灌溉水利用系数测定方法研究

1灌溉水利用系数测定方法研究水利部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。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,与美国的0.75相比,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。3汇报内容：1灌溉水利用系数的影响因素2传统测定方法简述3测定方法探讨4结论41灌溉水利用系数的影响因素对灌溉水利用系数的影响也就是从水源到田间作物吸收利用之间对水量损失的影响：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渠系水利用系数的传统测定方法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:①流量小于lm3/s时，渠道长不小于1km；②流量为1～10m3/s时，渠道长不小于3km；③流量为10～30m3/s时，渠道长不小于5km；④流量大于30m3/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。3)存在的问题。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。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，按目前价格计算，投资近千万元，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。3测定方法探讨1）首尾测定法2）典型渠段测量法3）对渠系水利用系数计算公式的修正101）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: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。nijiijWAm1/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。即式中Wa为灌区渠首年总引水量；m为灌区全年灌溉次数。mjajjaWW1/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:式中Mi为灌区某种作物的总灌溉定额。niaiiaWAM1/14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。15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。IIIIII渠别改造前最大幅度渠别改造前最大幅度渠别改造前最大幅度η农η斗η支η干0.80.80.80.825%25%25%25%η农η斗η支η干0.900.900.720.7011.11%11.11%38.89%42.86%η农η斗η支η干0.750.750.800.9033.33%33.33%25.00%11.11%η系0.41144.14%η系0.41144.95%η系0.41146.91%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；这种情况显然用首尾测定法是分析不出来的。162)典型渠段测量法(1)损失水量测量时段内的损失水量W损失为：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；ΣWi—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。渠尾首损失＝(2)典型渠段的输水损失率典段：典段＝W损失／W首18(3)典型渠道单位长度的输水损失率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，必须进行修正换算。19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、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表示：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,,Q0为渠首流量，Qe为渠尾出流流量；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K2可以用渠道控制区的宽度表示：011QQke)1()1()1(2132渠段段典渠道Lkkkk典典20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：K2＝0.5；K3＝0.5+L1/L，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。)611(5.02BBK21（4）渠道单位长度的输水损失率渠道渠道＝∑典渠道iL典渠段i/∑Li（5）某级渠道的输水损失率渠为：渠=渠道L渠式中：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。（6）某级渠道的水利用系数为：=1-渠22（7）田间水利用系数式中：田间—田间水利用系数；m—设计净灌水定额（m3/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)。灌溉水利用系数水为：水=田间WAm间田233）对渠系水利用系数计算公式的修正（1）渠道越级输水的修正（2）渠道布置形式的修正24（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平均计算渠系水利用系数，使计算结果更加符合实际。25如内蒙古河套灌区的义长灌域，现灌面积18.18万hm2，2001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（见下表）。义长灌域的通济干渠渠系水利用系数率计算见下表。26通济干渠渠系水利用系数计算表面积单位：万亩渠系组成各级渠道水利用系数(%)控制面积权重渠道水利用系数(%)干渠分干渠支渠斗渠农渠毛渠六级75.286.385.088.892.093.20.0010.00五级75.286.385.088.893.20.0401.8375.286.385.092.093.20.0592.7975.286.388.892.093.20.0160.7975.285.088.892.093.20.0512.4827通济干渠渠系水利用系数计算表面积单位：万亩通济干渠渠系按传统连乘方法计算渠系水利用系数为0.42，与面积加权计算的结果0.556比较，差值较大。通济干渠渠系水利用系数计算表(续1)面积单位：万亩渠系组成各级渠道水利用系数(%)控制面积权重渠道水利用系数(%)干渠分干渠支渠斗渠农渠毛渠四级75.286.385.093.20.0050.2675.286.388.893.20.0130.7075.286.392.093.20.0160.8975.285.088.893.20.0774.0775.285.092.093.20.29516.1775.288.892.093.20.20511.7428渠系组成各级渠道水利用系数(%)控制面积权重渠道水利用系数(%)干渠分干渠支渠斗渠农渠毛渠三级75.286.393.20.0040.2475.285.093.20.0321.9175.288.893.20.1126.9775.292.093.20.0704.51二级75.293.20.0040.28渠系水利用系数55.6通济干渠渠系水利用系数计算表(续2)面积单位：万亩通济干渠渠系按传统连乘方法计算渠系水利用系数为0.42，与面积加权计算的结果0.556比较，差值较大。29(2)渠道布置形式的修正30灌溉渠系水利用系数计算中，各级渠道水利用系数连乘的方法,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。非等效并联渠系，同级渠道的引水流量和渠道水利用系数不相同，上级渠道不同渠段的流量及相应渠段的渠道水利用系数也不相同。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结论1)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。2)若要系统地了解灌区灌溉水利用情况,以便更科学地进行灌区节水改造等工作,可利用典型渠段测量