渠系水利用系数

灌区灌溉水利用系数测定方法研究

中国农科院农田灌溉研究所 高 峰

灌区的灌溉水利用系数是衡量灌区从水源引水到田间作物吸收利用水的过程中,灌溉水利用程度的一个重要指标,也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理水平的一项综合指标, 是评价农业水资源利用、指导节水灌溉和大中型灌区续建配套及节水改造健康发展的重要指标,同时也是领导宏观决策的重要依据。

同时,据有关部门统计分析, 我国目前灌区平均灌溉水利用系数仅为0.43, 节约用水的潜力很大。因此, 研究分析灌溉水利用系数, 探讨其测定和计算方法, 对了解我国灌区灌溉水利用水平的现状和存在问题, 提高灌溉水的利用率, 促进水资源的持续利用, 有着积极的意义。

1 灌溉水利用系数的影响因素

灌区在灌水时, 灌溉水除一部分为被灌溉的农作物耗用外, 还有一部分水量是在输水、配水和灌水过程中损失掉, 没有被农作物利用。这些损失主要有:①渗水损失, 包括各级输水渠道通过渠底、边坡土壤空隙渗漏掉的水量和田间深层渗漏掉的水量; ②漏水损失,包括由于地质条件、生物作用或施工不良而形成漏缝或裂隙损失的水量,或因管理不善、工程失修、建筑物漏水等原因造成的水量损失,这是应该在施工、管理中加以避免的。③蒸发损失, 沿渠道水面蒸发掉的水量,可根据水面蒸发资料及渠道总水面积近似求得,其量很小,可以忽略不及。在这三种输水损失中,渗水损失最大,漏水损失次之,水面蒸发损失最小。据河南省人民胜利渠的试验资料,三者分别占总输水损失的81%、17%和2%。

灌溉水利用系数是指在一次灌水期间被农作物利用的净水量与水源渠首处总引进水量的比值。

灌溉水从水源引入到田间作物吸收利用, 在这个过程中的水量损失, 可分解成渠系输水损失和田间灌水损失二部分。相应地灌溉水利用系数可分解为渠系水利用系数和田间水利用系数二部分。

2 传统测定方法:

渠系水利用系数反映了从渠首到农渠的各级输、配水渠道的输水损失,表示了整个渠系的水的利用率,其值等于各级渠道的渠道水利用系数的乘积。渠道水利用系数等于该渠道的净流量与毛流量的比值。

1) 动水测定法。根据渠道沿线的水文地质条件, 选择有代表性的渠段, 中间无支流,其长度应满足以下要求:①流量小于lm 3/s时,渠道长不小于1km ;②流量为1~10 m 3/s时,渠道长不小于3km ;③流量为10~30 m3/s时,渠道长不小于5km ;④流量大于30 m3/s时,渠道长不小于10km 。观测上、下游两个断面同时段的流量, 其差值即为损失水量。 2) 静水测定法。选择1段具有代表性的渠段, 长度50~100m, 两端堵死, 渠道中间设置水位标志, 然后向渠中充水, 观测该渠段内水位下降过程, 根据水位变化即可计算出损失水量和和渠系水利用系数。

某级渠道的渠道水利用系数, 应以同级各条渠道实测的正常流量值与各条渠道的渠道水利用系数进行加权平均求取。

田间水利用系数

田间水利用系数为灌溉水贮存到作物计划温润层中的净水量与从渠系末端进入田间水量的比值。 (l)计算法。 ηt =mA/W

式中ηt 为田间水利用系数;m 为设计灌水定额,m 3/hm2;A 为末级固定渠道控制的实灌面积, hm2;W 为末级固定渠道放出的总水量,m 3。

(2)实测法。在灌区中选择有代表性的灌溉地块, 通过实测灌水前后(1-3d内) 土壤含水量的变化, 计算净灌水定额, 用下式算出田间水利用系数: ηt =102(β2-β1)γHA/W

式中β1、β2分别为灌水前后作物计划湿润层的土壤含水率(以于土重的百分数表示),%;γ为土的干容重,t/ m3;H 为作物计划湿润层深度,m 。其余符号意义同前。 水稻如采用旱作栽培, 则田间水利用系数的计算和测定方法同上;如采用淹灌, 则净灌水定额为灌后达到田面设计水层深度增加的水量与稳定渗漏量之和。

对于井渠结合灌区应分别算出井灌水利用系数和渠灌水利用系数,然后地下水利用量与渠首引水量进行加权平均。

目前许多灌区没有系统测定过灌溉水利用系数,阻碍这项工作开展的主要原因是灌溉水利用系数的传统确定方法在目前情况下存在如下一些问题。 1测定工作量很大

一个灌区的固定渠道一般都有干、支、斗、农4级, 大型灌区级数更多, 而每一个级别的渠道又有多条, 特别是斗、农渠数量更多, 计算某级渠道的加权平均渠道水利用系数时, 测定工作量很大。灌溉地块自然条件和田间工程情况也存在差异, 要取得较准确的田间水利用系数, 需要选择众多的典型区进行测定。可见无论是渠系水利用系数, 还是田间水利用系数测定工作量都很大。如广西为了摸清渠系水利用

系数,为农田水利管理与建设提供科学依据,在20世纪80、90年代,采用传统的动水测试法对全区22个重点灌区进行渠系水利用系数测试,投资了数百万元,参加测试人员近4000人。

2测定所需的条件难以保证

测定渠道水利用系数时, 需要有稳定的流量, 测渠段中间无支流, 下一级渠首分水点的观测时间必须和水的流程时间相适应等必要条件难以做到。因为测定时, 一般都结合灌溉进行, 流量易发生变化; 测渠段选择短则代表性差, 选择长则中间没有支流的情况不多; 要准确掌握上下测点水流程的时间也不容易。因此测定计算的结果质量难以保证, 准确性必然较差。

测定方法探讨 1首尾测定法

首尾测定法指不必测定灌溉水输、配水和灌水过程中的损失, 而直接测定灌区渠首引进的水量和最终贮存到作物计划湿润层的水量(即净灌水定额), 从而求得灌溉水利用系数。这样, 可绕开测定渠系水利用系数这个难点, 减少了许多测定工作量。

在灌区中根据自然条件、作物种类的不同, 选择典型灌溉地块, 测定灌区每次灌水时, 渠首引进的水量和作物净灌水定额以及实灌面积, 用下式计算第j 次灌水的灌溉水利用系数ηj :

ηj =∑m i A i /W j

i =1

n

式中m i 为第i 种作物的净灌水定额;A i 为第i 种作物的实灌面积;W j 为第j 次灌水渠首总引水量;n 为灌区作物种植种类。

求出灌区每次灌水的灌溉水利用系数后, 利用每次渠首总引水量进行加权平均求得灌区该年的灌溉水利用系数ηa 。即

ηa =∑ηj W j /W a

j =1

m

式中W a 为灌区渠首年总引水量;m 为灌区全年灌溉次数。

也可用灌区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灌区内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, 即可用下式计算灌区该年度的灌溉水利用系数ηa :

ηa =∑M i A i /W a

i =1

n

式中M i 为灌区某种作物的总灌溉定额。

首尾测定法, 是建立在灌区进行灌溉试验的基础上,因此,也可称灌溉试验法或净灌水定额法。该方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,可以导出下述三种情况,见下表。

表 渠道不同渗漏损失状况下防渗措施可提高η的幅度

渠别 η农 η斗 η支 η干 η系

I II 改造前 最大幅度 渠别 改造前最大幅度渠别 0.80 25.00% η农 0.90 11.11% η农 0.80 0.80 0.80 0.41

25.00% 25.00% 25.00% 144.14%

η斗 η支 η干 η系

0.90 11.11% η斗 0.72 38.89% η支 0.70 42.86% η干 0.41 144.95% η系

III

改造前 最大幅度0.75 33.33% 0.75 0.80 0.90 0.41

33.33% 25.00% 11.11% 146.91%

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典型渠段测量法

2.1 设计净灌水定额

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亩均毛灌水量的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。

2.2 实际毛灌水量、灌水定额、灌溉定额

田间水利用系数调查地块应尽可能选择在渠系水利用系数调查的典型农渠的控制范围内,以利用农渠测定的进入田块的水量作为实际毛灌水量。毛灌水量为一次灌水量,灌水定额为每亩一次净灌水量,灌溉定额为作物播前及全生育期每

亩总灌水量。

2.3 损失水量

测量时段内的损失水量W 损失为:

W 损失W −W −∑W i ±∆W (1)

式中:W 首—测量时段内典型渠道(渠段)首部测量断面的累计水量;

W 尾—测量时段内典型渠道(渠段)尾部测量断面的累计水量; ΣW i —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—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。

2.4 典型渠段的输水损失率δ典段:

δ典段=W 损失/W 首 (2)

2.5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渠道单位长度输水损失率时,必须进行换算。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k 1、k 2、k 3三个修正系数。典型渠道单位长度的输水损失率可由下式表示:

方法1(附表6):

σ=[k 2+k 3(k 1−1) ⋅(1−k 2) ]

δ典i

L 典i

(1) (3)

式中:L 典渠段—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——输水系数, k 1=1+

Q e

,Q 0为渠首流量,Q e 为渠尾出流流量; Q 0

k2—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K 2可以用渠道控制区的宽度表示:

1∆B

K 2=0. 5(1−⋅) (4)

6B 式中:B — 渠道控制区的平均宽度;

ΔB —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:K 2=0.5; K 3=0.5+L1/L,L 1为典型渠段中心点到典型渠道渠首的距离,L 为典型渠道的长度。

方法2(附表7):

σ典渠道=δ典段/L 典渠段-k ε/ε0(1/ Qm 上分–1/Qm 下分) (5) 式中:Q 上分、Q 上分—分别为典型渠段以上的总分水流量及以下的总分水流量;

k、m —分别为土壤透水性系数和指数,可由表3查得;

/

ε—土渠受地下水顶托的渗水损失修正系数,可由表4查得,不受地下水顶

托时为1;

ε0—衬砌渠道渗水损失修正系数,可从表5查得,无防渗措施时为1。 表3 土壤透水性参数 渠床土质 粘土 重壤土 中壤土 轻壤土 沙壤土

透水性m

弱中弱中中强强表4 土渠渗水损失修正系数ε/ 渠道净流3-1<5

地下水埋深/m

15 20 25

0.3

1.0 3.0 10.0 20.0 30.0 50.0 100.0

- -

- - -

表5 衬砌渠道渗水损失修正系数ε0 防渗措施

衬砌渠道渗水损失修正系数ε0

渠槽翻松夯实(厚度大于~0.20 渠槽原土夯实(影响深度不小于~0.50 灰土夯实(或三合土夯实~0.10 混凝土护面~0.05 粘土护面~0.20 浆砌石护面~0.10 沥青材料护面~0.05 塑料薄膜~0.05

2.6渠道单位长度的输水损失率σ渠道

σ渠道=∑σ典渠道i L典渠段i /∑L i (6) 2.7 渠道的输水损失率 某级渠道的输水损失率δ渠为:

δ渠=σ渠道L 渠 (7)

式中:L 渠—该级渠道的平均长度(km ), 即该级渠道的总长度除总条数。 2.8 渠道水利用系数

某级渠道的水利用系数η为:η=1- δ渠 (8) 2.9 田间水利用系数

η田间=

m •A

(9) W

式中:η田间—田间水利用系数;

; m—设计净灌水定额(m /亩) A—农渠控制的实灌面积(亩); W—一次灌溉农渠放出的总水量(m3) 。

3对渠系水利用系数计算公式的修正

3.1渠道越级输水的修正

运用连乘公式计算渠系水利用系数, 在灌区渠道有越级现象时,应进行修正。在实际灌区中, 普遍存在越级渠道。有越一级的,有越二级甚至三级的。如在总干渠上直接接斗渠, 则跨越了干渠、支渠二级。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,应考虑越级渠道的影响,利用控制面积进行加权

3

平均计算渠系水利用系数,使计算结果更加符合实际。

2

如内蒙古河套灌区的义长灌域,现灌面积18.18万hm ,2001年至2002年进行了灌溉水利用系数测试,在计算渠系水利用系数时遇到了渠道越级输水问题。义长灌域的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,共有41个类型,非常复杂。如通济干渠(包括和胜分干渠)渠系组成类型就有16种(见表1)。义长灌域的通 济 干 渠 渠 系 水利用系数 率 计 算见下表。

乘渠系水利用系数为0.

权计算的结果0.556比较,差值较大。

3.2渠道布置形式的修正

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。对于非等效并联渠道,该级渠道的渠道水利用系数应按各渠道引入水量进行加权平均计算。

4 综合测定法

综合测定法,既是将前述三种方法进行综合应用,以典型渠段测量法为基础,对越级输配水及渠道布置形式进行修正,利用首尾测定法进行校核。

2004.12.7.


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