渠系水利用系數(shù)測量

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 渠系水利用系數(shù)測量

  摘要：針對我省水稻灌區(qū)的實際情況，對灌溉水利用系數(shù)的影響因素、測定方法和有關(guān)參數(shù)的推求進行了研究，提出了我省水稻灌區(qū)水利用系數(shù)的具體方法。  關(guān)鍵詞：渠系水利用系數(shù) 田間水利用系數(shù) 灌溉水利用系數(shù)    為準(zhǔn)確掌握我省水稻灌區(qū)灌溉水的利用效率，黑龍江省水利廳委托省水文局于2004年在全省開展了水稻灌區(qū)利用系數(shù)的測定工作，筆者參加了此項工作，并積累了一定實際經(jīng)驗。本文在總結(jié)以往工作經(jīng)驗、借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，對從灌溉水利用系數(shù)的測定方法、水利用系數(shù)的影響因素和有關(guān)參數(shù)的確定進行了認(rèn)真的研究，提出了推求灌溉水利用系數(shù)的具體方法，可供有關(guān)部門在今后開展類似工作時參考。 1  渠系水利用系數(shù) 1.1 渠系水利用系數(shù)的影響因素 渠系水利用系數(shù)是指灌區(qū)末級固定渠道放出的總水量于渠首因進水量的比值。渠道水利用系數(shù)的影響因素是多方面的，其中主要因素為渠道的防滲措施、土壤的透水性能、輸水流量和地下水水位。 (1)渠道的防滲措施 渠道防滲是減少輸水損失、控制地下水位，提高渠道水利用系數(shù)的基本工程措施。目前我省渠道采取的防滲方式主要有土料防滲、混凝土防滲和膜料防滲等。根據(jù)有關(guān)資料：采用土料夯實防滲一般能減少滲漏損失量45%左右，采用混凝土襯砌防滲能減少滲漏損失量70～75%，采用塑料薄膜襯護防滲能減少滲漏損失量50～90%。掌握上述各種措施的防滲效果，對確定渠系水利用系數(shù)測定方法、分析測定結(jié)果的合理性是十分必要的。 (2)渠道土壤的透水性能 對于土渠渠道的輸水損失量主要取決于渠道土壤的透水性能。土壤的透水性能主要和土壤的質(zhì)地有關(guān)。根據(jù)土壤的質(zhì)地可把土壤劃分為砂土、壤土和粘土三類。砂土類土壤主要有粗砂和細砂組成，粉砂和粘粒所占比例很少，因此土壤顆粒粗、粘性小孔隙直徑大，土壤透水性強，由此類土壤組成的渠道由于下滲損失量大，渠系水利用系數(shù)小。粘土類土壤主要由粉砂和粘粒組成，土壤質(zhì)地粘重，結(jié)構(gòu)緊密，雖然孔隙率較大，但孔隙直徑小，土壤透水能力弱，由此類土壤組成的渠道下滲損失量小，渠系水利用系數(shù)較高。壤土類土壤質(zhì)地比較均勻，其中細砂、粉砂和粘粒所占比例大體相當(dāng)，顆粒粗細及孔隙直徑適中，土壤透水性能介于沙土和粘土之間，因此渠道下滲損失量和渠系水利用系數(shù)亦介于以上兩種土壤之間。 (3)輸水流量與地下水水位 對于某一級固定渠道，輸水流量愈大，流速愈快，水流傳播時間較短，流量滲漏損失相對較小，渠系水利用系數(shù)大：反之，渠道輸水流量愈小，流速愈慢，水流傳播時間較長，流量相對滲漏損失量愈大，渠系水利用系數(shù)小。反映渠道水量損失率與輸水流量之間相關(guān)關(guān)系的經(jīng)驗公式如下：               （1）  式中：——渠道單位長度水量損失率； K——土壤透水性系數(shù)； M——土壤透水性指數(shù)； Qj——渠道凈流量（m3/s）。 某灌區(qū)渠道水量損失率與輸水流量的關(guān)系如表1。 表1    渠道損失水量與輸水流量關(guān)系表 項  目 流量（m3/s） 0.5 1 5 10 損失流量（m3/s） 壤土 砂土 0.03 0.044 0.039 0.059 0.065 0.099 0.079 0.107 公里損失率（%） 壤土 砂土 6 8.8 3.9 5.9 1.3 2 0.79 1.2 灌區(qū)地下水水位的高低，直接影響渠系水利用系數(shù)的大小。當(dāng)灌區(qū)地下水位較高時，地下水頂托渠系水，減少渠系水的下滲的水力梯度和儲水空間，對渠系水的下滲起到抑制的作用，從而提高渠系水的利用系數(shù)。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇浪粫r，地下水還會“反補”渠道水，出現(xiàn)渠系系數(shù)大于1的現(xiàn)象，根據(jù)實測資料，寶清縣寶石河灌區(qū)干 　　渠最大渠系系數(shù)為1.05，建三江種子站灌區(qū)支渠最大渠系系數(shù)為1.10、北引烏北干渠最大渠系系數(shù)為 1.57 。反之，當(dāng)灌區(qū)地下水位較低時，則會有利于渠系水的下滲，降低渠系水的利用系數(shù) 1.2 渠系水利用系數(shù)測定的基本方法 (1)靜態(tài)測定法 《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》對此法的要求為：“應(yīng)選擇一段具有代表性的渠段，長度為50～100m，兩端堵死，渠道中間設(shè)置水位標(biāo)志，然后向渠中充水，觀測該渠段內(nèi)水位下降過程，根據(jù)水位的變化即可計算出損失水量和渠系水利用系數(shù)。”對具體的測定步驟和計算方法規(guī)范并未提及。筆者認(rèn)為，上述方法所要求的渠道長度過短，代表性不強，且未考慮流量變化對損失率的影響，因此對于斗渠及以上各級渠道的測定不宜采用此方法。但對于渠道較短，流量較小的農(nóng)渠或毛渠采用靜態(tài)測定法還是合適的。渠系系數(shù)應(yīng)按下列方法計算。                       （2） 式中：η——渠渠系系數(shù)； 、——觀測開始時和觀測結(jié)束時相應(yīng)水深的渠道斷面面積； L——該級渠道的平均長度； ΔL——代表渠段的長度； Δ——觀測開始至觀測結(jié)束的時間。                                 （3） 式中：V——渠道水的平均流速。 (2)動態(tài)測定法 根據(jù)渠道布置情況，選擇中間無支流、長度滿足要求的代表性渠段，觀測上、下游兩個斷面同一時段的流量，通過量化渠道損失水量的方法推求渠道水利用系數(shù)。代表渠段渠道水利用系數(shù)用以下公式計算：                         （4） 式中：——代表渠段的渠道水利用系數(shù)； ——代表渠段上、下斷面的流量。 干渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠各級渠道的水利用系數(shù)η渠系用以下公式計算：                           （5） 將（4）、（5）式整理合并得：                  （6） 全灌區(qū)渠系水利用系數(shù)用下式                    （7） 式中：——全灌區(qū)的渠系水利用系數(shù)；  、、、——干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠各級渠道的渠系水利用系數(shù)。 1.3 渠系水利用系數(shù)的測定 1.3.1 代表渠段的選擇 代表渠段選擇應(yīng)遵循如下基本原則：一是所選的典型渠道能代表整個灌區(qū)的同級渠道的平均水平，渠道的土質(zhì)、防滲措施、輸水流量的大小和工程完好率等指標(biāo)應(yīng)與全灌區(qū)該級渠道相接近。二是為減少工作量，可采取抽樣測量，但測渠應(yīng)有足夠的數(shù)量：對于大型灌區(qū)，總干渠1條，干渠不少于2條，支渠不少于2條，斗渠不少于3條，農(nóng)渠不少于4條；對于小型灌，干渠1條，支渠不少于2條，斗渠不少于2條，農(nóng)渠不少于3條。三是所選的渠段要有足夠的長度：流量小于1m3/s，長度不小于1km；流量小于1～10m3/s，長度不小于3km；流量小于1m3/s，長度不小于5km；流量小于10～30m3/s，長度不小于10km，在滿足上述條件的前提下，代表渠段的長度盡量接近灌區(qū)同級渠道的平均長度。 1.3.2 流量測驗 短距離小流量狀態(tài)下，推求渠系水利用系數(shù)可能產(chǎn)生的最大誤差是流量測驗誤差。因此對流量測驗的精度必須引起足夠的重視，引起流量測驗的誤差，主要包括控制斷面選擇的誤差、測流儀器本身的誤差和測寬、測深、測速時產(chǎn)生的誤差。為了減少誤差，提高流量測驗精度，流量測驗應(yīng)盡量滿足下列要求。 (1)測流斷面：測流斷面應(yīng)選擇在渠道順直，斷面穩(wěn)定，水流均勻，無回流或水流脈動較小的地方；當(dāng)測流斷面生有水草或出現(xiàn)淤積時應(yīng)對渠道進行整治，整治長度宜大于渠道水面寬的5倍，必要時要用木板或水泥板對斷面進行襯砌處理。 (2)測流儀器:干渠和支渠流量和水深條件較好，LS25-1、LS-10型等常規(guī)流速儀的測定范圍即可滿足測深和測速的要求，因此干渠和支渠的流量測驗可選用上述常規(guī)的儀器。斗渠和支渠的水深和流速均較小，采用常規(guī)的儀器無法施測或不能保證精度，宜采用專門測量低水位、小流速的ADV等新型儀器。流速儀應(yīng)選擇新的或使用時間短的，若使用兩臺流速儀同時測流，要進行比測，作一致性修正。觀測農(nóng)渠流入水稻格田水量時，由于流量很小 水位變化較快，無法用流速儀測流，此時應(yīng)采用V型量水堰,通過觀測水位和時間的方法測量流入田間的水量。  (3)測量精度：測長和測寬最好用鋼尺量測，重復(fù)三次，取平均值。測深垂線按精密水道斷面要求布設(shè)，控制斷面地形轉(zhuǎn)折變化，水深要讀到毫米。測速垂線按精測法布設(shè)，測點按三點法和五點法，測流不低于100秒，測量的流速計至小數(shù)后三位，特別小時流速可計至小數(shù)后三位。流量成果計算到小數(shù)后四位。  (4)測次安排：通過上述渠系水利用系數(shù)影響因素分析可知，對于同一代表渠段，渠道的防滲措施和土壤組成對下滲損失及渠系系數(shù)的影響是固定不變的，此時引起渠系系數(shù)產(chǎn)生變化的主要原因?qū)⑷Q于渠道的工作方式、輸水流量的大小和灌區(qū)地下水水位的高低。受作物需水規(guī)律的控制和降水、回歸水的影響，渠道不同時期的輸水流量和地下水位，在不同的階段都有較大的差異，因此流量的測驗應(yīng)貫穿整個灌溉期，根據(jù)灌溉制度選擇幾個代表時段分別測量，以求得整個灌溉期的平均值。 1.3.3 渠系水利用系數(shù)分析計算 (1)每級渠道的平均值 將實測流量代入（6）式求得單次渠系系數(shù)計算成果，然后考慮輸水流量大小對渠系系數(shù)的影響，采用流量權(quán)重系數(shù)法計算每級渠道渠系系數(shù)的平均值：                            （8） 式中：η平均——每級渠道渠系系數(shù)的平均值； Qi、Q——單次測驗流量、各單次測驗流量之和。 (2)渠系系數(shù)的修正 上述計算考慮了渠道長度和流量變化對渠系系數(shù)的影響，未包括地下水頂托作用對渠系系數(shù)的影響。地下水的頂托作用可以從兩方面理解：一方面地下水抑制渠道水下滲，只要埋深適宜就會起到降低下滲強度、減少輸水損失的作用，據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)渠道凈流量達到100m3/s時，埋深為25m的地下水仍會起到頂托作用，影響渠系水的下滲，真正意義上的自由下滲并不存在，因此當(dāng)?shù)叵滤癫剌^深時，這一自然影響因素在計算時可不予考慮。另一方面，當(dāng)渠首引水量小、地下水埋深很淺時，渠系水和地下水補排關(guān)系發(fā)生改變，形成“倒比降”，造成地下水“反補”渠系水，導(dǎo)致渠系系數(shù)明顯偏大，甚至出現(xiàn)渠系系數(shù)大于1于的不合理現(xiàn)象時，地下水對渠系系數(shù)的影響影就必須在計算時予以考慮。在土地平整的稻田區(qū)，來自于區(qū)外的測向徑流可以忽略不計，此時，補給渠道的地下水量主要來源于大氣降水和進入田間的灌溉水，其中由灌溉水形成的回歸水量在前期的渠道水測量中已被測到，屬重復(fù)水量，在計算時應(yīng)予以扣除。為此，本文水引入K1和K2兩個修正系數(shù)，用來修正地下水“反補”現(xiàn)象對渠系系數(shù)的影響，修正方法如下：                      （9）                           （10）    式中：η修正——修正后的渠系系數(shù)； 生育期設(shè)計灌溉定額（m3）； 灌溉期有效降水量（m3）； β——回歸系數(shù)，結(jié)合灌溉水利用系數(shù)測定工作，用水平衡法確定。 受條件限制無法確定回歸系數(shù)時，亦可用如下方法對渠系系數(shù)進行修正：                         （11）                             （12）                         （13）                          （14） 式中：——受地下水影響的渠道單位長度水量損失率；     ——考慮地下水影響的渠道滲水損失修正系數(shù)； ——地下水埋深；       ——渠道凈流量； a、b、c——分別為系數(shù)和指數(shù)。 根據(jù)有關(guān)文獻提供的數(shù)據(jù)， 將、和與之對應(yīng)代入(14)式，利用計算機采用最小二乘法對a、b、c三個參數(shù)進行率定，求得計算值的經(jīng)驗公式如下：           （15）    本文按上述方法計算的寶清縣寶石河灌區(qū)渠系系數(shù)單次測定成果如表2。 表2                                      寶清縣寶石河灌區(qū)渠系系數(shù)計算成果 項  目 Qs (m3/s) Qx (m3/s)   σ β D   K1 K2 η代表 η平均 η修正1 η修正2 干  渠 1.224 1.125 1.4 0.14 0.10 3.0 0.83 0.07 0.97 0.92 0.89 0.86 0.82   注：η修正1系由K1修正的值，η修正2系由K2修正的值。 2  田間水利用系數(shù) 2.1 田間水利用系數(shù)計算的基本方法 田間水利用系數(shù)凈灌水定額與末級固定渠道放出的單位面積灌水量的比值。對于稻田來說，灌區(qū)灌溉水可分為水田泡田期水稻生育期兩個階段，由于泡田期和生育期水田的灌水規(guī)律和耗水方式差異很大，因此應(yīng)分別測定田間水利用系數(shù)，采用水量加權(quán)的方法計算全灌區(qū)整個灌溉期的田間水利用系數(shù)。                             （16）                              （17）           （18） 式中：η田間、η泡田、η生育——全灌區(qū)田間水利用系數(shù)、泡田期田間水利用系數(shù)、生育期田間水利用系數(shù)； M泡田、M生育——泡田期和生育期設(shè)計灌溉定額； W泡田、W生育——泡田期和生育期的灌水量。 2.2 參數(shù)的測定 (1)泡田期凈灌溉定額 泡田期凈灌溉定額可采用計算法（計算設(shè)計灌水定額）或?qū)崪y法確定，本文僅介紹后一種方法。采用實測法時，泡田期的凈灌溉定額按如下方法計算：                                              （19） 式中：M泡田——泡田期的凈灌溉定額（mm）； ——稻田犁底層深度(m); ——稻田H2深度內(nèi)土壤平均容重（t/m3）； ——深度內(nèi)土壤飽和含水率； ——深度內(nèi)泡田開始時的土壤含水率； ——插秧時所需水層深度；（mm）； ——泡田期日平均滲漏量（mm/d）；        ——泡田期日平均水面蒸發(fā)量（mm/d）； ——泡田期天數(shù)(d)； ——時段內(nèi)的降水量（mm）。 1)土壤含水量的測定：在灌區(qū)中選擇土地平整、田埂封閉較好的格田作為典型地塊，沿水流方向布設(shè)測線，在測線的上、中、下游各選3個測點，從地表以下10cm、20cm、30cm處取土。采用稱重法測定泡田開始時的土壤含水量，采用浸泡法測定飽和土壤含水量，分別進行算術(shù)平均后即可求得和。 2)泡田期日平均滲漏量的測定：待耙田結(jié)束、水層穩(wěn)定后，在選擇的典型格田內(nèi)布設(shè)高程控制點，用帶有“靜水”措施的測針觀讀田間水層的水位變化，同時安裝普通雨量計和20cm口徑蒸發(fā)皿觀測逐日降水量和蒸發(fā)量，然后用下列公式計算滲漏量：                    （20） 式中：——前一天的水層水位（mm）；       ——當(dāng)天的水層水位（mm）； ——時段內(nèi)的降水量（mm）； ——20cm口徑蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量（mm）； ——20cm口徑蒸發(fā)皿對E601蒸發(fā)皿的折算系數(shù)。 (2)泡田期灌水量 進入田間的水量，流量小、水位變化大，用流速儀測流不能保證精度，推薦采用V型量水堰測流，用水力學(xué)公式法計算進入田間的灌水量。具體方法是：首先對進水口進行休整，然后安裝量水堰和自計水位計，觀測整個灌水期的水位變化過程，最后根據(jù)水深和灌水時間計算出進入田間的灌水量W泡田。 (3)生育期凈灌水定額 我省水田大都實施淹灌，整個生育期除水稻黃熟期和曬田期水層落干外，田面上始終留有一定深度的水層，在保持水層的淹灌階段，水的消耗表現(xiàn)為淹灌水層的變化，從前一次灌水結(jié)束到下一次灌水開始這一階段，稻田的水量平衡方程為：                  （21）              （22） 式中：——生育期階段凈灌水定額（mm）； ——日平均田間耗水量（mm）； ——下一次灌水開始時田間剩余的水層深度(mm)，當(dāng)h4大于設(shè)計水層深h設(shè)計時取h4 等于h設(shè)計； 1——前一天的水層深度（mm）； ——當(dāng)日的水層深度（mm）； h3——時段內(nèi)的排水深度（mm）； ——時段內(nèi)的降水量（mm）。 由上述水量平衡方程可知，只要我們在水稻生育期選擇一次（多次）完整的灌水過程（本次灌水與下一次灌水間隔時間較長），通過連續(xù)觀測代表地塊水深和降水量的變化（當(dāng)有排水時可通過觀讀排水前和排水后的水深計算排水量），即可計算出生育期某一階段的凈灌水定額。我們在測定建三江農(nóng)科所灌區(qū)和七星農(nóng)場種子站灌區(qū)灌水定額時采用了上述方法，取得了較好的效果。 (4)生育期灌水量 田間灌水量采用水深法測定。在返青期和曬田后期，選擇土地平整、田埂質(zhì)量好、田間無水層的格田作為代表地塊，布設(shè)2～3處水深觀測點，用有防風(fēng)浪措施的水深觀測儀器觀測灌水結(jié)束時田間的水層深度，同時記錄本次灌水所需要的時間，然后用下列方法計算進入田間的水量：                     （23） 式中：W生育——進入田間的灌水量（mm）； E單位——單位時間耗水量（mm/h），由E日耗換算求得；h5——灌水剛結(jié)束時田間水層深度（mm）； t3——本次灌水從開始至結(jié)束的時間（h）。 2.3 田間水利用系數(shù)計算 用泡田期的凈灌溉定額除以泡田期的灌水量求得泡田期的田間水利用系數(shù)，將生育期的凈灌溉定額除以生育期的灌水量求得生育期的田間水利用系數(shù)，將其一并代入公式（18）后即可求得全灌溉期的田間水利用系數(shù)。按上述方法計算了七星農(nóng)場種子站灌區(qū)田間水利用系數(shù)，計算結(jié)果：泡田期田間水利用系數(shù)為0.93，生育期田間水利用系數(shù)為0.96，灌區(qū)整個灌水期的田間水利用系數(shù)為0.95。 3  灌溉水利用系數(shù) 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的大小體現(xiàn)了灌區(qū)水利用效率的整體水平，其數(shù)值等于渠系系數(shù)與田間水利用系數(shù)的乘積。上述渠系系數(shù)和田間水利用系數(shù)的計算成果表明，灌區(qū)的水量損失主要來源于渠道的輸水損失。因此，加強灌區(qū)的防滲工作，提高渠道的管理水平，對提高灌溉水的利用效率，促進水資源的可持續(xù)利用具有非常重的意義。本文對灌區(qū)水利用系數(shù)這一反映灌溉工程質(zhì)量、灌溉技術(shù)和灌區(qū)用水水平的一項綜合指標(biāo)的測定方法進行了分析和探討，方法簡單實用，可操作性較強，可供有關(guān)人員在今后開展此類工作時參考。筆者水平有限，望有關(guān)專家能對文中的不足之處給予批評指正。 參考文獻： [1]中華人民共和國水利部，《節(jié)水灌溉規(guī)范》SL207-98 [2]國家質(zhì)量技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局、中華人民共和國建設(shè)部，《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》GB50288-99 [3]中華人民共和國水利部，《灌溉試驗規(guī)范》SL13-2004 [4]朱庭蕓主編，《水稻灌溉的理論與技術(shù)》，中國水利電力出版社，1998