为了准确测算平原河网提水灌区的毛灌溉用水量和灌溉水有效利用系数，需要对灌溉泵站常水位下的单位电量提水量进行率定。采用超声波流量计测定水泵流量，同时观测水泵在同一时段内的用电量，通过计算水泵实际功率获得泵站单位电量的提水量。结果表明，水泵实测流量均小于额定流量，超声波流量计与断面流速法观测到的水泵流量接近，可以用于水泵流量的率定。超声波流量计快捷方便，具有一定精度，是泵站单位电量提水量率定的一种可行方法。

1.问题的提出

我国是世界上人均水资源贫乏的国家之一，也是水资源浪费较为严重的国家之一。在我国总用水量中，农业用水量占比超过 60% ，灌溉水利用系数较低，浪费现象严重。

灌溉水有效利用系数是评估农业灌溉用水效率的重要指标也是评价节水潜力与节水灌溉发展成效的主要依据提高和正确评估灌溉水利用系数对于合理利用水资源及促进农业可持续发展具有十分重要的意义。

灌溉水有效利用系数反映灌溉系统取用的灌溉总水量被田间作物充分利用的效率，其计算通常采用作物利用水量与灌区取用总水量的比值。对于平原提水灌区，小型泵站众多，泵站软硬件配置普遍不高，管理水平较低，直接采用泵站铭牌上标识的数据进行灌区取水量的计算会存在较大误差，而采用断面法进行率定的工作量比较大。针对这一特点，小型泵站选择便携式超声波流量计对水泵进行流量测试，以便快速准确地测定泵站的实际出水量。

本文提出采用超声波流量计对水泵出水量进行率定，可以有效获得水泵的单位电量出水量，对于准确计算提水灌区灌溉水有效利用系数具有重要意义。

2.超声波流量计的工作原理及安装

手持式超声波流量计采用非接触测量方式，没有活动机械部件，不受系统压力和恶劣环境的影响，具有操作简单、测量精度高 ( 优于 1% ) 、一致性好等优点，已被广泛应用于各行业计量工作中。

便携式超声波流量计的种类很多，测量范围很广。结合本次测试泵站的流量及出水口直径均不大的实际情况，为了便于操作，选择手持式超声波流量计 ( GFM66— UFH01) 进行测定。手持式超声波流量计 ( GFM66— UFH01) 可测量纯水、污水、化工流体、河水、燃料油等流体，测量管道的直径范围为 20 ～ 6 000 mm，精度 ±0. 5% 。该产品的探头可以直接安装在管道外壁上，不受介质影响，安装简便快速。仪表内置的数据库提供了大多数常用管材和介质的选项，仪表连接探头后，用户只需输入管道和介质参数即可，测量时，用户可以根据状态显示了解应用情况。该产品采用高速采样和自适应信号处理技术，即使在苛刻的测量工况下，也能可靠而稳定地工作。

手持式超声波流量计的 2 个传感器具有收、发两用的特点，操作人员将 2 个传感器按照一定距离附着在管道外侧即可，可以使用 2 次声程的 V 法，4 次声程的 W 法，或者采用声波直接穿过被测管路相对安装的 Z 法。操作人员可基于被测管路和流体的特点选择采用方法。超声波流量计控制 2 个传感器轮流接收和发射超声波并测量其传播时间，得到的时差与流体的流速有直接关系 ( 见式 ( 1 ) ) 。手持式超声波流量计的工作原理见图 1。

手持式超声波流量计传感器位置的安装很重要。管路需要有足够长的直管段，直管段越长越好，一般上游 10 倍管直径长度，下游 5 倍管直径长度，泵出口 30 倍管直径长度，同时保证此段管路的液体一定是满管的。被测管路的温度在传感器使用温度范围内，通常室温状态下最佳。由于受管道锈蚀或结垢的影响，最好选择较新的管道进行测量，条件不具备的可以把锈蚀厚度从管壁厚度中减去，或者将结垢当作衬里。有些管道有塑料衬里，由于管道的制造工艺等原因，管道内壁与衬里之间可能存在缝隙，阻挡超声波的传播，使测量变得困难，这种情况应尽量避免。传感器安装见图 2。

手持式超声波流量计传感器使用了一对收发两用的压电陶瓷片，它们能够发射和接收穿过管道和液流的超声波信号。流量的测量是通过测量发射和接收超声波不同时间的差值来完成的，实际使用中需要特别注意。

实际测量时，选择直管段长度足够，最好是新管道无锈蚀、易于操作的位置。清除管道上的杂物和锈蚀，在传感器的发射面上涂上足够的耦合剂 ( 黄油、凡士林等) ，排除传感器发射面与管道外表面之间的空气。传感器的安装一般分为 Z 法安装、V 法安装和 W 法安装。Z 法安装是 2只传感器相向安装 ( 见图 3) ，声波只经过 1 个声程就完成测量，优点是可以获得较强的信号; V 法安装是指 2 只传感器同向安装，声波经对侧管道反射后接收共有 2 个声程;W 法安装指经过 3 个以上声程的测量方法，优点是可以获得较高的测量精度，缺点是信号较弱，只适用于管道条件较好的情况。

3.泵站单位电量提水量计算方法

3. 1 水泵单位时间出水量

水泵单位时间内的出水量即流量 Q，采用手持式超声波流量计 ( GFM66—UFH01) 进行流量测定。

本次测试泵站的管道较小，为了获得较好的信号，传感器采用 Z 法安装。待水泵出水量稳定后开始测定流量，每隔 5 min 读取 1 个流量数值，连续测定 0. 5 h 以上，取得一系列流量数据，取平均值为常水位下的水泵流量 Q。

3. 2 水泵用电功率

水泵单位时间出水量的用电量采用直接读取电表的方法获取。待水泵出水量稳定时，与流量测定同步进行，用秒表计时，并记录用电量，计算单位时间内的用电量即功P。

3 .3水泵单位电量出水量

将同一时间段内获得的泵站流量 Q 和用电功率 P 采用式( 2) 进行计算:I = Q /P                      （2）

式中: I 为单位电量的出水量，m3 / ( kW·h) ; Q 为水泵流量，m3 /h; P 为用电功率，kW。

4.应用结果与分析

4. 1 应用情况

2014 年 5—9 月，采用手持式超声波流量计 ( GFM66— UFH01) 对嘉兴市嘉善县、海盐县、海宁市、桐乡市等地的 47 座泵站进行出水量率定，结合水泵的用电量情况，计算水泵单位电量的出水量。

以嘉善县的泵站为例说明超声波流量计在单位电量提水量计算中的应用。通过便携式超声波流量计在水泵常水位下设定的时间段内 ( 一般 0. 5 h) 对各水泵流量的测定，计算每个泵站各次测量的流量平均值，即各泵站的实测流量。通过读取电表在单位时间内的耗电量，计算得到泵站的实际用电功率，根据公式 ( 2) 计算泵站水泵的单位电量出水量 ( 见表 1)

由表 1 可知，采用手持式超声波流量计 ( GFM66— UFH01) 可以测得 4 个泵站水泵的实际流量，结合测得的用电功率可求得泵站水泵的单位电量出水量，为后续灌溉水利用系数的计算提供依据。

4. 2 对比分析

为了对比分析超声波流量计测定泵站出水量的精度，采用断面流速法对测定结果进行校核。选择上述 4 座典型泵站，分别采用超声波流量计和断面流速法测量水泵出水流量。超声波流量计选择在泵站出水管直管段进行直接测定，断面流速法选择在泵站出水口流向唯一的标准渠道断面进行间接测定。断面流速法采用经过校对后的 LS45A 型

旋杯式流速仪，参照 GB /T 21303—2007 《灌溉渠道系统量水规范》测定 LS45A 型旋杯式流速仪的测速范围是0. 015 ～ 3. 500 m /s，均方误差不超过 ± 1. 50% 。2 种方法测定水泵流量的对比分析见表 2。

从表 2 可以看出，超声波流量计和断面流速法测得的泵站实际流量均小于泵站实测流量，说明采用泵站铭牌上的额定流量推算毛灌溉用水量存在较大的误差。超声波流量计测得的水泵流量与断面流速法测得的水泵流量有一定的差异，但流量偏差均不超过 ± 5. 00% ，在误差允许范围内。因此，采用超声波流量计进行泵站出水量测定是可行的，能够为灌溉水利用系数的测算提供可靠的依据。

5.结 语

灌溉水利用系数测算是一项长期而又复杂的工作，毛灌溉用水量的测定精度直接影响到系数测算的可靠性。超声波流量计在嘉兴市各地泵站的测定实践表明:

( 1) 对平原提水灌区，采用电量法计算毛灌溉用水量时必须对水泵流量进行率定，不能直接采用水泵铭牌数据进行计算。

( 2) 超声波流量计可以用在泵站水泵流量的率定中，与断面流速法对比分析可知，超声波流量计测定结果稳定可靠。

( 3) 小型泵站的管径和出水量一般较小，建议选择超声波流量计时，选择 DN20 ～ DN6000 的测量范围就能满足要求，精度要求不大于 2% ，满足 GB /T 21303—2007 《灌溉渠道系统量水规范》的要求。

( 4) 手持式超声波流量计 ( GFM66—UFH01) 适用范围广，安装简便快速，精度高，但使用时应尽量避免液体中含有过多的泥沙、杂草。同时，2 个探头应安装在同一平面; 表面锈蚀严重的钢管，应擦掉铁锈后测试; 测试时，应根据管道材料、官壁厚度选择正确的参数; 流态稳定后读数; 测试结果取测试值的平均值。