灌区灌溉水利用系数的测定计算方法研究

灌区灌溉水利用系数的测定计算方法研究

随着我国水资源短缺日益严重，水资源的合理开发和利用尤为重要。在我国现有水资源的使用分配中,农业灌溉用水占有70%以上的比重,要节约灌溉用水主要通过节水工程技术措施、节水农业技术和节水管理技术多方面来实现,其目的是为了提高灌溉水利用系数,减少灌溉定额以及提高水分生产率。灌溉水利用系数是衡量农业节水效果的关键指标。对任何一种节水技术措施进行分析、比较和评价时都不能离开灌溉水利用系数。但是,我国目前各地和各灌区所给出的灌溉水利用系数却难以做为比较与衡量的标准,全国灌溉水利用系数为0.4～0.5也是一个有争议的模糊数字。这种状况对于我国节水农业的发展是十分不利的。从全国来讲,灌溉水利用系数现状的不明确,必然导致规划30年后灌溉水利用系数提高到0.6～0.65的含糊性。从各地区来讲,目前统计出的灌溉水利用系数差异极大,有的仅有0.2,而有的高达0.78,很多数据明显地存在错误,在这种数字指导下,无法正确地制定地区的发展规划,也难以有针对性地指导全国节水灌溉的发展。影响灌溉水利用系数正常测定的主要原因是传统测定方法存在测定工作量巨大、测定条件难以保证等,目前亟需对灌溉水利用系数进行分析研究,以探讨科学合理并且实际可行的测量、计算灌溉水利用系数的方法。1灌溉水利用系数的确定首尾测定法是根据灌溉水利用系数的定义而提出的,即只测定最终贮存到作物计划湿润层的水量(即净灌水定额)和渠首的总引进水量,不必测定灌溉水输、配水过程中的损失,从而求得灌溉水利用系数。这样,可大大减少测定工作量。第j次灌水的灌溉水利用系数ηj可用式(1)计算:式中:mi为第i种作物的净灌水定额;Ai为第i种作物的实灌面积;Wj为第j次灌水渠首总引水量;n为灌区作物种植种类。灌区该年度的灌溉水利用系数ηa可用式(2)计算:式中:Wa为灌区渠首年总引水量;m为灌区全年灌溉次数。也可用年度灌溉净用水总量推求灌区灌溉水利用系数。灌区年度灌溉净用水总量等于该年度所有种植作物的总灌溉定额之和。因此,可在灌区中选择典型区,通过灌溉试验确定各种作物的总灌溉定额。通过测定灌区渠首年度总引水量、各种作物的实灌面积,可用式(3)计算该年度的灌溉水利用系数ηa:式中:Mi为灌区某种作物的总灌溉定额。首尾测定法,克服了传统测定方法工作量大等缺点,适用于各种布置形式的渠系,但只是单纯为了确定灌区的灌溉水利用系数,不能分别反映渠系输水损失和田间水利用的情况。如在任何一级渠道上防渗,降低渠道透水性,提高渠道水利用系数,都会收到同样的效果。但在各级渠道渗漏损失状况不同时,可以导出下述3种情况,见表1。我们应考虑渠道现状的渗漏情况,先在损失比较大的渠级上防渗。不仅其节水的程度大,而且,有选择防渗材料的余地;如果渠道水量损失本来就不大,就只能采用混凝土一类的材料才能有效。经验表明,如果η≥0.9,除非水源十分困难,农产品的价格特别高,进行防渗是不合算的。这种情况显然用首尾测定法是分析不出来的。2流量测量,测流典型渠段测量法,首先选择具有代表性的典型渠道及测流断面,测流段应基本具有稳定规则的断面;其次选择测量方法,测定时尽量采用流速仪表、量水建筑物测流,采用其他方法时,要用流速仪来率定。测定时,应在实际灌溉运行条件下测定流量及水量。测段内分水口正常分水,测量时段内渠道(渠段)流量应尽可能保持稳定。测量典型渠段长度,流量小于1m3/s时,渠段长度不小于1km;流量为1～10m3/s时,渠段长度不小于3km;流量为10～30m3/s时,渠段长度不小于5km;流量大于30m3/s时,渠段长度不小于10km。2.1测量断面累计水量测量时段内的损失水量W损失为:式中:W首为测量时段内典型渠道(渠段)首部测量断面的累计水量;W尾为测量时段内典型渠道(渠段)尾部测量断面的累计水量;∑Wi为测量时段内正常运行的下级渠道测量断面的累计水量;ΔW渠为测量始末典型渠道(渠段)蓄水量的变化,增加的情况取“-”号,减少的情况取“+”号。要求水位、流量在测量时段内基本恒定,渠段首部、分水口及渠段尾部可同时测量。2.2典型渠道的洪水损失率首先计算典型渠段的输水损失率δ典段,δ典段等于典型渠段测量时段内损失水量与渠段上游断面的累计水量之比,即:其次计算典型渠道单位长度的输水损失率σ典渠道。实际渠道不论是按续灌方式运行还是按轮灌方式运行,都是在分水情况下运行,流量自渠首至渠尾逐渐减小,单位长度的损失水量也相应减少,故由典型渠段的输水损失率计算实际典型渠道单位长度输水损失率时,必须进行修正换算。典型段选定后,影响渠系水利用系数的因素主要有流量变化情况、沿程分水情况及典型段选择的位置情况,因此,引入k1、k2、k33个修正系数。典型渠道单位长度的输水损失率σ典渠道可由式(6)来计算:式中:L典渠段为典型渠段的长度,若测量段为整条典型渠道时L典渠段为整条典型渠道的长度(km);k1为输水系数,为渠首流量,Qe为渠尾出流流量;k2为分水系数,实际渠道的分水情况是很复杂的,为便于应用,简化为线性分水,即假定换算到单位渠长上的分水量,自渠首至渠尾呈直线变化。如果进一步假定灌溉定额没有区别,则分水系数k2可以用渠道控制区的宽度表示:式中:B为渠道控制区的平均宽度;ΔB为在控制区宽度呈线性变化的假定下,首部与尾部的宽度差;如果实际渠道接近均匀分水,即上下游控制面积区别不大,则:k2=0.5。k3为位置修正系数,k3=0.5+L1/L,L1为典型渠段中心点到该渠道渠首距离,L为典型渠道的长度。渠道单位长度的输水损失率σ渠道等于所选该级各典型渠道输水损失率σ典渠道i按渠道长度L典渠道i进行加权平均的计算值,即:则某级渠道的输水损失率δ渠为:式中:L渠为该级渠道的平均长度(km),即该级渠道的总长度除总条数。因此,某级渠道的渠道水利用系数η渠道为:2.3合理确定田间水利用系数首先计算田间水利用系数,根据《节水灌溉技术规范》(SL207-98),按下式进行计算:式中:η田间为田间水利用系数;A为农渠控制的实灌面积(hm2);W农净为1次灌溉农渠放出的总水量(m3);m为设计净灌水定额(m3/hm2)。充分灌溉为在作物生育期完全按高产需要水量灌溉。充分灌溉时,根据作物主要根系活动层确定不同作物不同生育期的计划湿润层深度,据此校核设计净灌水定额。稻区田间水利用系数可取0.95以上。非充分灌溉为在作物生育期部分地按生长需要实施灌溉。非充分灌溉的判别应根据作物需水量和有效降雨量、土壤水分消耗、灌溉定额等参数确定。即非充分灌溉条件下的设计净灌水定额可取实际平均毛灌水量的90%～95%,即非充分灌溉条件下的田间水利用系数可取为0.9～0.95,亏缺量大时取上限,亏缺量小时取下限。也可在灌区中选择有代表性的地块,通过实测灌水前后(2d左右)土壤含水量的变化,计算净灌水定额,算出田间水利用系数。灌溉水利用系数η水等于渠系水利用系数η渠与田间水利用系数η田间的乘积,即:3灌溉3.1渠系水利用系数及其分配一般情况下,分析某一级渠道的水利用系数并不困难,但如何合理确定全灌区的灌溉水利用系数则往往令人十分棘手。在实际灌区中,普遍存在越级渠道。如在总干渠上直接接斗渠,则跨越了干渠、支渠二级。越级则免损,不考虑越级现象的影响,则过低地估计了渠系水利用系数。因此,在灌区渠道有越级现象时,应进行修正,使计算结果更加符合实际。设直接从总干渠上取水的斗渠灌溉面积为A1;直接从总干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面积为A2;直接从干渠上取水的斗渠灌溉面积为A3;从干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面积为A4;作物净灌溉定额为M。显然A1、A2、A3、A4之和即为全灌区总灌溉面积。不考虑越级现象时,灌溉水利用系数为:这也就是认为灌溉面积A1、A2、A3、A44个分支灌溉系统的灌溉水利用系数都是一样的,均为η水1=η总·η干·η支·η斗·η农·η田。而事实上并非如此,实际上各灌溉面积所引的毛水量W为:这与M(A1+A2+A3+A4)/η总η干η支η斗η农η田是有差别的。实际灌溉水利用系数应为:式中:η1、η2、Aη3、η4,为对应于A1、A2、A3、A4的灌溉水利用系数;k1、k2、k3、k4分别为A1、A2、A3、A4占总面积的权重。如北方某灌区,从总干渠引水,直接从总干渠开口引水的有3条干渠、1条分干渠和1条很短的输水干渠。干、分干渠的下级固定渠道有支、斗、农、毛4级。在管理局进行灌溉水利用系数测试,计算渠系水利用系数时遇到了渠道越级输水问题。渠系组成按组成的渠道级数分为六级、五级、四级、三级、二级几种。表8所示的渠系组成类型就有16种,渠系水利用系数率计算见表2。按传统连乘方法计算渠系水利用系数为0.42,与按式(14)计算的结果0.5522比较,差值较大。3.2渠系水利用系数的确定灌溉渠系水利用系数的计算,常用各级渠道水利用系数相乘的积来表示。但仅适用于计算串联和等效并联的渠系,而不能应用于非等效并联的渠系。几条下级渠道均由同一条上级渠道供水的方式为并联渠系。一般灌溉面积较大的灌区,干、支渠多采用续灌,斗、农渠采用轮灌。干、支渠的联接方式通常为非等效并联渠系,也就是几条支渠的引水流量和渠道水利用系数不相同,干渠不同渠段的流量及相应渠段的渠道水利用系数也不相同。而支渠控制的若干斗、农渠为等效并联渠系运行方式,即各条斗渠的引水流量与渠道水利用系数相同,各条农渠的引水流量与渠道水利用系数均相同。串联渠道指干、支、斗、农渠道首尾依次相接,中间无分流的灌溉渠系。串联渠道的渠系水利用系数η渠系为:即串联渠道的渠系水利用系数可用各级渠道水利用系数相乘的积来计算。并联渠道为几条下级渠道均由同一条上级渠道供水的组合渠道。一般灌溉面积较大的灌区,干、支渠多采用续灌,斗、农渠采用轮灌。干、支渠的联接方式通常为非等效并联渠系,也就是几条支渠的引水流量和渠道水利用系数不相同,干渠渠段的流量和各段的渠道水利用系数也不相同。而支渠控制的若干斗、农渠为等效并联渠系运行方式,即各条斗渠的引水流量与渠道水利用系数相同,各条农渠的引水流量与渠道水利用系数均相同。下面分别研究等效和非等效渠道并联的渠系水利用系数。设上级渠道计算参数用下标i表示,下级渠道计算参数用下标j表示,并分别用下标g和n表示渠道的毛流量和净流量。在非等效并联渠道中,同级渠道的渠道水利用系数不相等,流量也不相同。由渠系水利用系数定义知:式中:η渠系为二级渠系的渠系水利用系数;dj=Qjkg/∑Qjkg,为下级第j条渠道的毛流量占下级渠道总毛流量的权重;ηi为上级渠道的渠道水利用系数。一般地,若上级渠道与下级渠道为m段非等效并联,则渠系水利用系数计算式为:即非等效并联渠道的渠系水利用系数计算式与各级渠道水利用系数相乘的计算形式是有区别的。4综合测定法若只是单纯为了确定灌区的灌溉水利用系数,可采用首尾测定法。该法简便,测量结果接近实际。但难以反映出灌区渠系用水情况、灌溉工程质量及灌溉用水管理水平等,不能用来指导灌区节水工程改造。若灌区财力、人力许可,或灌区自动化程度很高,各测量点的参数信息能够及时得到采集时,可根据灌溉水利用系数的定义,利用传统测量方法进行灌区全面测量。但在我国目前及今后相当长一段时间内难以达到这种水平。综合测定法就是将首尾测定法、典型渠道测量法及对灌溉水利用系数的修正等综合考虑的一种方法。它克服了传统测量方法中工作量大,需要大量人力、物力才能完成的缺点,又弥补了只测量典型渠段而引起较大误差的不足。在我国目前及今后相当长一段时期内具有重要的实用价值。综合测定法的步骤:首先确定灌区测量渠道的数量、测量方法、典型渠段及其长度;其次,计算出典型渠段的单位长度输水损失率;然后,确定输水系数、分水系数及典型渠段位置修正系数,计算出典型渠道的单位长度输水损失率;第4步,进行典型渠道非等效并联修正;第5步,进行同级渠道土渠与衬砌渠道的渠道水利用系数综合计算;第6步,进行渠道越级输水修正,计算渠系水利用系数;第7步,计算田间水利用系数及灌溉水利用系数;第8步,利用首尾法计算灌溉水利用系数并进行对比分析。5渠道水利用系数测定河套灌区位于西北干旱地区,主要灌溉系统为黄河一首制引水,7级渠系布设,即总干渠1条,干渠12条,分干渠48条,支渠202条,斗农毛渠7.4万多条。现灌溉面积58.47万hm2。由于灌区历史悠久,工程老化,配套程度差。在干、分干上直接开口的直支202条,直斗737条,直农1268条,直毛及田口613条。这种渠系结构给灌溉水利用系数的分析计算造成很多困难。结合灌区实际,尽可能代表灌区实际。西片选择了解放闸灌域,它临近乌兰布和沙漠边缘,土壤质地以砂壤土为主;东片选择了义长灌域,土壤质地以砂粘土为主。东西2片共选了干渠2条,分干渠2条,支、斗、农渠各3条,毛渠2条。总干渠的测定任务由巴盟水文勘测局完成。斗渠以上渠道采用LS-68型和1206型流速仪配置2次仪表进行施测,对农毛渠测定采用梯形薄壁量水堰或1206B型流速仪施测,量水设备均满足测验精度要求,操作方法按照水文规范精测法的要求进行。在测验过程中,对总干渠和干渠选择了典型渠段,对分干以下渠道有的选择典型渠段,有的采用全渠道实测。河套灌区渠道水利用系数计算见表3,非等效并联修正渠道水利用系数计算见表4,河套灌区渠道越级输水修正灌溉水利用系数计算见表5,首尾测定法灌溉水利用系数计算见表6。与首尾测定法相比,结果偏小。本次测定时灌区1