太河水庫大渠道小流量測水量水實踐探索

劉宗國，劉 剛，劉長柱

（淄博市太河水庫管理中心，山東 淄博 255178）

太河水庫是淄博市庫容最大、水質(zhì)最好的地表水源地，自1998年開始為淄川區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)近20萬人供水，到目前已承擔(dān)起3區(qū)8鎮(zhèn)近140萬人的生活供水任務(wù)，市太河水庫管理局始終堅持生態(tài)思維和發(fā)展理念，積極探索供水新模式，將農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補源、生活供水相結(jié)合，實現(xiàn)一渠多用，將農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補源、生活供水與水力發(fā)電相結(jié)合，將季節(jié)性間斷發(fā)電轉(zhuǎn)化成常年不間斷發(fā)電，實現(xiàn)一水多用，不僅盤活了固定資產(chǎn)，而且大幅節(jié)約了水資源、土地資源和政府投資，提高了供水保證率，經(jīng)濟效益大幅增加，僅水力發(fā)電一項年增加效益80多萬元。

1 太河水庫供水概況

太河水庫是淄博市最大的水利樞紐工程，總庫容1.833億m3，興利庫容1.128億m3。太河水庫水源優(yōu)質(zhì)，常年穩(wěn)定在國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)以上，2016年被列入全國重要飲用水水源地名錄。為解決部分人畜用水困難，太河水庫自1998年開始通過總干渠向淄川區(qū)三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水，2006年開始向張店區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水，2011年開始向張店中心城區(qū)供水，2018年開始向臨淄城區(qū)供水。相繼承擔(dān)了三區(qū)（淄川、張店、臨淄）、八鎮(zhèn)（羅村、寨里、洪山、雙楊鎮(zhèn)；灃水、南定、湖田、中埠鎮(zhèn)）近140萬人的生活供水任務(wù)。

目前，太河水庫供水工程，由始建于20世紀70年代的太河水庫總干渠，經(jīng)過灌區(qū)節(jié)水改造（1999—2006年）和“引太入張”工程（2009—2011年）維修加固而成?？偢汕L26.3 km，渠道有4 m×3.6 m（寬×深）和7m×3.6 m（寬×深）兩種斷面型式，主要構(gòu)筑物為渡槽、土石洞、水閘61座，設(shè)計流量25 m3/s，分別經(jīng)過一、二、三干渠向淄川區(qū)、張店區(qū)和臨淄區(qū)供水。

2 測水量水探索歷程

測水量水工作是灌區(qū)灌溉和城鎮(zhèn)供水管理工作的重要組成部分，是水資源優(yōu)化配置、合理調(diào)度、計劃用水、計量收費的重要依據(jù)，是加強灌區(qū)和城鎮(zhèn)供水經(jīng)營管理的重要手段，也是事關(guān)供用水雙方直接利益的一項重要工作。對供水工程進行流量實時在線監(jiān)測，可以實時了解灌區(qū)和城鎮(zhèn)用水量，對于用水、調(diào)水、計量和結(jié)算非常有控制意義，太河水庫測水量水計量系統(tǒng)共計經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。

2.1 人工旋杯式流速儀量測階段

1997年以前灌區(qū)基本采用LS 68旋杯式流速儀量測渠道上選定渠道斷面的水位及各垂線的流速，推求過水?dāng)嗝婷娣e及過水?dāng)嗝娴钠骄魉?，再以此計算渠道流量，再根?jù)流量，計算水量。

旋杯式流速儀主要用于量測季節(jié)性農(nóng)業(yè)灌溉水量。其主要優(yōu)點是測量精準(zhǔn)、操作簡單、攜帶方便。主要缺點是工作量大，每次水位變化都要進行量測，耗費大量人力；不能實時監(jiān)測水位和流速數(shù)據(jù)；人為因素造成的誤差較大，如計算誤差、測點位置放置不當(dāng)、斷面選擇不當(dāng)?shù)龋皇芰繙y條件影響大，比如氣候、溫度、雨雪、交通、渠系參數(shù)等。流速儀需定期進行檢修和保養(yǎng)，否則會產(chǎn)生誤差。

2.2 人工旋槳式流速儀與梯形量水堰相結(jié)合量測階段

1998—1999 年采用LS 20B旋槳式流速儀與梯形量水堰相結(jié)合測定灌溉農(nóng)業(yè)用水和少量鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水，利用梯形量水堰進行計量和LS 20B旋槳式流速儀進行流量校核的方式，一定程度保證了計量的準(zhǔn)確性，主要用于量測季節(jié)性農(nóng)業(yè)灌溉和少量鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水。

梯形堰主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于制造、測計方便。主要缺點是測定流量范圍小，灌溉渠道現(xiàn)場條件要求高，要求含沙量小，坡降比高。

2.3 初步遙測階段

1999—2009 年，太河水庫灌區(qū)結(jié)合續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，實施了測水量水自動化遙測系統(tǒng)，即浮子式水位計測定水位，采用有線通訊和局部站點無線傳輸相結(jié)合的組網(wǎng)方式，根據(jù)水位～流量關(guān)系曲線推求流量、水量。使用LS 20B便攜式旋漿式流速儀作為流量率定和測定的主要設(shè)備。

主要優(yōu)點是：能夠?qū)崟r監(jiān)測水位數(shù)據(jù)；水位數(shù)據(jù)初次進入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)長期保存，可以進行訪問、打印、統(tǒng)計分析等；水位～流量關(guān)系曲線輸入系統(tǒng)軟件，能自動進行流量和水量計算，省去大量人力。

主要缺點是：受有線通訊和局部站點無線傳輸相結(jié)合的組網(wǎng)方式影響，通訊故障頻發(fā)，傳輸效果差，保證率低；受原始的56 k調(diào)制解調(diào)器撥號連接影響，傳輸信息量小，速度慢；水位～流量關(guān)系曲線推求流量的方式常常因為供水條件的變化而不能反映實際流量，特別是遙測系統(tǒng)無法解決來水退水相同水位不同流速的實際情況；技術(shù)含量不高，只是解決了人工到現(xiàn)場看水位的問題，基本上沒有解決實質(zhì)問題。

2.4 自動化遙測階段

2009—2011 年，太河水庫實施了“引太入張”供水工程，灌溉供水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、城鎮(zhèn)供水、生態(tài)供水“一渠多用、一水多用”成為常態(tài)，這就要求實現(xiàn)供水的精準(zhǔn)化自動化量測，以滿足實時調(diào)度和供水計量結(jié)算要求。為此在渠首測水橋、一干渠進口、廟子溝管理站、趙莊渡槽出口、二干箱涵出口，設(shè)立了先進的H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計；在徐旺管道進口設(shè)立了先進的電磁流量計。真正實現(xiàn)了供水測量的自動化，建立了具有實時接收、處理等功能的實時和歷史數(shù)據(jù)庫，能夠自由接收、處理、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)水情數(shù)據(jù)，并具有訪問、打印、統(tǒng)計分析等主要功能。

（1）H-ADCP儀器流速、流量測量精度高、分辨率高，能夠達到結(jié)算要求，特別適合于寬度較窄和供水水位較高的渠道中安裝。

它具有以下優(yōu)點：體積小，便于安裝，在渠墻或固定物水平安裝即可。集成化、信息化程度高；H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計能夠輸出流速、水位、流量、水溫數(shù)據(jù)，信息化集成相當(dāng)可靠。輸出信號為RS 422信號，便于傳輸和接收。能夠真實反映同一水位流速不同的情況，為實時調(diào)控水量提供可靠信息。損壞和維修率低，H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計自身質(zhì)量過硬，故障率非常低。

主要缺點：限于安裝高度，對于小流量不能進行測定。率定較困難，在實際率定中，一般不可能給出十幾個供水工況來滿足率定要求，率定周期過長。設(shè)備造價高，維修維護費用高，有些故障國內(nèi)無法解決，要返回美國廠家維修。

（2）電磁流量計是一種根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表，多用于供水末端計量點。

主要優(yōu)點：計量準(zhǔn)確，正反向測定流量，量程范圍大，無需率定，供需雙方無爭議，雜物不易纏繞、堵塞。

主要缺點：必須滿管測量，不能測定電導(dǎo)率低的液體，容易受外界電磁干擾。

2.5 組合型階段

限于H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計的缺陷，2011—2014年在渠首測水橋、趙家溝渡槽、一干渠進口、廟子溝管理站、趙莊渡槽出口、二干箱涵出口及徐旺管道進口等8處測水點加設(shè)其他測水設(shè)備，形成組合型測水結(jié)構(gòu)，充分保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性和可靠性，既能滿足農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)補源時的大流量供水需求，又能滿足生活供水時的小流量供水需求。其中在渠首測流橋加設(shè)超聲波水位計，在趙家溝渡槽設(shè)立了浮子式水位計，在一干渠進口加設(shè)浮子式水位計、矩形堰板式明渠流量計，在黑旺溝渡槽出口下游、廟子溝管理站安裝自收纜水位計，在二干渠進口安裝浮子式水位計，在三干渠進口安裝浮子式水位計、矩形堰板式明渠流量計，在二干箱涵出口安裝了自收纜水位計和矩形堰板式明渠流量計，相同測點各種流量計之間互為備用，互相驗證。

在以上測水設(shè)備中浮子式水位計、超聲波水位計主要用來測定水位，加裝485模塊后能實現(xiàn)遠程傳輸，根據(jù)流量曲線查詢流量，簡單實用；矩形堰板式明渠流量計能夠測定小流量，安裝簡單，造價低，且矩形堰現(xiàn)場堰板能夠根據(jù)流量大小要求組合拆裝使用，計量精度高，測定流量范圍大，完全能夠滿足結(jié)算和調(diào)度的要求；矩形堰表頭流量和水位數(shù)據(jù)通過設(shè)置在閘室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器解析后，通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)進入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。這兩種測水設(shè)備是H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計的有益補充，對于H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計測定不到的小流量，矩形堰板式明渠流量計和浮子式水位計均能測定。

多種設(shè)備共存的優(yōu)勢。一是多種測水設(shè)備共存，可以多條腿走路，避免一種設(shè)備出現(xiàn)問題，導(dǎo)致供水無法計量，提高了供水計量保證率，提高了計量精度；二是相同測點各種流量計之間互為備用，互相驗證；三是通過數(shù)據(jù)比對，使結(jié)算雙方互相信任，避免爭議。

3 組合型測水量水設(shè)施

3.1 適用對象及測水流量范圍

H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計、超聲波水位計、浮子式水位計、視頻水尺、自收纜水位計布置在整個供水工程沿線來保證供水調(diào)度安全、水量合理分配、閘門精確開度；矩形堰板式明渠流量計、電磁流量計、自收纜水位計則布置在一干、二干、三干渠渠首，來保證供水計量和結(jié)算安全。當(dāng)矩形堰板式明渠流量計和電磁流量計出現(xiàn)問題時，自收纜水位計+水位～流量關(guān)系曲線則迅速投入使用來保證供水計量安全。

目前H-ADCP聲學(xué)多普勒流量計在太河水庫現(xiàn)有供水渠道條件下，經(jīng)過多種工況率定后，流量在1.5～10 m3/s時計量精度較高，流量測量精度＜5%；自收纜水位計+水位～流量關(guān)系曲線主要用于標(biāo)準(zhǔn)斷面的流量測定，流量在0.05～10 m3/s時計量精度較高，一般流量測量精度＜5%，但受工況和人為誤差影響較大，不能反映當(dāng)時實際供水時的流速狀況；矩形堰板式明渠流量計在太河水庫現(xiàn)有供水渠道條件下，流量測定范圍為0.05～2.64 m3/s，流量測量精度＜5%，但是通過對矩形堰版的組合拆裝使用，流量測量精度實際可以達到3%；電磁流量計主要安裝在管道供水段管道進口和管道末端，管道末端電磁流量計用于計量和結(jié)算，管道進口段電磁流量計主要用于復(fù)核、校驗和故障判斷，流量測定范圍為0.4～3.9 m3/s，流量測量精度為3%。

3.2 存在問題

（1）測水量水設(shè)備采用的主要設(shè)備是美國TRDI公司生產(chǎn)的H-ADCP聲學(xué)多普勒渠道流量計，但是該設(shè)備為水平式安裝，要求有一定的安裝高度，因此對于低于H-ADCP頂端的水位均不能測量，一定程度限制了該儀器的使用量程。特別是進行小流量供水的單位一定要引起重視，由于流量太小，水位太低，根本達不到H-ADCP的測水條件，從而使H-ADCP得不到有效利用。

（2）浮子式水位計+水位流量曲線測水方式，受到供水條件的限制，流量曲線主要適用于自由流，因此當(dāng)閘門受壓出水時，查詢流量則存在一定誤差，特別是始水和尾水流量與流量曲線所查數(shù)值誤差更大。這種方式僅測定水位，而不能測定流速，往往不能反映當(dāng)時的供水狀況，特別是在供水沿線長達幾十公里的情況下，給供水調(diào)度帶來一定困難。

（3）矩形堰測水設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)了以下兩個問題：一是太河水庫生活和灌溉供水一般采用大流量短時間供水，供水有一定間隔，矩形堰板式明渠流量計堰板前存蓄一定水量，極寒天氣容易導(dǎo)致結(jié)冰而影響供水。二是安裝矩形堰板式明渠流量計會縮小原渠道供水?dāng)嗝?，?dǎo)致渠道設(shè)計流量減小。

（4）超聲波水位計主要受到水流波動的影響比較大，特別是大流量供水，測定的水位值波動較大。

3.3 對策與建議

（1）測水量水系統(tǒng)應(yīng)具有強大的采集、傳輸和處理功能，系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)時要具有擴展性和前瞻性。

（2）灌區(qū)和供水工程測水設(shè)備種類繁多，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適合現(xiàn)場情況的測水設(shè)備，測水設(shè)備選擇不當(dāng)，即使再先進，也不一定能發(fā)揮全部功能和作用，甚至不能滿足需求。

（3）條件允許，盡量改造運行環(huán)境，安裝電磁流量計，自動計算流量、流速、累計水量，測量數(shù)據(jù)精度高，適合自動化上傳數(shù)據(jù)，長期運行，節(jié)省人力和財力。

（4）對超聲波水位計波動誤差，可以利用軟件對其進行均值計算，以降低水位誤差。

4 結(jié)語

太河水庫供水工程長32.1 km，一渠多用、一水多用頻率高，調(diào)度十分困難，通過對供水工程沿線關(guān)鍵位置和關(guān)鍵節(jié)點測水量水設(shè)施的合理分配和布置，來保證供水、工程、調(diào)度和計量安全。采用先進設(shè)備與傳統(tǒng)測流方法相結(jié)合模式，既不能全靠先進設(shè)備和儀器，也不能抱著傳統(tǒng)測流方法不放，在重要的節(jié)點或位置，特別是供水結(jié)算節(jié)點，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，可以安裝不同的測水設(shè)備互為備用，以互相驗證，確保準(zhǔn)確測量。