□ 許建中 趙競成 高 峰 黃修橋 李英能

 

　　灌溉水利用系數(shù)是衡量農(nóng)業(yè)節(jié)水效果的關鍵指標。對任何一種節(jié)水技術措施進行分析、比較和評價時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)卻難以作為比較與衡量的標準。從各地區(qū)來講，目前統(tǒng)計出的灌溉水利用系數(shù)差異極大，很多數(shù)據(jù)明顯地存在錯誤，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，急需對灌溉水利用系數(shù)進行分析研究。綜合測定計算方法是在分析研究的基礎上提出的，既克服了傳統(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，又彌補了只測量典型渠段而引起較大誤差的不足，而且能反映出灌區(qū)渠系用水情況、灌溉工程質(zhì)量及灌溉用水管理水平等。為灌區(qū)今后經(jīng)常性地測量符合實際的灌溉水利用系數(shù)及指導灌區(qū)節(jié)水工程改造等提供了一種切實可行的汁算方法。

　　一、典型渠道的選擇及要求

　　1．選擇具有代表性的典型渠道

　　典型渠道應包括襯砌渠道和未襯砌渠道，其工程完好率分別接近全灌區(qū)該級襯砌和未襯砌渠道的工程完好率，過水流量接近該級渠道的平均值。典型渠段的了程完好率和過水流量應接近典型渠道的平均值。

　　2．測流斷面的選

應選擇在渠段平直、水流均勻、無旋渦或回流的地方，斷面應與水流方向垂直。測流段應基本具有穩(wěn)定規(guī)則的斷面。全面、認真地檢查擬測渠道，清除測水斷面處及附近淤積物和石塊等，保持測流斷面的完整和通暢。

　　3．測量方法的選擇

　　測定時盡量采用流速儀表、量水建筑物測流，采用其他方法時，要用流速儀來率定。

　　4．測定條件要求

　　應在實際灌溉運行條件下測定流量及水量。測段內(nèi)分水口正常分水，測量時段內(nèi)渠道(渠段)流量應盡可能保持穩(wěn)定。

　　5．測量渠道數(shù)量的選擇

　　為減少工作量，可采取抽樣測量，襯砌與未襯砌渠道分別進行測量，各級渠道按表1確定測渠數(shù)量。

表1　灌區(qū)測量渠道的數(shù)量

　　對于井灌區(qū)，以縣域為單位，以井為單元進行抽樣測定。每個縣域的典型井數(shù)為6眼井，其中3眼井為已建節(jié)水灌溉工程，3眼井為未建節(jié)水灌溉工程。井的選擇要有代表性，應接近全縣渠道防滲率和工程完好率的平均水平；測定時井的運行狀態(tài)應為正常灌溉情況下的一般狀態(tài)。

　　6．測量典型渠段長度要求

　　流量小于1m3/s時，渠段長度不小于lkm；流量為1～l0m3/s時，渠段長度不小于3km；流蛆為l0～30m3/s時，渠段長度不小于5km；流量大于30m3/s時，渠段長度不小于l0km。

　　二、典型渠道單位長度的輸水損失率δ典渠道的計算

　　1．典型渠道(渠段)測量時段內(nèi)損失水量計算

　　測量時段內(nèi)的損失水量W損失為：

　　式中：W首為測量時段內(nèi)典型渠道(渠段)首部測量斷面的累計水量；W尾為測量時段內(nèi)典型渠道(渠段)尾部測暈斷面的累汁水量；ΣWi為測量時段內(nèi)正常運行的下級渠道測量斷面的累計水量；△W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、流量在測量時段內(nèi)基本恒定，渠段首部、分水口及渠段尾部可同時測量。

　　2．典型渠段的輸水損失δ典段。

　　典型渠段的輸水損失率等于典型渠段測量時段內(nèi)損失水量與渠段上游斷面的累汁水量之比，即：

　　3．典型渠道單位長度的輸水損失率δ典渠道

　　實際渠道不論是按續(xù)灌方式運行還是按輪灌方式運行，都是在分水情況下運行，流量自渠首至渠尾逐漸減小，單位長度的損失水量也相應減少，故由典型渠段的輸水損失率計算實際渠道單位長度輸水損失率時，必須進行換算。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，根據(jù)灌區(qū)實際測量驗證，引入k1、k2、k3三個修正系數(shù)，典型渠道單位長度的輸水損失率可由下式計算：

　　其中：

　　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L典渠段為整條典型渠道的長度，km。k1為輸水系數(shù)，Qo為渠首流量，Qe為渠尾出流流量。k2為分水系數(shù)，實際渠道的分水情況是很復雜的，為便于應用，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；如果實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；B為渠道控制區(qū)的平均寬度；△B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。K3為位置修正系數(shù)，L1為典型渠段中心點到典型渠道渠首的距離，L為典型渠道的長度。

　　三、灌溉水利用系數(shù)的計算

　　1．渠道水利用系數(shù)η渠道

　　首先計算渠道單位長度的輔水損失率率σ渠道，渠道單位長度的輔水損失率等于所選該級各典型渠段輸水損失率σ典渠道i按渠道長度L典渠道i進行加權平均的計算值，即：

　　則，某級渠道的輸水損失率δ渠為：

　　式中：L渠 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．田間水利用系數(shù)η田間

　　根據(jù)《節(jié)水灌溉技術規(guī)范》(SL207-98)，田間水利用系數(shù)應按下式進行計算：

　　式中：η田間為田間水利用系數(shù)；A為農(nóng)渠控制的實灌面積，W農(nóng)凈為一次灌溉農(nóng)渠放出的總水量，m為設計凈灌水定額。

　　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，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劃濕潤層深度，據(jù)此校核設計凈灌水定額。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施灌溉。非充分灌溉的判別應根據(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計凈灌水定額可取實際畝均毛灌水量的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，虧缺量大時取上限，虧缺量小時取下限。

　　也可在灌區(qū)中選擇有代表性的地塊，通過實測灌水前后(2天左右)土壤含水量的變化，計算凈灌水定額，算出田間水利用系數(shù)。

　　3．灌溉水利用系數(shù)η水

　　灌溉水利用系數(shù)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：

　　四、灌溉水利用系數(shù)的修正

　　1．渠道越級輸水的修正

　　在灌區(qū)中存在越級渠道輸水現(xiàn)象時，應進行修正，使計算結(jié)果更加符合實際。設根據(jù)不同的越級狀況，渠系組成類型有m種，對應的灌溉面積為A1、A2…Am；則渠道越級輸水修正后的灌溉水利用系數(shù)為：

　　式中：η1、η2…ηm，為對應于A1、A2…Am的灌溉水利用系數(shù)；f1，f2…fm分別為A1、A2…Am占總面積的權重。

　　2．渠道布置形式的修正

　　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。渠系水利用系數(shù)不能用各級渠道水利用系數(shù)相乘的積來計算。對于i、j上下兩級非等效并聯(lián)渠道，其渠系水利用系數(shù)應按下式計算：

　　式中：ηij為i、j兩級渠系的渠系水利用系數(shù)；dk為下級第k條渠道的毛流量占下級渠道總毛流量的權重；ηi為上級渠道的渠道水利用系數(shù)；ηjk為下級第k條渠道的渠道水利用系數(shù)。

　　對非等效并聯(lián)渠道的渠系水利用系數(shù)修正后，與田間水利用系數(shù)相乘即可得到灌溉水利用系數(shù)。

　　五、灌溉水利用系數(shù)的校核

　　1．首尾測定法計算灌溉水利用系數(shù)

　　在灌區(qū)中根據(jù)自然條件、作物種類的不同，選擇典型灌溉地塊，測定灌區(qū)每次灌水時，渠首引進的水量和作物凈灌水定額以及實灌面積，用下式計算灌溉水利用系數(shù)η水：

　　式中：mi為第i種作物的凈灌水定額；Ai為第i種作物的實灌面積；W為渠首總引水量；n為灌區(qū)作物種植種類。

　　也可通過實測灌水前后2天左右內(nèi)土壤含水量的變化，計算凈灌水定額，算出灌溉水利用系數(shù)：

　　式中：β1i、β2i為第i種作物灌水前、后計劃濕潤層的土壤含水率(以干土重的百分數(shù)表示)；γi為種植第i種作物的土的干容重，t/m3；Hi為種植第i種作物的計劃濕潤層深度，m。

灌溉水利用系數(shù)傳統(tǒng)測定方法存在問題及影響因素分析

口 許建中 趙競成 高峰 黃修橋 李英能

 

灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)是衡量灌區(qū)從水源引水到田間作物吸收利用水的過程，灌溉水利用程度的一個重要指標，也是集中反映灌溉工程質(zhì)量、灌溉技術水平和灌溉用水管理水平的一項綜合指標。目前統(tǒng)計出的灌溉水利用系數(shù)差異很大，有的僅有0.2，而有的高達0.78，很多數(shù)據(jù)明顯地存在錯誤，難以正確制定地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，也難以有針對性地指導全國節(jié)水灌溉的發(fā)展。

　　一、灌溉水利用系數(shù)的傳統(tǒng)測定方法

　　灌溉水利用系數(shù)是指從水庫、河流引來或提取的地表水，或用水泵從井內(nèi)提取的地下水，通過采用必要的工程技術措施，引水到田間被作物吸收利用的程度。亦指在一次灌水期間被農(nóng)作物利用的凈水量與水源渠首處總引進水量的比值。灌溉水從水源引入到田間作物吸收利用，在這個過程中的水量損失，可分解成渠系輸水損失和田間灌水損失兩部分。相應地灌溉水利用系數(shù)可分解為渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)兩部分。

　　渠系水利用系數(shù)反映了從渠首到末級渠道的各級輸、配水渠道的輸水損失，表示了整個渠系的水的利用率，其值等于各級渠道水利用系數(shù)的乘積。渠道水利用系數(shù)等于該渠道同時期放人下一級渠道的流量(水量)之和與該級渠道首端進入的流量(水量)的比值�？煞謩e用下式計算：

　　式中：η為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；Wj為灌溉時能夠被農(nóng)作物利用的凈水量；W0為渠首引入的總水量；ηq為渠系水利用系數(shù)；ηt為田間水利用系數(shù)；ηg、ηz、ηd、ηn分別為干、支、斗、農(nóng)渠的加權平均渠道水利用系數(shù)；ηS為渠道水利用系數(shù)；ΣQX、ΣWX分別為該級渠道同時期放人下一級渠道的流量、水量；QS、WS分別為該級渠道首端進入的流量、水量。

　　對于井渠結(jié)合灌區(qū)應分別算出井灌水利用系數(shù)和渠灌水利用系數(shù)，然后根據(jù)井灌的地下水利用量與渠灌的渠首引水量進行加權平均：

　　式中：W1為灌溉時井灌的地下水利用量；η1為井灌灌溉水利用系數(shù)。

　　計算某級渠道的加權平均渠道水利用系數(shù)時，應用同級各條渠道實測的正常流量值與相應的渠道水利用系數(shù)的乘積求得，即：

　　式中：Qi為某級渠道的第i條渠道實際流量；ηi為某級渠道的第i條渠道的水利用系數(shù)。

　　田間水利用系數(shù)為灌溉水貯存到作物計劃濕潤層中的凈水量與從渠系末端進入田間水量的比值。即：

　　式中：mj為設計凈灌水定額(m3/hm2)；Aj為末級固定渠道控制的實灌面積(hm2)；Wt為末級固定渠道放出進入田間的總水量(m3)。

　　渠道損失水量測定方法分為動水測定法及靜水測定法。

　　1.動水測定法

　　根據(jù)渠道沿線的水文地質(zhì)條件，選擇有代表性的渠段，中間無支流，其長度應滿足以下要求：流量小于lm3/s時，渠道長不小于lkm；流量為1～l0m3/s時，渠道長不小于3km；流量為10～30m3/s時，渠道長不小于5km；流量大于30m3/s時，渠道長不小于l0km。觀測上、下游兩個斷面相同時段的流量，其差值即為損失水量。

　　2.靜水測定法

　　選擇一段具有代表性的渠段，長度50～l00m，兩端堵死，渠道中間設置水位標志，然后向渠中充水，觀測該渠段內(nèi)水位下降過程，根據(jù)水位變化即可計算出損失水量和渠系水利用系數(shù)。

　　渠段的水量損失測出后，換算成單位長度水量損失率σ，即可計算出渠道水利用系數(shù)：

　　式中：L為渠道長度(km)。

　　田間水利用系數(shù)的測定法。在灌區(qū)中選擇有代表性的灌溉地塊，通過實測灌水前后1-3天內(nèi)土壤含水量的變化，計算凈灌水定額，用下式算出田間水利用系數(shù)：

　　式中：β1、β2分別為灌水前后作物計劃濕潤層的土壤含水率(以干土重的百分數(shù)表示)；γ為土的干容重(t/m3)；H為作物計劃濕潤層深度(m)；其余符號意義同前。

　　水稻如采用旱作栽培，則田間水利用系數(shù)的計算和測定方法同上；如采用淹灌，則凈灌水定額為灌后達到田面設計水層深度增加的水量與穩(wěn)定滲漏量之和。

　　二、傳統(tǒng)測定方法存在的問題

　　1.測定工作量很大

　　一個灌區(qū)的固定渠道一般都有干、支、斗、農(nóng)4級，大型灌區(qū)級數(shù)更多，而每一個級別的渠道又有多條，特別是斗、農(nóng)渠數(shù)量更多，計算某級渠道的加權平均渠道水利用系數(shù)時，測定工作量很大。灌溉地塊自然條件和田間工程情況也存在差異，要取得較準確的田間水利用系數(shù)，需要選擇眾多的典型區(qū)進行測定。可見，無論是渠系水利用系數(shù)，還是田間水利用系數(shù)，測定工作量都很大。如廣西壯族自治區(qū)為了摸清渠系水利用系數(shù)，為農(nóng)田水利管理與建設提供科學依據(jù)，曾在20世紀80年代初期采用傳統(tǒng)的動水測試法對全區(qū)22個重點灌區(qū)進行了渠系水利用系數(shù)測試，當時投資了88萬元，累計實測灌區(qū)各級渠道長5923.2km，實測渠段2640段，參加測試人員達3850人。

　　2.測試條件要求嚴格，難以保證

　　對于灌區(qū)來講，要在面廣渠多的灌溉用水情況下停止供水來進行靜水測試是難以做到的，一般采用動水測試法進行全面測試。采用動水測試法測定渠道水利用系數(shù)時，需要有穩(wěn)定的流量，測渠段中間無支流，下一級渠首分水點的觀測時間必須和水的流程時間相適應，這些必要條件難以做到。

　　3.要求掌握測試技術的人員較多

　　大多數(shù)灌區(qū)不常進行灌溉水利用系數(shù)的測算，測流設備較少，掌握測流技術的人員也較少。對于灌區(qū)來講，進行一次全面的灌溉水利用系數(shù)測量，需要大量的人員掌握測試技術，這對于許多灌區(qū)是難以達到的。如廣西壯族自治區(qū)在對22個灌區(qū)進行灌溉水利用系數(shù)測量時，舉辦了14期測流培訓班，參加學習人員達560人次。

　　4.灌溉水利用系數(shù)的代表性較差

　　灌區(qū)不同的水文年或不同時期的來水和用水情況不同，渠首引進的流量或水量亦不相同，灌區(qū)的實灌面積也不相同，因此灌溉水利用系數(shù)每次灌水都不相同。目前灌區(qū)只用某次測定計算得出的灌溉水利用系數(shù)來代替所有的情況，不能反映灌區(qū)一段時期、甚至當年的實際灌溉水利用情況。目前我國灌區(qū)正在實施以節(jié)水為目標的技術改造，渠道防滲、田間節(jié)水灌溉技術的應用使灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)也隨之改變，以往測定的灌溉水利用系數(shù)就更缺乏代表性，而隨著不斷改造的渠道狀況的變化，利用傳統(tǒng)測定方法，進行一次次地測定又難以做到。

　　三、灌溉水利用系數(shù)的影響因素

　　灌溉水的水量損失主要有：①滲水損失。包括各級輸水渠道通過渠底、邊坡土壤空隙滲漏的水量和田間深層滲漏的水量。②漏水損失。包括由于地質(zhì)條件、生物作用或施工不良而形成漏縫或裂隙損失的水量，或因管理不善引起的田面流失及泄水損失，工程失修引起的建筑物漏水等原因造成的水量損失，這是應該在施工、管理中加以避免的。③蒸發(fā)損失。沿渠道水面蒸發(fā)的水量，可根據(jù)水面蒸發(fā)資料及渠道總水面積近似求得，其量很小，可以忽略不計。在這三種輸水損失中，滲水損失最大，漏水損失次之，水面蒸發(fā)損失最小。據(jù)河南省人民勝利渠的試驗資料，三者分別占總輸水損失的81%、17%和2%。

　　灌溉水的水量損失，直接影響著灌溉水的利用程度，因此，灌溉水利用系數(shù)的影響因素從灌溉水量損失方面來考慮主要有防滲措施、土壤質(zhì)地及地下水埋深、灌區(qū)類型、灌區(qū)地理位置、灌區(qū)規(guī)模、渠道級別及灌溉技術等。

　　2.渠道級別的影響

　　灌區(qū)的干、支、斗等各級渠道由于斷面大小、長度、斗閘門完好率、土壤、地形、水文地質(zhì)、防滲襯砌長度以及管理養(yǎng)護水平的不同，直接影響到滲漏損失的大小，渠道有效利用系數(shù)也就不同。從表1中可以看出，南方某地區(qū)斗渠的渠道水利用系數(shù)較高。其原因是該地區(qū)絕大部分的斗渠比干、支渠都短，有的出水口直接灌水到田間，輸水損失較小，其有效利用系數(shù)就高。而該地區(qū)干、支渠都是盤桓于山丘坡地間，未進入田間，渠道滲漏損失較大，而干渠防滲率較支渠高，多數(shù)支渠未作防滲襯砌，滲漏損失比干渠大，同時在管理工作上也往往比較重視干渠的管理養(yǎng)護及用水管理，這就造成了該地區(qū)支渠的渠道水利用系數(shù)比干渠和斗渠低的情況。

　　3.不同地區(qū)的影響

　　不同地區(qū)的地形地貌不同、水文地質(zhì)條件不同，對灌溉水利用系數(shù)的影響也不同。土層瘠薄、砂質(zhì)土壤多、透水性強、不易蓄水的地區(qū)，渠道滲漏損失較大，灌溉水利用系數(shù)就較低。而土層覆蓋較厚、黏性土壤多、地下水位比較淺、地勢較平坦的地區(qū)，渠道滲漏損失較小，灌溉水的利用系數(shù)也就較高。同時，不同地區(qū)或同一地區(qū)不同年份的水文氣象條件不同，其對灌溉水利用系數(shù)的影響也不同。因此，較大范圍地區(qū)的灌溉水利用系數(shù)應由該范圍內(nèi)不同灌區(qū)、不同代表年的灌溉水利用系數(shù)進行加權平均求得，否則，其代表性就較差。

　　5.不同灌區(qū)類型的影響

　　灌溉工程一般有蓄水工程、引水工程以及提水工程等類型。一般情況下，引水工程的管理條件比蓄水工程差，工程質(zhì)量也較差，而提水工程渠道防滲襯砌較好，用水管理制度也較健全，管理也比蓄水及引水灌區(qū)好，所以提水工程的渠系水利用系數(shù)普遍比蓄水工程及引水工程灌區(qū)高。另外，輸水渠道中填方渠道比挖方渠道的渠道水利用系數(shù)要小，這是因為填方渠道比原地面高，土壤顆粒松散，向渠外自然形成較大的水力坡降，滲漏排水快，造成輸水損失大。灌區(qū)面積越集中，灌溉水利用系數(shù)越大；灌區(qū)面積分散，成長條狀的，輸水渠道必然較長，沿途輸水損失也就加大，渠系水利用系數(shù)相應就小。