淺析提水排灌站流量測算方法及監(jiān)測措施
——以高郵里下河圩區(qū)為例

周克志，張有松，孫龍祥，居朝勇，孫牧原

（高郵市水利局，江蘇 高郵 225600）

農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，而對于機(jī)電排灌站工程來講，它可以確保農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、旱澇保收。因此，排灌站在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中起到關(guān)鍵作用，是一項(xiàng)關(guān)乎國計民生的應(yīng)用性工程。在灌區(qū)的管理過程中，排灌站流量的計算與監(jiān)測至關(guān)重要，選擇合適的流量計算和監(jiān)測方法，才能進(jìn)一步為灌區(qū)信息化工作奠定基礎(chǔ)。鑒于此，本文圍繞排灌站流量的計算方法與流量自動監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行論述。

1 我國排灌站的發(fā)展

排灌站是農(nóng)村基本的水利設(shè)施，負(fù)責(zé)農(nóng)田的灌溉與排水。隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)田排水和灌溉效率得到提高；隨著大力發(fā)展高原灌區(qū)，不斷治理沿江濱湖漬澇地區(qū)，以及多目標(biāo)大型跨流域調(diào)水工程的實(shí)施等，讓機(jī)電提水排灌在我國得到很大的發(fā)展，排灌泵站設(shè)備的容量和排灌效益都有極富成效的增長。

我國機(jī)電排灌站工程運(yùn)用范圍廣、實(shí)施數(shù)量大、發(fā)展速度快，根據(jù)不同的自然條件可以分為西北和華北地區(qū)大量的機(jī)井泵站和高揚(yáng)程泵站、西南和中南地區(qū)高原筒型泵站、平原河網(wǎng)地區(qū)的大中小型泵站以及浮船式、纜車式泵站[1]。本文主要闡述我國排灌站流量測算方法和監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展。

2 排灌站流量測算方法

2.1 排灌站傳統(tǒng)推流方法

排灌站是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，排灌水量與電功率、水頭（揚(yáng)程）有如下關(guān)系：

式中，Q 為總流量（m3/s）；η為效率（%），即有效功率與耗用電功率之比；Ns為各機(jī)總電功率（Kw）；H為水頭或揚(yáng)程（m）；q為單機(jī)流量（m3/s）；N為單機(jī)電功率（Kw）。

傳統(tǒng)的推算排灌站流量，首先建立以單機(jī)功率N為縱坐標(biāo)、效率系數(shù)η為橫坐標(biāo)的關(guān)系曲線；根據(jù)實(shí)測流量與電功率、水頭的關(guān)系，建立以水頭H為縱坐標(biāo)、單機(jī)流量q為橫坐標(biāo)、單機(jī)電功率N為參數(shù)的H-N-q關(guān)系曲線；根據(jù)每日的水位觀測值H和電功率N記錄，在N-η關(guān)系曲線上查讀η，在H-N-q關(guān)系曲線上查讀q值，再乘以開機(jī)臺數(shù)即為總流量[2]。繪制可分為3個步驟，如圖1所示。

（1）點(diǎn)繪單機(jī)效率N與效率系數(shù)η的關(guān)系點(diǎn)，并通過點(diǎn)群中心定N-η關(guān)系曲線。

（2）再通過取不同的單機(jī)效率N值，在N-η曲線上查讀效率η，繪制以N為參數(shù)的N-H-q關(guān)系曲線簇。

（3）然后根據(jù)每日觀測水位H和電功率記錄N，即可查讀單機(jī)流量q值，乘以開機(jī)臺數(shù)即總流量Q。

圖1 排灌站N-H-q關(guān)系曲線

2.2 對傳統(tǒng)排灌站流量計算的改進(jìn)

傳統(tǒng)的排灌站推流方法比較繁瑣，周黔生[3]提出一種改進(jìn)的方法，可以簡化計算過程。效率η是一項(xiàng)重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，它的大小標(biāo)志著水泵性能的好壞及動力利用的有效程度。在水泵的工作過程中，抽水機(jī)內(nèi)的水由于自身與流道和葉輪表面的摩擦和水自身粘度的影響，在抵抗水表面的流動摩擦力及渦流阻力的過程中會消耗能量，因此水泵的軸功率不可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Чβ?，其有效利用率就是水泵的效率。水頭H和水頭的效率η有如圖2所示的關(guān)系，觀察可知，在P點(diǎn)以前，效率η隨著水頭H的增大而增高；但P點(diǎn)以后，效率η隨著水頭H的增大而逐漸減小。分析表明，水泵的實(shí)際效率一般不會到達(dá)高效率區(qū)（P點(diǎn)之后），且在正常效率下，效率η與水頭H近似符合指數(shù)曲線關(guān)系，可用公式（3）表示：

因此，可根據(jù)排灌站觀測的水位H和記錄的泵站效率η的關(guān)系曲線，對H-η指數(shù)關(guān)系中的參數(shù)a、b進(jìn)行率定。將公式（3）代入公式（2），可得：

單機(jī)流量由單機(jī)效率N和水頭H即可求得，再乘以開機(jī)臺數(shù)即為總流量Q。改進(jìn)后的排灌站推流方法，比傳統(tǒng)方法減少了計算步驟，不必查圖即可計算出單機(jī)流量，大大提高了排灌站流量計算的效率，也有利于計算機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)。

2.3 經(jīng)驗(yàn)公式法

圖2 排灌站H-η關(guān)系曲線

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，往往需要對排灌站的流量進(jìn)行速算或粗略的估算，既方便省力，又能滿足排灌站規(guī)劃設(shè)計要求，在此種情況下，經(jīng)驗(yàn)公式法顯得尤為重要。

肖良笙[4]提出，可根據(jù)灌溉面積，對所需的水泵流量進(jìn)行粗略估算。所需水泵流量等于灌區(qū)面積畝除以輪灌天數(shù)，再除以水泵工作時間利用率。輪灌天數(shù)是指灌區(qū)1市寸水深能維持作物所需水量的天數(shù)，與土質(zhì)和灌區(qū)類別有關(guān)，水田是3～5 d，旱地則7～10 d。水泵工作時間利用率是指水泵每天抽水時間（小時）與24 h的比值。根據(jù)水泵進(jìn)水口徑也可以粗略估算水泵流量，當(dāng)水泵口徑單位是英寸時，水泵流量（m3/h）=水泵口徑2×5；當(dāng)水泵口徑單位是毫米時，水泵流量（m3/h）=（水泵口徑 /25）2×5。

王世儀[5]提出，根據(jù)單機(jī)功率N和總水頭H，也可以對水泵流量Q進(jìn)行直接估算，公式如下：

3 提水灌區(qū)排灌站流量的監(jiān)測

在流量測驗(yàn)工作中，排灌站的流量監(jiān)測相對而言，難度較大。主要有以下原因：泵站水流含有較多泥沙、雜草等污物，影響流量計的工作；流道或管道斷面變化比較復(fù)雜，直管長度不足，流量儀表安裝條件不足；排灌站多數(shù)是季節(jié)性運(yùn)行，非運(yùn)行期難以堅持正常的維護(hù)保養(yǎng)。泵站最常用的流量監(jiān)測方法是流量計法，但流量計法局限性較大，因此后來研究出差壓法進(jìn)行泵站測流[6]。

3.1 流量計法

流量計法分為很多形式，除了傳統(tǒng)的流速儀法外，常用的還有電磁流量計、渦輪流量計、超聲波流量計等。

流速儀法的原理是流速面積法，該方法通過分布在明渠或管道某一斷面的流速儀，測量斷面的流速分布情況，并將斷面上的流速分布進(jìn)行積分即可得到斷面流量[7]。對于有足夠等徑直管長度的水泵裝置，可將流速儀裝入管道內(nèi)測量流量，對于沒有足夠直管長度、但建有規(guī)則斷面輸水槽的泵站，也可以在明槽中安裝流速儀進(jìn)行流量測量。流速儀法適用范圍廣，但其測流精度較差。

電磁流量計法的依據(jù)是電磁感應(yīng)原理，由于水流具有導(dǎo)電屬性，因此當(dāng)水流沿管道垂直通過交變磁場時會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其大小與平均流速成正比[8]。根據(jù)這一原理，只要準(zhǔn)確測出水流的感應(yīng)電動勢，便能求得斷面平均流速，再乘以過水?dāng)嗝婷娣e，即可求得流量。電磁流量計的測流精度高，完全能滿足泵站管理部門對精度的要求，測流時對水質(zhì)的要求也低于懸槳式流速儀，但其對安裝現(xiàn)場的要求較高。

超聲波流量計法是利用超聲波在水中的傳播特性（如穿透性、方向性、多普勒效應(yīng)等）測定平均流速，并結(jié)合斷面資料來推求流量的方法。超聲波流量計測量范圍寬，且無壓力損失，適用于大管徑大流量的測量，但安裝使用條件很嚴(yán)格，且價格昂貴。

3.2 差壓法

水流產(chǎn)生壓力的情況有很多種，比如當(dāng)水流通過截面發(fā)生變化的流道時，壓能和動能的互相轉(zhuǎn)化會產(chǎn)生一定的壓力差；當(dāng)水流通過彎曲的流道時，由于其動量發(fā)生了變化也會產(chǎn)生一定的壓力差；若水流在流動過程中受摩阻作用影響較大，則其在不同斷面和部位之間也會產(chǎn)生一定的壓力差。水流產(chǎn)生的壓力差與通過過水?dāng)嗝娴牧髁看嬖谝欢ǖ暮瘮?shù)關(guān)系，通過測出壓力差就可以求得流量，這就是差壓法的基本原理。壓力差不論由于何種原因產(chǎn)生，其流量Q與壓差ΔH的關(guān)系均可通過下式表示：

式中，ΔH為由于動能或動量變化產(chǎn)生的壓力差（mH2O）；K為流量系數(shù)。

根據(jù)排灌站水泵裝置型式，選擇適宜的測壓斷面，組成不同形式的差壓測流裝置，主要有進(jìn)水流道差壓測流裝置、利用進(jìn)水喇叭管測量水泵流量、彎頭差壓或文丘里管差壓測流[9]。差壓法測流中，由于水流流態(tài)復(fù)雜，而且產(chǎn)生壓差的部件制作工藝各不相同，以及裝置安裝條件的差異，難以采用理論計算的方法來確定差壓與流量的關(guān)系，一般采用一種公認(rèn)的測量技術(shù)對所選定的差壓測流系統(tǒng)的流量系數(shù)K進(jìn)行原位標(biāo)定，才能保證測量結(jié)果的精確度。常用的有超聲波法、流速儀法、示蹤法。

3.3 在線自動監(jiān)測系統(tǒng)

隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，排灌站流量在線自動監(jiān)測系統(tǒng)越來越受到重視，它可以實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備的分布式監(jiān)控及集中管理，通過將泵站的各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，中心控制室同時對各泵站的水位、流量、閥門設(shè)備等實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集和自動遠(yuǎn)程控制，監(jiān)控泵站各個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對異常情況迅速處理并報警。在線自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成主要包括：數(shù)據(jù)管理層，即監(jiān)控中心，主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫軟件、泵站自動控制系統(tǒng)軟件平臺等組成；數(shù)據(jù)傳輸層，即數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集層，即前端硬件設(shè)備，包括遙測終端、傳感器設(shè)備、水泵等。系統(tǒng)組成拓?fù)鋱D如圖3所示。

4 高郵市耿庭四號提水泵站觀測數(shù)據(jù)分析

4.1 觀測數(shù)據(jù)

2017年耿庭泵站觀測數(shù)據(jù)見表1、表2、表3。

4.2 對比分析

綜上數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明使用經(jīng)驗(yàn)公式法測算得出的耿庭四號提水泵站出水流量，與電子流量計觀測的流量數(shù)據(jù)、以及渠道差壓法測得的流量數(shù)據(jù)對比，在忽略誤差的情況下，基本吻合。觀測數(shù)據(jù)有效，監(jiān)督措施合理。

5 結(jié)語

排灌站在我國灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中扮演著至關(guān)重要的角色，傳統(tǒng)的排灌站流量測算方法，需要繪制H-N-q曲線和N-η曲線，過程繁瑣。改進(jìn)后的排灌站流量測算方法簡化了計算過程，且有利于計算機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)，提高了流量測驗(yàn)的效率。在對精度要求不高的情況下，也可以用經(jīng)驗(yàn)公式法對排灌站流量進(jìn)行粗略估算。

圖3 泵站在線自動監(jiān)測系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表1 2017年度耿庭泵站用水情況記錄表

表2 2017年度耿庭泵站用水情況數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表3 2017年度耿庭泵站電子流量計出水流量、渠道過水流量記錄表

目前對排灌站流量的監(jiān)測，多使用流量計法和差壓法?？紤]到流量計需要較為嚴(yán)格的安裝條件和昂貴的成本，差壓法更具有廣泛的適用性和便捷性。然而差壓法的流量系數(shù)K的率定，是一個較復(fù)雜的問題，仍需要通過流量計法或示蹤法去標(biāo)定。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷普及，以及政府對“智慧水務(wù)”的號召，排灌站流量自動監(jiān)測系統(tǒng)將得到充分的發(fā)展，在將來的灌區(qū)排灌站管理中，發(fā)揮越來越重要的作用。