灌溉水利用系数综合测定法

□ 许建中 赵竞成 高 峰 黄修桥 李英能

 

　　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作为比较与衡量的标准。从各地区来讲，目前统计出的灌溉水利用系数差异极大，很多数据明显地存在错误，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，急需对灌溉水利用系数进行分析研究。综合测定计算方法是在分析研究的基础上提出的，既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，而且能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。为灌区今后经常性地测量符合实际的灌溉水利用系数及指导灌区节水工程改造等提供了一种切实可行的汁算方法。

　　一、典型渠道的选择及要求

　　1．选择具有代表性的典型渠道

　　典型渠道应包括衬砌渠道和未衬砌渠道，其工程完好率分别接近全灌区该级衬砌和未衬砌渠道的工程完好率，过水流量接近该级渠道的平均值。典型渠段的了程完好率和过水流量应接近典型渠道的平均值。

　　2．测流断面的选

应选择在渠段平直、水流均匀、无旋涡或回流的地方，断面应与水流方向垂直。测流段应基本具有稳定规则的断面。全面、认真地检查拟测渠道，清除测水断面处及附近淤积物和石块等，保持测流断面的完整和通畅。

　　3．测量方法的选择

　　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。

　　4．测定条件要求

　　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。

　　5．测量渠道数量的选择

　　为减少工作量，可采取抽样测量，衬砌与未衬砌渠道分别进行测量，各级渠道按表1确定测渠数量。

表1　灌区测量渠道的数量

　　对于井灌区，以县域为单位，以井为单元进行抽样测定。每个县域的典型井数为6眼井，其中3眼井为已建节水灌溉工程，3眼井为未建节水灌溉工程。井的选择要有代表性，应接近全县渠道防渗率和工程完好率的平均水平；测定时井的运行状态应为正常灌溉情况下的一般状态。

　　6．测量典型渠段长度要求

　　流量小于1m3/s时，渠段长度不小于lkm；流量为1～l0m3/s时，渠段长度不小于3km；流蛆为l0～30m3/s时，渠段长度不小于5km；流量大于30m3/s时，渠段长度不小于l0km。

　　二、典型渠道单位长度的输水损失率δ典渠道的计算

　　1．典型渠道(渠段)测量时段内损失水量计算

　　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)尾部测晕断面的累汁水量；ΣWi为测量时段内正常运行的下级渠道测量断面的累计水量；△W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．典型渠段的输水损失δ典段。

　　典型渠段的输水损失率等于典型渠段测量时段内损失水量与渠段上游断面的累汁水量之比，即：

　　3．典型渠道单位长度的输水损失率δ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，根据灌区实际测量验证，引入k1、k2、k3三个修正系数，典型渠道单位长度的输水损失率可由下式计算：

　　其中：

　　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，Qo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；B为渠道控制区的平均宽度；△B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。K3为位置修正系数，L1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。

　　三、灌溉水利用系数的计算

　　1．渠道水利用系数η渠道

　　首先计算渠道单位长度的辅水损失率率σ渠道，渠道单位长度的辅水损失率等于所选该级各典型渠段输水损失率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 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．田间水利用系数η田间

　　根据《节水灌溉技术规范》(SL207-98)，田间水利用系数应按下式进行计算：

　　式中：η田间为田间水利用系数；A为农渠控制的实灌面积，W农净为一次灌溉农渠放出的总水量，m为设计净灌水定额。

　　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。

　　也可在灌区中选择有代表性的地块，通过实测灌水前后(2天左右)土壤含水量的变化，计算净灌水定额，算出田间水利用系数。

　　3．灌溉水利用系数η水

　　灌溉水利用系数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：

　　四、灌溉水利用系数的修正

　　1．渠道越级输水的修正

　　在灌区中存在越级渠道输水现象时，应进行修正，使计算结果更加符合实际。设根据不同的越级状况，渠系组成类型有m种，对应的灌溉面积为A1、A2…Am；则渠道越级输水修正后的灌溉水利用系数为：

　　式中：η1、η2…ηm，为对应于A1、A2…Am的灌溉水利用系数；f1，f2…fm分别为A1、A2…Am占总面积的权重。

　　2．渠道布置形式的修正

　　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。渠系水利用系数不能用各级渠道水利用系数相乘的积来计算。对于i、j上下两级非等效并联渠道，其渠系水利用系数应按下式计算：

　　式中：ηij为i、j两级渠系的渠系水利用系数；dk为下级第k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；ηjk为下级第k条渠道的渠道水利用系数。

　　对非等效并联渠道的渠系水利用系数修正后，与田间水利用系数相乘即可得到灌溉水利用系数。

　　五、灌溉水利用系数的校核

　　1．首尾测定法计算灌溉水利用系数

　　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，用下式计算灌溉水利用系数η水：

　　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；W为渠首总引水量；n为灌区作物种植种类。

　　也可通过实测灌水前后2天左右内土壤含水量的变化，计算净灌水定额，算出灌溉水利用系数：

　　式中：β1i、β2i为第i种作物灌水前、后计划湿润层的土壤含水率(以干土重的百分数表示)；γi为种植第i种作物的土的干容重，t/m3；Hi为种植第i种作物的计划湿润层深度，m。

灌溉水利用系数传统测定方法存在问题及影响因素分析

口 许建中 赵竞成 高峰 黄修桥 李英能

 

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，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。目前统计出的灌溉水利用系数差异很大，有的仅有0.2，而有的高达0.78，很多数据明显地存在错误，难以正确制定地区发展规划，也难以有针对性地指导全国节水灌溉的发展。

　　一、灌溉水利用系数的传统测定方法

　　灌溉水利用系数是指从水库、河流引来或提取的地表水，或用水泵从井内提取的地下水，通过采用必要的工程技术措施，引水到田间被作物吸收利用的程度。亦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两部分。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两部分。

　　渠系水利用系数反映了从渠首到末级渠道的各级输、配水渠道的输水损失，表示了整个渠系的水的利用率，其值等于各级渠道水利用系数的乘积。渠道水利用系数等于该渠道同时期放人下一级渠道的流量(水量)之和与该级渠道首端进入的流量(水量)的比值。可分别用下式计算：

　　式中：η为灌区灌溉水利用系数；Wj为灌溉时能够被农作物利用的净水量；W0为渠首引入的总水量；ηq为渠系水利用系数；ηt为田间水利用系数；ηg、ηz、ηd、ηn分别为干、支、斗、农渠的加权平均渠道水利用系数；ηS为渠道水利用系数；ΣQX、ΣWX分别为该级渠道同时期放人下一级渠道的流量、水量；QS、WS分别为该级渠道首端进入的流量、水量。

　　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，然后根据井灌的地下水利用量与渠灌的渠首引水量进行加权平均：

　　式中：W1为灌溉时井灌的地下水利用量；η1为井灌灌溉水利用系数。

　　计算某级渠道的加权平均渠道水利用系数时，应用同级各条渠道实测的正常流量值与相应的渠道水利用系数的乘积求得，即：

　　式中：Qi为某级渠道的第i条渠道实际流量；ηi为某级渠道的第i条渠道的水利用系数。

　　田间水利用系数为灌溉水贮存到作物计划湿润层中的净水量与从渠系末端进入田间水量的比值。即：

　　式中：mj为设计净灌水定额(m3/hm2)；Aj为末级固定渠道控制的实灌面积(hm2)；Wt为末级固定渠道放出进入田间的总水量(m3)。

　　渠道损失水量测定方法分为动水测定法及静水测定法。

　　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：流量小于lm3/s时，渠道长不小于lkm；流量为1～l0m3/s时，渠道长不小于3km；流量为10～30m3/s时，渠道长不小于5km；流量大于30m3/s时，渠道长不小于l0km。观测上、下游两个断面相同时段的流量，其差值即为损失水量。

　　2.静水测定法

　　选择一段具有代表性的渠段，长度50～l00m，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渠系水利用系数。

　　渠段的水量损失测出后，换算成单位长度水量损失率σ，即可计算出渠道水利用系数：

　　式中：L为渠道长度(km)。

　　田间水利用系数的测定法。在灌区中选择有代表性的灌溉地块，通过实测灌水前后1-3天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：

　　式中：β1、β2分别为灌水前后作物计划湿润层的土壤含水率(以干土重的百分数表示)；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。

　　二、传统测定方法存在的问题

　　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。如广西壮族自治区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，曾在20世纪80年代初期采用传统的动水测试法对全区22个重点灌区进行了渠系水利用系数测试，当时投资了88万元，累计实测灌区各级渠道长5923.2km，实测渠段2640段，参加测试人员达3850人。

　　2.测试条件要求严格，难以保证

　　对于灌区来讲，要在面广渠多的灌溉用水情况下停止供水来进行静水测试是难以做到的，一般采用动水测试法进行全面测试。采用动水测试法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，这些必要条件难以做到。

　　3.要求掌握测试技术的人员较多

　　大多数灌区不常进行灌溉水利用系数的测算，测流设备较少，掌握测流技术的人员也较少。对于灌区来讲，进行一次全面的灌溉水利用系数测量，需要大量的人员掌握测试技术，这对于许多灌区是难以达到的。如广西壮族自治区在对22个灌区进行灌溉水利用系数测量时，举办了14期测流培训班，参加学习人员达560人次。

　　4.灌溉水利用系数的代表性较差

　　灌区不同的水文年或不同时期的来水和用水情况不同，渠首引进的流量或水量亦不相同，灌区的实灌面积也不相同，因此灌溉水利用系数每次灌水都不相同。目前灌区只用某次测定计算得出的灌溉水利用系数来代替所有的情况，不能反映灌区一段时期、甚至当年的实际灌溉水利用情况。目前我国灌区正在实施以节水为目标的技术改造，渠道防渗、田间节水灌溉技术的应用使灌区的灌溉水利用系数也随之改变，以往测定的灌溉水利用系数就更缺乏代表性，而随着不断改造的渠道状况的变化，利用传统测定方法，进行一次次地测定又难以做到。

　　三、灌溉水利用系数的影响因素

　　灌溉水的水量损失主要有：①渗水损失。包括各级输水渠道通过渠底、边坡土壤空隙渗漏的水量和田间深层渗漏的水量。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，或因管理不善引起的田面流失及泄水损失，工程失修引起的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，可以忽略不计。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%。

　　灌溉水的水量损失，直接影响着灌溉水的利用程度，因此，灌溉水利用系数的影响因素从灌溉水量损失方面来考虑主要有防渗措施、土壤质地及地下水埋深、灌区类型、灌区地理位置、灌区规模、渠道级别及灌溉技术等。

　　2.渠道级别的影响

　　灌区的干、支、斗等各级渠道由于断面大小、长度、斗闸门完好率、土壤、地形、水文地质、防渗衬砌长度以及管理养护水平的不同，直接影响到渗漏损失的大小，渠道有效利用系数也就不同。从表1中可以看出，南方某地区斗渠的渠道水利用系数较高。其原因是该地区绝大部分的斗渠比干、支渠都短，有的出水口直接灌水到田间，输水损失较小，其有效利用系数就高。而该地区干、支渠都是盘桓于山丘坡地间，未进入田间，渠道渗漏损失较大，而干渠防渗率较支渠高，多数支渠未作防渗衬砌，渗漏损失比干渠大，同时在管理工作上也往往比较重视干渠的管理养护及用水管理，这就造成了该地区支渠的渠道水利用系数比干渠和斗渠低的情况。

　　3.不同地区的影响

　　不同地区的地形地貌不同、水文地质条件不同，对灌溉水利用系数的影响也不同。土层瘠薄、砂质土壤多、透水性强、不易蓄水的地区，渠道渗漏损失较大，灌溉水利用系数就较低。而土层覆盖较厚、黏性土壤多、地下水位比较浅、地势较平坦的地区，渠道渗漏损失较小，灌溉水的利用系数也就较高。同时，不同地区或同一地区不同年份的水文气象条件不同，其对灌溉水利用系数的影响也不同。因此，较大范围地区的灌溉水利用系数应由该范围内不同灌区、不同代表年的灌溉水利用系数进行加权平均求得，否则，其代表性就较差。

　　5.不同灌区类型的影响

　　灌溉工程一般有蓄水工程、引水工程以及提水工程等类型。一般情况下，引水工程的管理条件比蓄水工程差，工程质量也较差，而提水工程渠道防渗衬砌较好，用水管理制度也较健全，管理也比蓄水及引水灌区好，所以提水工程的渠系水利用系数普遍比蓄水工程及引水工程灌区高。另外，输水渠道中填方渠道比挖方渠道的渠道水利用系数要小，这是因为填方渠道比原地面高，土壤颗粒松散，向渠外自然形成较大的水力坡降，渗漏排水快，造成输水损失大。灌区面积越集中，灌溉水利用系数越大；灌区面积分散，成长条状的，输水渠道必然较长，沿途输水损失也就加大，渠系水利用系数相应就小。