灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的測定計(jì)算方法研究

灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的測定計(jì)算方法研究

隨著我國水資源短缺日益嚴(yán)重，水資源的合理開發(fā)和利用尤為重要。在我國現(xiàn)有水資源的使用分配中,農(nóng)業(yè)灌溉用水占有70%以上的比重,要節(jié)約灌溉用水主要通過節(jié)水工程技術(shù)措施、節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)和節(jié)水管理技術(shù)多方面來實(shí)現(xiàn),其目的是為了提高灌溉水利用系數(shù),減少灌溉定額以及提高水分生產(chǎn)率。灌溉水利用系數(shù)是衡量農(nóng)業(yè)節(jié)水效果的關(guān)鍵指標(biāo)。對任何一種節(jié)水技術(shù)措施進(jìn)行分析、比較和評價(jià)時(shí)都不能離開灌溉水利用系數(shù)。但是,我國目前各地和各灌區(qū)所給出的灌溉水利用系數(shù)卻難以做為比較與衡量的標(biāo)準(zhǔn),全國灌溉水利用系數(shù)為0.4～0.5也是一個(gè)有爭議的模糊數(shù)字。這種狀況對于我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展是十分不利的。從全國來講,灌溉水利用系數(shù)現(xiàn)狀的不明確,必然導(dǎo)致規(guī)劃30年后灌溉水利用系數(shù)提高到0.6～0.65的含糊性。從各地區(qū)來講,目前統(tǒng)計(jì)出的灌溉水利用系數(shù)差異極大,有的僅有0.2,而有的高達(dá)0.78,很多數(shù)據(jù)明顯地存在錯(cuò)誤,在這種數(shù)字指導(dǎo)下,無法正確地制定地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃,也難以有針對性地指導(dǎo)全國節(jié)水灌溉的發(fā)展。影響灌溉水利用系數(shù)正常測定的主要原因是傳統(tǒng)測定方法存在測定工作量巨大、測定條件難以保證等,目前亟需對灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行分析研究,以探討科學(xué)合理并且實(shí)際可行的測量、計(jì)算灌溉水利用系數(shù)的方法。1灌溉水利用系數(shù)的確定首尾測定法是根據(jù)灌溉水利用系數(shù)的定義而提出的,即只測定最終貯存到作物計(jì)劃濕潤層的水量(即凈灌水定額)和渠首的總引進(jìn)水量,不必測定灌溉水輸、配水過程中的損失,從而求得灌溉水利用系數(shù)。這樣,可大大減少測定工作量。第j次灌水的灌溉水利用系數(shù)ηj可用式(1)計(jì)算:式中:mi為第i種作物的凈灌水定額;Ai為第i種作物的實(shí)灌面積;Wj為第j次灌水渠首總引水量;n為灌區(qū)作物種植種類。灌區(qū)該年度的灌溉水利用系數(shù)ηa可用式(2)計(jì)算:式中:Wa為灌區(qū)渠首年總引水量;m為灌區(qū)全年灌溉次數(shù)。也可用年度灌溉凈用水總量推求灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。灌區(qū)年度灌溉凈用水總量等于該年度所有種植作物的總灌溉定額之和。因此,可在灌區(qū)中選擇典型區(qū),通過灌溉試驗(yàn)確定各種作物的總灌溉定額。通過測定灌區(qū)渠首年度總引水量、各種作物的實(shí)灌面積,可用式(3)計(jì)算該年度的灌溉水利用系數(shù)ηa:式中:Mi為灌區(qū)某種作物的總灌溉定額。首尾測定法,克服了傳統(tǒng)測定方法工作量大等缺點(diǎn),適用于各種布置形式的渠系,但只是單純?yōu)榱舜_定灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù),不能分別反映渠系輸水損失和田間水利用的情況。如在任何一級渠道上防滲,降低渠道透水性,提高渠道水利用系數(shù),都會收到同樣的效果。但在各級渠道滲漏損失狀況不同時(shí),可以導(dǎo)出下述3種情況,見表1。我們應(yīng)考慮渠道現(xiàn)狀的滲漏情況,先在損失比較大的渠級上防滲。不僅其節(jié)水的程度大,而且,有選擇防滲材料的余地;如果渠道水量損失本來就不大,就只能采用混凝土一類的材料才能有效。經(jīng)驗(yàn)表明,如果η≥0.9,除非水源十分困難,農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格特別高,進(jìn)行防滲是不合算的。這種情況顯然用首尾測定法是分析不出來的。2流量測量,測流典型渠段測量法,首先選擇具有代表性的典型渠道及測流斷面,測流段應(yīng)基本具有穩(wěn)定規(guī)則的斷面;其次選擇測量方法,測定時(shí)盡量采用流速儀表、量水建筑物測流,采用其他方法時(shí),要用流速儀來率定。測定時(shí),應(yīng)在實(shí)際灌溉運(yùn)行條件下測定流量及水量。測段內(nèi)分水口正常分水,測量時(shí)段內(nèi)渠道(渠段)流量應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定。測量典型渠段長度,流量小于1m3/s時(shí),渠段長度不小于1km;流量為1～10m3/s時(shí),渠段長度不小于3km;流量為10～30m3/s時(shí),渠段長度不小于5km;流量大于30m3/s時(shí),渠段長度不小于10km。2.1測量斷面累計(jì)水量測量時(shí)段內(nèi)的損失水量W損失為:式中:W首為測量時(shí)段內(nèi)典型渠道(渠段)首部測量斷面的累計(jì)水量;W尾為測量時(shí)段內(nèi)典型渠道(渠段)尾部測量斷面的累計(jì)水量;∑Wi為測量時(shí)段內(nèi)正常運(yùn)行的下級渠道測量斷面的累計(jì)水量;ΔW渠為測量始末典型渠道(渠段)蓄水量的變化,增加的情況取“-”號,減少的情況取“+”號。要求水位、流量在測量時(shí)段內(nèi)基本恒定,渠段首部、分水口及渠段尾部可同時(shí)測量。2.2典型渠道的洪水損失率首先計(jì)算典型渠段的輸水損失率δ典段,δ典段等于典型渠段測量時(shí)段內(nèi)損失水量與渠段上游斷面的累計(jì)水量之比,即:其次計(jì)算典型渠道單位長度的輸水損失率σ典渠道。實(shí)際渠道不論是按續(xù)灌方式運(yùn)行還是按輪灌方式運(yùn)行,都是在分水情況下運(yùn)行,流量自渠首至渠尾逐漸減小,單位長度的損失水量也相應(yīng)減少,故由典型渠段的輸水損失率計(jì)算實(shí)際典型渠道單位長度輸水損失率時(shí),必須進(jìn)行修正換算。典型段選定后,影響渠系水利用系數(shù)的因素主要有流量變化情況、沿程分水情況及典型段選擇的位置情況,因此,引入k1、k2、k33個(gè)修正系數(shù)。典型渠道單位長度的輸水損失率σ典渠道可由式(6)來計(jì)算:式中:L典渠段為典型渠段的長度,若測量段為整條典型渠道時(shí)L典渠段為整條典型渠道的長度(km);k1為輸水系數(shù),為渠首流量,Qe為渠尾出流流量;k2為分水系數(shù),實(shí)際渠道的分水情況是很復(fù)雜的,為便于應(yīng)用,簡化為線性分水,即假定換算到單位渠長上的分水量,自渠首至渠尾呈直線變化。如果進(jìn)一步假定灌溉定額沒有區(qū)別,則分水系數(shù)k2可以用渠道控制區(qū)的寬度表示:式中:B為渠道控制區(qū)的平均寬度;ΔB為在控制區(qū)寬度呈線性變化的假定下,首部與尾部的寬度差;如果實(shí)際渠道接近均勻分水,即上下游控制面積區(qū)別不大,則:k2=0.5。k3為位置修正系數(shù),k3=0.5+L1/L,L1為典型渠段中心點(diǎn)到該渠道渠首距離,L為典型渠道的長度。渠道單位長度的輸水損失率σ渠道等于所選該級各典型渠道輸水損失率σ典渠道i按渠道長度L典渠道i進(jìn)行加權(quán)平均的計(jì)算值,即:則某級渠道的輸水損失率δ渠為:式中:L渠為該級渠道的平均長度(km),即該級渠道的總長度除總條數(shù)。因此,某級渠道的渠道水利用系數(shù)η渠道為:2.3合理確定田間水利用系數(shù)首先計(jì)算田間水利用系數(shù),根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》(SL207-98),按下式進(jìn)行計(jì)算:式中:η田間為田間水利用系數(shù);A為農(nóng)渠控制的實(shí)灌面積(hm2);W農(nóng)凈為1次灌溉農(nóng)渠放出的總水量(m3);m為設(shè)計(jì)凈灌水定額(m3/hm2)。充分灌溉為在作物生育期完全按高產(chǎn)需要水量灌溉。充分灌溉時(shí),根據(jù)作物主要根系活動層確定不同作物不同生育期的計(jì)劃濕潤層深度,據(jù)此校核設(shè)計(jì)凈灌水定額。稻區(qū)田間水利用系數(shù)可取0.95以上。非充分灌溉為在作物生育期部分地按生長需要實(shí)施灌溉。非充分灌溉的判別應(yīng)根據(jù)作物需水量和有效降雨量、土壤水分消耗、灌溉定額等參數(shù)確定。即非充分灌溉條件下的設(shè)計(jì)凈灌水定額可取實(shí)際平均毛灌水量的90%～95%,即非充分灌溉條件下的田間水利用系數(shù)可取為0.9～0.95,虧缺量大時(shí)取上限,虧缺量小時(shí)取下限。也可在灌區(qū)中選擇有代表性的地塊,通過實(shí)測灌水前后(2d左右)土壤含水量的變化,計(jì)算凈灌水定額,算出田間水利用系數(shù)。灌溉水利用系數(shù)η水等于渠系水利用系數(shù)η渠與田間水利用系數(shù)η田間的乘積,即:3灌溉3.1渠系水利用系數(shù)及其分配一般情況下,分析某一級渠道的水利用系數(shù)并不困難,但如何合理確定全灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)則往往令人十分棘手。在實(shí)際灌區(qū)中,普遍存在越級渠道。如在總干渠上直接接斗渠,則跨越了干渠、支渠二級。越級則免損,不考慮越級現(xiàn)象的影響,則過低地估計(jì)了渠系水利用系數(shù)。因此,在灌區(qū)渠道有越級現(xiàn)象時(shí),應(yīng)進(jìn)行修正,使計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。設(shè)直接從總干渠上取水的斗渠灌溉面積為A1;直接從總干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面積為A2;直接從干渠上取水的斗渠灌溉面積為A3;從干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面積為A4;作物凈灌溉定額為M。顯然A1、A2、A3、A4之和即為全灌區(qū)總灌溉面積。不考慮越級現(xiàn)象時(shí),灌溉水利用系數(shù)為:這也就是認(rèn)為灌溉面積A1、A2、A3、A44個(gè)分支灌溉系統(tǒng)的灌溉水利用系數(shù)都是一樣的,均為η水1=η總·η干·η支·η斗·η農(nóng)·η田。而事實(shí)上并非如此,實(shí)際上各灌溉面積所引的毛水量W為:這與M(A1+A2+A3+A4)/η總η干η支η斗η農(nóng)η田是有差別的。實(shí)際灌溉水利用系數(shù)應(yīng)為:式中:η1、η2、Aη3、η4,為對應(yīng)于A1、A2、A3、A4的灌溉水利用系數(shù);k1、k2、k3、k4分別為A1、A2、A3、A4占總面積的權(quán)重。如北方某灌區(qū),從總干渠引水,直接從總干渠開口引水的有3條干渠、1條分干渠和1條很短的輸水干渠。干、分干渠的下級固定渠道有支、斗、農(nóng)、毛4級。在管理局進(jìn)行灌溉水利用系數(shù)測試,計(jì)算渠系水利用系數(shù)時(shí)遇到了渠道越級輸水問題。渠系組成按組成的渠道級數(shù)分為六級、五級、四級、三級、二級幾種。表8所示的渠系組成類型就有16種,渠系水利用系數(shù)率計(jì)算見表2。按傳統(tǒng)連乘方法計(jì)算渠系水利用系數(shù)為0.42,與按式(14)計(jì)算的結(jié)果0.5522比較,差值較大。3.2渠系水利用系數(shù)的確定灌溉渠系水利用系數(shù)的計(jì)算,常用各級渠道水利用系數(shù)相乘的積來表示。但僅適用于計(jì)算串聯(lián)和等效并聯(lián)的渠系,而不能應(yīng)用于非等效并聯(lián)的渠系。幾條下級渠道均由同一條上級渠道供水的方式為并聯(lián)渠系。一般灌溉面積較大的灌區(qū),干、支渠多采用續(xù)灌,斗、農(nóng)渠采用輪灌。干、支渠的聯(lián)接方式通常為非等效并聯(lián)渠系,也就是幾條支渠的引水流量和渠道水利用系數(shù)不相同,干渠不同渠段的流量及相應(yīng)渠段的渠道水利用系數(shù)也不相同。而支渠控制的若干斗、農(nóng)渠為等效并聯(lián)渠系運(yùn)行方式,即各條斗渠的引水流量與渠道水利用系數(shù)相同,各條農(nóng)渠的引水流量與渠道水利用系數(shù)均相同。串聯(lián)渠道指干、支、斗、農(nóng)渠道首尾依次相接,中間無分流的灌溉渠系。串聯(lián)渠道的渠系水利用系數(shù)η渠系為:即串聯(lián)渠道的渠系水利用系數(shù)可用各級渠道水利用系數(shù)相乘的積來計(jì)算。并聯(lián)渠道為幾條下級渠道均由同一條上級渠道供水的組合渠道。一般灌溉面積較大的灌區(qū),干、支渠多采用續(xù)灌,斗、農(nóng)渠采用輪灌。干、支渠的聯(lián)接方式通常為非等效并聯(lián)渠系,也就是幾條支渠的引水流量和渠道水利用系數(shù)不相同,干渠渠段的流量和各段的渠道水利用系數(shù)也不相同。而支渠控制的若干斗、農(nóng)渠為等效并聯(lián)渠系運(yùn)行方式,即各條斗渠的引水流量與渠道水利用系數(shù)相同,各條農(nóng)渠的引水流量與渠道水利用系數(shù)均相同。下面分別研究等效和非等效渠道并聯(lián)的渠系水利用系數(shù)。設(shè)上級渠道計(jì)算參數(shù)用下標(biāo)i表示,下級渠道計(jì)算參數(shù)用下標(biāo)j表示,并分別用下標(biāo)g和n表示渠道的毛流量和凈流量。在非等效并聯(lián)渠道中,同級渠道的渠道水利用系數(shù)不相等,流量也不相同。由渠系水利用系數(shù)定義知:式中:η渠系為二級渠系的渠系水利用系數(shù);dj=Qjkg/∑Qjkg,為下級第j條渠道的毛流量占下級渠道總毛流量的權(quán)重;ηi為上級渠道的渠道水利用系數(shù)。一般地,若上級渠道與下級渠道為m段非等效并聯(lián),則渠系水利用系數(shù)計(jì)算式為:即非等效并聯(lián)渠道的渠系水利用系數(shù)計(jì)算式與各級渠道水利用系數(shù)相乘的計(jì)算形式是有區(qū)別的。4綜合測定法若只是單純?yōu)榱舜_定灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù),可采用首尾測定法。該法簡便,測量結(jié)果接近實(shí)際。但難以反映出灌區(qū)渠系用水情況、灌溉工程質(zhì)量及灌溉用水管理水平等,不能用來指導(dǎo)灌區(qū)節(jié)水工程改造。若灌區(qū)財(cái)力、人力許可,或灌區(qū)自動化程度很高,各測量點(diǎn)的參數(shù)信息能夠及時(shí)得到采集時(shí),可根據(jù)灌溉水利用系數(shù)的定義,利用傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行灌區(qū)全面測量。但在我國目前及今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)難以達(dá)到這種水平。綜合測定法就是將首尾測定法、典型渠道測量法及對灌溉水利用系數(shù)的修正等綜合考慮的一種方法。它克服了傳統(tǒng)測量方法中工作量大,需要大量人力、物力才能完成的缺點(diǎn),又彌補(bǔ)了只測量典型渠段而引起較大誤差的不足。在我國目前及今后相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)具有重要的實(shí)用價(jià)值。綜合測定法的步驟:首先確定灌區(qū)測量渠道的數(shù)量、測量方法、典型渠段及其長度;其次,計(jì)算出典型渠段的單位長度輸水損失率;然后,確定輸水系數(shù)、分水系數(shù)及典型渠段位置修正系數(shù),計(jì)算出典型渠道的單位長度輸水損失率;第4步,進(jìn)行典型渠道非等效并聯(lián)修正;第5步,進(jìn)行同級渠道土渠與襯砌渠道的渠道水利用系數(shù)綜合計(jì)算;第6步,進(jìn)行渠道越級輸水修正,計(jì)算渠系水利用系數(shù);第7步,計(jì)算田間水利用系數(shù)及灌溉水利用系數(shù);第8步,利用首尾法計(jì)算灌溉水利用系數(shù)并進(jìn)行對比分析。5渠道水利用系數(shù)測定河套灌區(qū)位于西北干旱地區(qū),主要灌溉系統(tǒng)為黃河一首制引水,7級渠系布設(shè),即總干渠1條,干渠12條,分干渠48條,支渠202條,斗農(nóng)毛渠7.4萬多條?，F(xiàn)灌溉面積58.47萬hm2。由于灌區(qū)歷史悠久,工程老化,配套程度差。在干、分干上直接開口的直支202條,直斗737條,直農(nóng)1268條,直毛及田口613條。這種渠系結(jié)構(gòu)給灌溉水利用系數(shù)的分析計(jì)算造成很多困難。結(jié)合灌區(qū)實(shí)際,盡可能代表灌區(qū)實(shí)際。西片選擇了解放閘灌域,它臨近烏蘭布和沙漠邊緣,土壤質(zhì)地以砂壤土為主;東片選擇了義長灌域,土壤質(zhì)地以砂粘土為主。東西2片共選了干渠2條,分干渠2條,支、斗、農(nóng)渠各3條,毛渠2條?？偢汕臏y定任務(wù)由巴盟水文勘測局完成。斗渠以上渠道采用LS-68型和1206型流速儀配置2次儀表進(jìn)行施測,對農(nóng)毛渠測定采用梯形薄壁量水堰或1206B型流速儀施測,量水設(shè)備均滿足測驗(yàn)精度要求,操作方法按照水文規(guī)范精測法的要求進(jìn)行。在測驗(yàn)過程中,對總干渠和干渠選擇了典型渠段,對分干以下渠道有的選擇典型渠段,有的采用全渠道實(shí)測。河套灌區(qū)渠道水利用系數(shù)計(jì)算見表3,非等效并聯(lián)修正渠道水利用系數(shù)計(jì)算見表4,河套灌區(qū)渠道越級輸水修正灌溉水利用系數(shù)計(jì)算見表5,首尾測定法灌溉水利用系數(shù)計(jì)算見表6。與首尾測定法相比,結(jié)果偏小。本次測定時(shí)灌區(qū)1