渠系水利用系數(shù)測(cè)量

1、渠系水利用系數(shù)測(cè)量             摘要針對(duì)我省水稻灌區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)灌溉水利用系數(shù)的影響因素、測(cè)定方法和有關(guān)參數(shù)的推求進(jìn)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(cè)定工作，筆者參加了此項(xiàng)工作，并積累了一定實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本文在總結(jié)以往工作經(jīng)驗(yàn)、借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)從灌溉水利用系數(shù)的測(cè)定方法、水利

2、用系數(shù)的影響因素和有關(guān)參數(shù)的確定進(jìn)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(shí)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(jí)固定渠道放出的總水量于渠首因進(jìn)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(shí)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

3、少滲漏損失量7075%，采用塑料薄膜襯護(hù)防滲能減少滲漏損失量5090%。掌握上述各種措施的防滲效果，對(duì)確定渠系水利用系數(shù)測(cè)定方法、分析測(cè)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(duì)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(xì)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(qiáng)，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

4、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(xì)砂、粉砂和粘粒所占比例大體相當(dāng)，顆粒粗細(xì)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(duì)于某一級(jí)固定渠道，輸水流量愈大，流速愈快，水流傳播時(shí)間較短，流量滲漏損失相對(duì)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(shí)間較長(zhǎng)，流量相對(duì)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(yàn)公式       （1） 式中渠道單位長(zhǎng)度水量損失率

5、；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(xiàng)  目流量（m3/s）0.51510損失流量（m3/s）壤土砂土0.030.0440.0390.0590.0650.0990.0790.107公里損失率（%）壤土砂土68.83.95.91.320.791.2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(shí)，地下水頂托渠系水，減少渠系水的下滲的水力梯度和儲(chǔ)水空間，對(duì)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?/p>

6、于渠道水位時(shí)，地下水還會(huì)“反補(bǔ)”渠道水，出現(xiàn)渠系系數(shù)大于1的現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)，則會(huì)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(cè)定的基本方法(1)靜態(tài)測(cè)定法節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范對(duì)此法的要求為“應(yīng)選擇一段具有代表性的渠段，長(zhǎng)度為50100m，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(cè)該渠段內(nèi)水位下降過程，根據(jù)水位的變化即可計(jì)算出損失水量和渠系水利用系數(shù)。”對(duì)具體的測(cè)定步驟和計(jì)算方法規(guī)范并未提及。筆者認(rèn)為，上述方法所要

7、求的渠道長(zhǎng)度過短，代表性不強(qiáng)，且未考慮流量變化對(duì)損失率的影響，因此對(duì)于斗渠及以上各級(jí)渠道的測(cè)定不宜采用此方法。但對(duì)于渠道較短，流量較小的農(nóng)渠或毛渠采用靜態(tài)測(cè)定法還是合適的。渠系系數(shù)應(yīng)按下列方法計(jì)算。            （2）式中：渠渠系系數(shù)；、觀測(cè)開始時(shí)和觀測(cè)結(jié)束時(shí)相應(yīng)水深的渠道斷面面積；L該級(jí)渠道的平均長(zhǎng)度；L代表渠段的長(zhǎng)度；觀測(cè)開始至觀測(cè)結(jié)束的時(shí)間。           

8、0;   （3）式中V渠道水的平均流速。(2)動(dòng)態(tài)測(cè)定法根據(jù)渠道布置情況，選擇中間無支流、長(zhǎng)度滿足要求的代表性渠段，觀測(cè)上、下游兩個(gè)斷面同一時(shí)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(jì)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(jí)渠道的水利用系數(shù)渠系用以下公式計(jì)算      

9、60;     （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(jí)渠道的渠系水利用系數(shù)。         1.3 渠系水利用系數(shù)的測(cè)定代表渠段選擇應(yīng)遵循如下基

10、本原則：一是所選的典型渠道能代表整個(gè)灌區(qū)的同級(jí)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(jí)渠道相接近。二是為減少工作量，可采取抽樣測(cè)量，但測(cè)渠應(yīng)有足夠的數(shù)量：對(duì)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(duì)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(zhǎng)度：流量小于1m3/s，長(zhǎng)度不小于1km；流量小于110m3/s，長(zhǎng)度不小于3km；流量小于1m3/s，長(zhǎng)度不小于5km；流量小于1030m3/s，長(zhǎng)度不小于10km，在滿足上述條件的前提下，代表渠段的長(zhǎng)度盡量接近灌

11、區(qū)同級(jí)渠道的平均長(zhǎng)度。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(cè)驗(yàn)誤差。因此對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的精度必須引起足夠的重視，引起流量測(cè)驗(yàn)的誤差，主要包括控制斷面選擇的誤差、測(cè)流儀器本身的誤差和測(cè)寬、測(cè)深、測(cè)速時(shí)產(chǎn)生的誤差。為了減少誤差，提高流量測(cè)驗(yàn)精度，流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)盡量滿足下列要求。(1)測(cè)流斷面：測(cè)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(dòng)較小的地方；當(dāng)測(cè)流斷面生有水草或出現(xiàn)淤積時(shí)應(yīng)對(duì)渠道進(jìn)行整治，整治長(zhǎng)度宜大于渠道水面寬的5倍，必要時(shí)要用木板或水泥板對(duì)斷面進(jìn)行襯砌處理。(2)測(cè)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(cè)定范圍即

12、可滿足測(cè)深和測(cè)速的要求，因此干渠和支渠的流量測(cè)驗(yàn)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(cè)或不能保證精度，宜采用專門測(cè)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(shí)間短的，若使用兩臺(tái)流速儀同時(shí)測(cè)流，要進(jìn)行比測(cè)，作一致性修正。觀測(cè)農(nóng)渠流入水稻格田水量時(shí)，由于流量很小水位變化較快，無法用流速儀測(cè)流，此時(shí)應(yīng)采用V型量水堰,通過觀測(cè)水位和時(shí)間的方法測(cè)量流入田間的水量。 (3)測(cè)量精度：測(cè)長(zhǎng)和測(cè)寬最好用鋼尺量測(cè)，重復(fù)三次，取平均值。測(cè)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(cè)速垂線按精測(cè)法布設(shè)，測(cè)點(diǎn)按三點(diǎn)法和五點(diǎn)法，測(cè)流

13、不低于100秒，測(cè)量的流速計(jì)至小數(shù)后三位，特別小時(shí)流速可計(jì)至小數(shù)后三位。流量成果計(jì)算到小數(shù)后四位。 (4)測(cè)次安排通過上述渠系水利用系數(shù)影響因素分析可知，對(duì)于同一代表渠段，渠道的防滲措施和土壤組成對(duì)下滲損失及渠系系數(shù)的影響是固定不變的，此時(shí)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(shí)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(cè)驗(yàn)應(yīng)貫穿整個(gè)灌溉期，根據(jù)灌溉制度選擇幾個(gè)代表時(shí)段分別測(cè)量，以求得整個(gè)灌溉期的平均值。(1)每級(jí)渠道的平均值將實(shí)測(cè)流量代入（6）式求得單次渠系系

14、數(shù)計(jì)算成果，然后考慮輸水流量大小對(duì)渠系系數(shù)的影響，采用流量權(quán)重系數(shù)法計(jì)算每級(jí)渠道渠系系數(shù)的平均值              （8）式中平均每級(jí)渠道渠系系數(shù)的平均值；Qi、Q單次測(cè)驗(yàn)流量、各單次測(cè)驗(yàn)流量之和。(2)渠系系數(shù)的修正上述計(jì)算考慮了渠道長(zhǎng)度和流量變化對(duì)渠系系數(shù)的影響，未包括地下水頂托作用對(duì)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(huì)起到降低下滲強(qiáng)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(dá)到100m3/

15、s時(shí)，埋深為25m的地下水仍會(huì)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(shí)，這一自然影響因素在計(jì)算時(shí)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(shí)，渠系水和地下水補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生改變，形成“倒比降”，造成地下水“反補(bǔ)”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(shí)，地下水對(duì)渠系系數(shù)的影響影就必須在計(jì)算時(shí)予以考慮。在土地平整的稻田區(qū)，來自于區(qū)外的測(cè)向徑流可以忽略不計(jì)，此時(shí)，補(bǔ)給渠道的地下水量主要來源于大氣降水和進(jìn)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(cè)量中已被測(cè)到，屬重復(fù)水量，在計(jì)算時(shí)應(yīng)予以扣除。為此，本文水引入

16、K1和K2兩個(gè)修正系數(shù)，用來修正地下水“反補(bǔ)”現(xiàn)象對(duì)渠系系數(shù)的影響，修正方法          （9）               （10）   式中修正修正后的渠系系數(shù)；生育期設(shè)計(jì)灌溉定額（m3）；灌溉期有效降水量（m3）；回歸系數(shù)，結(jié)合灌溉水利用系數(shù)測(cè)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(shí)，亦可用如下方法對(duì)渠系系數(shù)進(jìn)行修正

17、0;           （11）               （12）            （13）             

18、（14）式中受地下水影響的渠道單位長(zhǎng)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(xiàn)提供的數(shù)據(jù)， 將、和與之對(duì)應(yīng)代入(14)式，利用計(jì)算機(jī)采用最小二乘法對(duì)a、b、c三個(gè)參數(shù)進(jìn)行率定，求得計(jì)算值的經(jīng)驗(yàn)公式      （15）   本文按上述方法計(jì)算的寶清縣寶石河灌區(qū)渠系系數(shù)單次測(cè)定成果如表2。表2          &#

19、160;        寶清縣寶石河灌區(qū)渠系系數(shù)計(jì)算成果項(xiàng)  目Qs(m3/s)Qx(m3/s)DK1K2代表平均修正1修正2干  渠1.2241.1251.40.140.103.00.830.070.970.920.890.860.82    注修正1系由K1修正的值，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(jì)算的基本方法

20、泡田期凈灌溉定額可采用計(jì)算法（計(jì)算設(shè)計(jì)灌水定額）或?qū)崪y(cè)法確定，本文僅介紹后一種方法。采用實(shí)測(cè)法時(shí)，泡田期的凈灌溉定額按如下方法計(jì)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(shí)的土壤含水率；插秧時(shí)所需水層深度；（mm）；泡田期日平均滲漏量（mm/

21、d）；     泡田期日平均水面蒸發(fā)量（mm/d）；泡田期天數(shù)(d)；時(shí)段內(nèi)的降水量（mm）。1)土壤含水量的測(cè)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(cè)線，在測(cè)線的上、中、下游各選3個(gè)測(cè)點(diǎn)，從地表以下10cm、20cm、30cm處取土。采用稱重法測(cè)定泡田開始時(shí)的土壤含水量，采用浸泡法測(cè)定飽和土壤含水量，分別進(jìn)行算術(shù)平均后即可求得和。2)泡田期日平均滲漏量的測(cè)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(diǎn)，用帶有“靜水”措施的測(cè)針觀讀田間水層的水位變化，同時(shí)安裝普通雨量計(jì)和20cm口徑蒸發(fā)皿觀測(cè)逐日降水量和蒸

22、發(fā)量，然后用下列公式計(jì)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(shí)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(duì)E601蒸發(fā)皿的折算系數(shù)。(2)泡田期灌水量進(jìn)入田間的水量，流量小、水位變化大，用流速儀測(cè)流不能保證精度，推薦采用V型量水堰測(cè)流，用水力學(xué)公式法計(jì)算進(jìn)入田間的灌水量。具體方法是：首先對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行休整，然后安裝量水堰和自計(jì)水位計(jì)，觀測(cè)整個(gè)灌水期的水位變化過程，最后根據(jù)水深和灌水時(shí)間計(jì)算出進(jìn)入田間的灌水量

23、W泡田。(3)生育期凈灌水定額我省水田大都實(shí)施淹灌，整個(gè)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(shí)田間剩余的水層深度(mm)，當(dāng)h4大于設(shè)計(jì)水層深h設(shè)計(jì)時(shí)取h4 等于h設(shè)計(jì)；1前一天的水層深度（mm）；當(dāng)日的水層深度（mm）；h3時(shí)段內(nèi)的排水深度（mm）；時(shí)段內(nèi)的降水量（mm）。由上述水量平衡方程可知，只要我們?cè)谒旧谶x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(shí)間較長(zhǎng)），通過連續(xù)觀測(cè)代表地塊水深和降水量的變化（當(dāng)有排水時(shí)可通過觀讀排水前和排水后的水深計(jì)算排水量），即可計(jì)算出生育期某一階段的凈灌水定額。我們?cè)跍y(cè)定建三江農(nóng)科所灌區(qū)和七星農(nóng)場(chǎng)種子站灌區(qū)灌水定額時(shí)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(cè)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)23處水深觀測(cè)點(diǎn)，用有