(xiàng)目實(shí)施情況，增補(bǔ)了 10 處計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)施，總計(jì)建設(shè)了 335 個(gè)計(jì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

為保證單點(diǎn)計(jì)量設(shè)施的量水精度，實(shí)現(xiàn) 335 個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的水位/電量向水量轉(zhuǎn)化，浙江省國(guó)控二期項(xiàng)目采用的計(jì)量設(shè)施中除管道電磁波和明渠超聲波 2 種流量計(jì)不需要率定外，其他量水設(shè)施均需要通過(guò)流量測(cè)驗(yàn)，獲取觀測(cè)項(xiàng)目（如水位、電量、時(shí)間等）與水量的函數(shù)關(guān)系[1]。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，設(shè)施率定存在著諸如計(jì)量精度難以保證，天氣地形客觀制約，數(shù)據(jù)采集困難等問(wèn)題。為此對(duì)浙江省灌區(qū)用水計(jì)量設(shè)施率定過(guò)程中遇到的困難進(jìn)行列舉分析，并提出相對(duì)應(yīng)的解決方案，以期為今后浙江省繼續(xù)開(kāi)展設(shè)施率定工作提供一定的參考和借鑒。

1 率定工作存在的問(wèn)題

1.1 前期準(zhǔn)備方面

浙江省國(guó)控二期項(xiàng)目的率定工作存在以下 3 個(gè)難點(diǎn)：

1）時(shí)間緊。國(guó)控二期率定項(xiàng)目受前期準(zhǔn)備、設(shè)施建設(shè)和灌水周期的限制，需要在不到 8 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成 335 個(gè)點(diǎn)的率定任務(wù)。

2）任務(wù)重。主要體現(xiàn)在以下 2 個(gè)方面：a.需率定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多且需進(jìn)行多次復(fù)測(cè)；b.335 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于 11 個(gè)地級(jí)市，距離跨度大且同一區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)分布較為零散，不易集中作業(yè)。

3）技術(shù)繁。按照量水對(duì)象分類(lèi)，浙江省計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)施的率定大致可分為標(biāo)準(zhǔn)斷面、水工建筑物、堰槽、泵站等量水設(shè)施的率定，不同的率定方式必須采用不同的率定儀器和標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)比較繁雜，不宜一概而論。

不同的率定方式有不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需采用相對(duì)應(yīng)的率定儀器率定。在率定開(kāi)始之前，如何最大程度地利用時(shí)間和人力，并保證每一個(gè)技術(shù)人員能夠熟練地使用率定儀器進(jìn)行同一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的率定操作無(wú)疑是一個(gè)難題。

1.2 儀器可靠性方面

對(duì)量水設(shè)施進(jìn)行率定，必須采用專(zhuān)業(yè)的率定儀器。針對(duì)不同量水設(shè)施的特點(diǎn)，分別利用走航式ADCP 對(duì)大斷面和骨干渠道進(jìn)行率定，利用轉(zhuǎn)子式流速儀對(duì)小渠道進(jìn)行率定；利用手持式超聲波流量計(jì)對(duì)泵站進(jìn)行率定。這些儀器都有專(zhuān)門(mén)的安裝方法和出廠參數(shù)，構(gòu)造相對(duì)精密，且構(gòu)件細(xì)小，容易松動(dòng)脫落，腐蝕生銹，故而在保存和使用過(guò)程中都可能造成一定程度的損壞。在實(shí)際操作過(guò)程中，也時(shí)常發(fā)現(xiàn)由于儀器參數(shù)使用不當(dāng)，儀器接口發(fā)霉生銹，線(xiàn)路纏繞打結(jié)等引發(fā)的儀器生銹、零件松動(dòng)、線(xiàn)路老化、信號(hào)傳輸緩慢不穩(wěn)等問(wèn)題[2]。使用過(guò)程中，必須保證儀器參數(shù)設(shè)定準(zhǔn)確且沒(méi)有在保存和使用過(guò)程中受損，否則會(huì)直接影響率定結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)采集方面

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面量水

標(biāo)準(zhǔn)斷面量水共計(jì) 254 處，占浙江省國(guó)控二期項(xiàng)目量水設(shè)施總量的 75.8%。由于標(biāo)準(zhǔn)斷面現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，受制約因素多，導(dǎo)致在實(shí)際率定過(guò)程中問(wèn)題頻發(fā)，總結(jié)起來(lái)有以下 7 個(gè)方面：

1）通過(guò)測(cè)量水位推算流量，必須保證具有單一水位-流量關(guān)系，然而這一條件天然河道往往難以實(shí)現(xiàn)，尤其是兼具灌溉功能的渠道，更是無(wú)法保證。

2）采取常規(guī)方法率定大斷面時(shí)，由于河道條件復(fù)雜，單純的增加測(cè)流垂線(xiàn)對(duì)提高數(shù)據(jù)可靠性幫助不大。

3）若轉(zhuǎn)子式流速儀型號(hào)與流速不能很好地匹配，容易導(dǎo)致精度難以保證。

4）監(jiān)控點(diǎn)前后沒(méi)有測(cè)橋，導(dǎo)致率定缺乏便利條件。

5）渠道淤積過(guò)重或水草叢生，不但使水深難以確定，而且容易導(dǎo)致泥沙、樹(shù)葉等雜物對(duì)率定儀器造成影響。

6）斷面本身可能存在一些不利于率定的因素，例如斷面不標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致尺寸難以量化，測(cè)量斷面前后存在分水口、渠首堰閘、跌水、彎段、倒虹吸等情況[3]。

7）自然和人為條件的制約較大。由于標(biāo)準(zhǔn)斷面分布于野外，率定受天氣等自然因素制約，很可能會(huì)由于干旱無(wú)水或暴雨等惡劣天氣導(dǎo)致無(wú)法率定。同時(shí)，監(jiān)控點(diǎn)管理部門(mén)人力缺乏，用水戶(hù)對(duì)率定工作缺少理解和支持，都對(duì)率定工作造成影響。

1.3.2 其他量水

除標(biāo)準(zhǔn)斷面量水外，浙江省需要率定的量水設(shè)施類(lèi)型還有以下 3 種：

1）泵站量水。泵站量水率定的困難主要有：水泵出力過(guò)小導(dǎo)致的管內(nèi)摻氣；出水或進(jìn)水管生銹導(dǎo)致的管壁摻氣；管道無(wú)裸露或裸露段過(guò)短導(dǎo)致的探頭無(wú)法安裝；超聲波流量計(jì)讀數(shù)和電表讀數(shù)難以嚴(yán)格同步等。除此之外，由于水泵固有效率曲線(xiàn)已無(wú)法獲?。S著工況改變，效率曲線(xiàn)可能失真），必須將泵站前后水位差這一變量考慮在內(nèi)。

2）堰槽量水。主要存在以下問(wèn)題：堰上泥沙淤積基本與堰口平行，導(dǎo)致堰槽基本失去量水作用；水位調(diào)節(jié)后堰槽上下游落差基本不改變，導(dǎo)致水位難以滿(mǎn)足規(guī)范要求；堰下水流過(guò)快且水層極薄，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)流。

3）水工建筑物量水。主要問(wèn)題是水位調(diào)節(jié)受自然降水和防洪調(diào)度等因素制約，很難滿(mǎn)足多水位率定要求。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析方面

在進(jìn)行率定數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析之前，必須保證率定數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確且保存完整。在通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算形成流量（水量）公式的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差過(guò)大，結(jié)果不符合常理或?qū)嶋H，組次不足或不具有代表性等問(wèn)題。

此外，數(shù)據(jù)計(jì)算分析的另外一個(gè)問(wèn)題是結(jié)論的可靠性難以驗(yàn)證，得出的流量（水量）公式是否已經(jīng)滿(mǎn)足精度要求，是否與實(shí)際情況相吻合，結(jié)論能否采用都需要進(jìn)行一定程度的研判。

2 率定難點(diǎn)的解決方案

2.1 加強(qiáng)分工協(xié)作，強(qiáng)化指導(dǎo)培訓(xùn)

為保證率定工作的進(jìn)度和質(zhì)量，在成立專(zhuān)門(mén)項(xiàng)目組的基礎(chǔ)上明確分工并進(jìn)行定期考核。分工主要有以下 2 個(gè)方面：1）任務(wù)分工。將全省 335 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)按地區(qū)集中原則分為 3 個(gè)片區(qū)。2）技術(shù)分工。每個(gè)片區(qū)都有專(zhuān)門(mén)的組長(zhǎng)負(fù)責(zé)技術(shù)把關(guān)，其余成員各有側(cè)重地掌握不同儀器的操作，以形成專(zhuān)業(yè)上的互補(bǔ)和配合。其次，將責(zé)任分解落實(shí)到人，定責(zé)任、工期、質(zhì)量，將完成情況納入績(jī)效考核。

為確保率定技術(shù)的規(guī)范和統(tǒng)一，在實(shí)施之前根據(jù)規(guī)范編制了項(xiàng)目工作大綱，并組織項(xiàng)目組進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。通過(guò)生產(chǎn)廠商工程師和率定專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)操作等手段，形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程，有力保證了率定操作的準(zhǔn)確和可靠。

2.2 確保儀器精度，定時(shí)維護(hù)校準(zhǔn)

儀器必須滿(mǎn)足精度要求，為達(dá)到此目的，需要在每次使用之前，保證儀器設(shè)定的參數(shù)準(zhǔn)確。尤其是在率定泵站時(shí)，必須準(zhǔn)確輸入水泵的管徑、材料、壁厚和安裝方法。此外，為防止儀器在使用過(guò)程中受損導(dǎo)致無(wú)法使用或精度難以保證的情況，應(yīng)當(dāng)每半年或在出現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)回原廠檢測(cè)和維修；同時(shí)，應(yīng)利用率定玻璃水槽，在率定前對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)。

除此之外，ADCP 的測(cè)流精度還有待驗(yàn)證，原則上應(yīng)在使用前與傳統(tǒng)率定方法進(jìn)行互相比測(cè)。根據(jù)遼寧省水文水資源勘測(cè)局的實(shí)驗(yàn)，以流速儀法測(cè)得流量為標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比施側(cè)流量 5 次，ADCP 測(cè)流誤差在 1.6% 和 5.0% 之間，合格率為 100%[4]；根據(jù)伊犁水文水資源勘測(cè)局的比測(cè)分析，ADCP 的準(zhǔn)確度高水控制在 6%，中水控制在 7%，低水控制在10% 的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足測(cè)流二等精度[5]。通過(guò)浙江省國(guó)控二期項(xiàng)目后期模型契合度、流量邏輯關(guān)系、發(fā)電量折算水量三者的分析來(lái)看，在規(guī)范使用儀器的前提下采取 ADCP 測(cè)流基本滿(mǎn)足精度要求。

2.3 嚴(yán)守技術(shù)規(guī)范，注意因地制宜

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面率定方面

存在的問(wèn)題及解決方案如下：

1）如何保證河道具有單一水位-流量關(guān)系，是浙江省國(guó)控二期項(xiàng)目中最大的痛點(diǎn)。經(jīng)過(guò)主管和技術(shù)部門(mén)的通盤(pán)考慮和大力配合，采取以技術(shù)單位確定率定時(shí)的河道標(biāo)準(zhǔn)工況，主管部門(mén)下發(fā)文件要求各河道管理單位對(duì)河道淤積堵塞、破損漏水等 17 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行日常巡查和維護(hù)，以保證監(jiān)控河道的日常工況與率定時(shí)工況基本一致。

2）假如渠道過(guò)寬，若使用常規(guī)率定手段不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以保證精度，此時(shí)可采用走航式ADCP 率定。走航式 ADCP 利用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行流速測(cè)量，用聲波換能器作傳感器，換能器發(fā)射聲脈沖波，聲脈沖波通過(guò)水體中不均勻分布的泥沙顆粒、浮游生物等反散射體反散射，由換能器接收信號(hào)，經(jīng)測(cè)定多普勒頻移而測(cè)算出流速，很好地解決了渠道過(guò)寬的問(wèn)題。但需要注意的是，天然大斷面河道影響 ADCP 率定精度的因素有很多，應(yīng)盡量選擇在順直、含沙量小、無(wú)紊流的河道上進(jìn)行多次測(cè)回。

3）為防止水的流速過(guò)快或過(guò)慢影響率定精度，需準(zhǔn)備適應(yīng)不同流速區(qū)間的多套儀器，例如可準(zhǔn)備測(cè)速范圍為 0.015～1.000 m/s 的 LB50-1C 型旋杯式流速儀，測(cè)速范圍為 0.06～8.00 m/s 的 LS-1206B 型旋槳式流速儀，測(cè)速范圍為 0.04～15.00 m/s 的 LS-20B 型旋槳式流速儀等 3 套儀器，基本可以滿(mǎn)足不同流速條件下的標(biāo)準(zhǔn)斷面率定。

4）針對(duì)缺少率定基礎(chǔ)設(shè)施的問(wèn)題，可采取攜帶簡(jiǎn)易測(cè)橋或延長(zhǎng)測(cè)桿等方式解決無(wú)測(cè)橋帶來(lái)的率定問(wèn)題，可利用坡度測(cè)量?jī)x、紅外測(cè)距儀等解決無(wú)測(cè)橋帶來(lái)的斷面尺寸繪制等問(wèn)題。

5）標(biāo)準(zhǔn)斷面不標(biāo)準(zhǔn)，水草叢生或淤泥雜物堆積都會(huì)影響高程和渠深的測(cè)定，應(yīng)詳細(xì)記錄測(cè)量斷面的形狀尺寸以便精確計(jì)算斷面面積，并且在率定前，應(yīng)除去率定斷面前后的雜物和淤泥。

6）如監(jiān)控點(diǎn)渠道存在分流、倒虹吸、橋墩等對(duì)率定有很大影響的設(shè)施時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)，可將監(jiān)測(cè)斷面移動(dòng)至監(jiān)測(cè)斷面上下游無(wú)此類(lèi)影響的地方進(jìn)行率定，但必須分別記錄監(jiān)測(cè)和測(cè)量斷面的水深和尺寸，以便后期進(jìn)行換算。

2.3.2 泵站率定方面

最主要的問(wèn)題是儀器無(wú)法正常計(jì)量管內(nèi)流速，存在的問(wèn)題及解決方案如下：

1）水泵出力不足導(dǎo)致管內(nèi)摻氣，應(yīng)先向出水口中灌水排出空氣，或適當(dāng)封堵管口人為提高揚(yáng)程。

2）管壁生銹導(dǎo)致探頭與管壁之間不能達(dá)到真空條件，應(yīng)用砂紙磨掉銹跡[6]。

3）管道裸露過(guò)短或無(wú)管道裸露導(dǎo)致無(wú)法安裝儀器，可采用在出水口外用標(biāo)準(zhǔn)斷面率定渠道流量的方法代替超聲波流量計(jì)率定。

4）以電折水的方法不可避免地存在水量讀取和電量讀取時(shí)間不同步，或讀取過(guò)程中數(shù)據(jù)一直在變化的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)約定時(shí)間后每 5 min 讀取 1 次數(shù)據(jù)，并用拍照定格的方式記錄數(shù)據(jù)。

同時(shí)，為將上下游水位差這一變量引入率定公式，必須在不同水位條件下對(duì)水泵進(jìn)行率定。結(jié)合浙江省泵站率定經(jīng)驗(yàn)，除利用河道天然水位變化外，還可利用閘門(mén)封堵河道入水口同時(shí)進(jìn)行抽水的方式改變水位高度，再通過(guò)率定獲取不同水頭條件下水泵的提水效率，從而形成水頭-單位電量提水量公式。

2.3.3 堰槽量水方面

堰槽量水中存在的問(wèn)題還沒(méi)有很好的處理方法，且此種量水方式由于影響過(guò)流能力，造成渠道淤積，也給用水戶(hù)造成不便，建議今后逐步移除此類(lèi)量水類(lèi)型。

2.3.4 水工建筑物量水方面

建議提前調(diào)研水工建筑物所處河道的水位變化及管理情況，對(duì)于調(diào)度困難的，應(yīng)當(dāng)與主管部門(mén)協(xié)商，結(jié)合河道調(diào)蓄時(shí)機(jī)進(jìn)行率定；對(duì)河道等級(jí)不高，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單或水位變化大的河道，則可利用水位的天然變化或人為調(diào)節(jié)進(jìn)行多次率定。

2.4 注重?cái)?shù)據(jù)保存，加強(qiáng)計(jì)算分析

計(jì)量設(shè)施的率定，不但需要多次測(cè)量，而且必須對(duì)率定現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。為做到率定數(shù)據(jù)采集和保存的真實(shí)可靠、細(xì)致完整，應(yīng)該做到以下 3 點(diǎn)：

1）保證數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確完整。率定數(shù)據(jù)不僅總量巨大，而且同一個(gè)點(diǎn)可能需要進(jìn)行多次復(fù)測(cè)。為保證數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確并完整保存，現(xiàn)場(chǎng)率定數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄人的記錄，現(xiàn)場(chǎng)率定小組組長(zhǎng)的復(fù)核，以及部門(mén)技術(shù)審核人的審核等 3 個(gè)環(huán)節(jié)確認(rèn)為合格數(shù)據(jù)。確認(rèn)為合格數(shù)據(jù)后，按照監(jiān)控點(diǎn)序號(hào)編碼成冊(cè)，由組長(zhǎng)統(tǒng)一保管，同時(shí)將數(shù)據(jù)錄入為電子數(shù)據(jù)。

2）保證數(shù)據(jù)分析過(guò)程規(guī)范。應(yīng)及時(shí)處理數(shù)據(jù)，最好在數(shù)據(jù)獲取的當(dāng)天進(jìn)行計(jì)算分析，這樣出現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)整改。另外，建議在率定過(guò)程中詳細(xì)記錄測(cè)量點(diǎn)可能影響率定結(jié)果的信息并進(jìn)行拍照，例如是否有暗管、急彎、倒虹吸等，以便在某幾組數(shù)據(jù)不符合常理時(shí)進(jìn)行研判分析。如果排除了系統(tǒng)誤差，則需要盡快重測(cè)。

3）保證率定結(jié)果可靠。首先采用不同儀器分別率定同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)管理單位自身建有流量站或有可利用發(fā)電量折算水量等手段提供流量數(shù)據(jù)的，應(yīng)與灌區(qū)管理單位進(jìn)行對(duì)接聯(lián)系，獲取各典型灌區(qū)經(jīng)驗(yàn)水量數(shù)據(jù)并與國(guó)控計(jì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析國(guó)控計(jì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性。除此之外，可利用監(jiān)控點(diǎn)水量邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)果的合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)浙江省 335 處國(guó)控二期項(xiàng)目計(jì)量設(shè)施率定的過(guò)程中，率定工作是一項(xiàng)技術(shù)龐雜，受限較多，同時(shí)對(duì)精度要求極高的工作，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)對(duì)率定結(jié)果造成很大的影響。結(jié)合率定經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)提出的 4 個(gè)方面的建議，希望可以為南方地區(qū)開(kāi)展農(nóng)業(yè)用水計(jì)量設(shè)施建設(shè)和率定提供參考及借鑒。

在灌區(qū)實(shí)際計(jì)量中，率定結(jié)果很難長(zhǎng)期使用，應(yīng)加強(qiáng)量水設(shè)施及監(jiān)測(cè)斷面管理維護(hù)，開(kāi)展計(jì)量監(jiān)測(cè)設(shè)施參數(shù)常態(tài)化率定，以保證率定結(jié)果滿(mǎn)足精度要求。另外，計(jì)量設(shè)施的選型應(yīng)充分考慮計(jì)量對(duì)象的各種條件，選出最優(yōu)解；對(duì)于實(shí)際使用過(guò)程中環(huán)境發(fā)生變化或計(jì)量設(shè)施不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件的，應(yīng)及時(shí)重新率定或改選計(jì)量設(shè)施類(lèi)型。