貴州省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)初探

蔡長(zhǎng)舉，孫成文，付 杰(.貴州省水利科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 55000；.貴州省貴陽(yáng)市修文縣水務(wù)局，貴陽(yáng) 55000)

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是國(guó)家最嚴(yán)格水資源管理[1]的重要指標(biāo)之一，是反映灌區(qū)節(jié)水改造、管理水平及氣候土壤條件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，準(zhǔn)確測(cè)定農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)不僅對(duì)灌區(qū)節(jié)水改造、灌區(qū)節(jié)水可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也是國(guó)家實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理工作考核的重要工作。長(zhǎng)期以來(lái)，由于貴州省灌區(qū)用水量測(cè)力量薄弱，大部分灌區(qū)無(wú)量測(cè)設(shè)施，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算基礎(chǔ)資料一直靠人工觀測(cè)進(jìn)行，人工觀測(cè)存在隨意性大、管理難、數(shù)據(jù)讀取不準(zhǔn)確、測(cè)算投入高等缺點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前貴州省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算中的存在的諸多問(wèn)題，貴州省水利科學(xué)研究院自主研發(fā)了貴州省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功解決了基礎(chǔ)資料收集難的問(wèn)題，通過(guò)選取馬場(chǎng)、小箐、大壩3個(gè)灌區(qū)作為試點(diǎn)，成功采集到渠首取水量及田間用水量數(shù)據(jù)，為系數(shù)測(cè)算提供了較為可靠的基礎(chǔ)資料。通過(guò)計(jì)算，得出3灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.445、0.461、0.438。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

(1)系統(tǒng)組成。貴州省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由渠首取水量監(jiān)測(cè)模塊、田間用水量監(jiān)測(cè)模塊組成及數(shù)據(jù)采集模塊組成，系統(tǒng)管理人員可以通過(guò)圖標(biāo)頁(yè)面觀測(cè)各區(qū)域下的瞬時(shí)流量、累積流量及各田塊的水位變化，記錄并導(dǎo)出每輪的測(cè)試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)維護(hù)人員配合試驗(yàn)管理人員在使用前期進(jìn)行系統(tǒng)的搭建與參數(shù)配置，在試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整參數(shù)，如果試驗(yàn)人員使用熟練也可以使用部分配置功能，例如各通道對(duì)應(yīng)公式的調(diào)整。

(2)工作原理。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸至終端服務(wù)器，監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榍琢髁勘O(jiān)測(cè)及田間水位監(jiān)測(cè)區(qū)域。其中，每個(gè)灌區(qū)設(shè)1個(gè)渠首取水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)和3個(gè)田間水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用太陽(yáng)能供電，采用超聲波[2]測(cè)流技術(shù)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收平臺(tái)能將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)繪制成曲線，方便直觀。登錄界面如圖1所示。

圖1 農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)登錄界面

2 測(cè)算過(guò)程

2.1 灌區(qū)簡(jiǎn)介

所選3個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)位于修文縣小箐鄉(xiāng)境內(nèi)，小箐鄉(xiāng)距離修文縣城15 km，距離省城貴陽(yáng)55 km，其中，馬場(chǎng)灌區(qū)位于小箐鄉(xiāng)馬場(chǎng)村，設(shè)計(jì)灌溉面積為0.017 hm2，小箐灌區(qū)位于小箐鄉(xiāng)小箐村，設(shè)計(jì)灌溉面積為0.012 hm2，大壩灌區(qū)位于小箐鄉(xiāng)大壩村，設(shè)計(jì)灌溉面積為0.019 hm2。灌區(qū)中心位置坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 樣點(diǎn)灌區(qū)位置信息

2.2 取水水源及取水總量

試驗(yàn)場(chǎng)地位于修文縣小箐鄉(xiāng)允家寨、小箐和大壩3個(gè)村，所選灌區(qū)為巖鷹山水庫(kù)控制的3條支渠，分別為馬場(chǎng)支渠、小箐支渠、大壩支渠，取水水源均為巖鷹山水庫(kù)，根據(jù)流量監(jiān)測(cè)結(jié)果，馬場(chǎng)支渠總?cè)∷繛?5.069 5萬(wàn)m3；小箐支渠總?cè)∷繛?.631 8萬(wàn)m3；大壩支渠總?cè)∷繛?5.412 6萬(wàn)m3；渠首取水量監(jiān)測(cè)設(shè)備如圖2所示。

圖2 渠首取水量監(jiān)測(cè)設(shè)備

2.3 田間凈灌溉用水量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

樣點(diǎn)田塊布設(shè)按以點(diǎn)代面選取典型樣點(diǎn)田塊的原則，分別于每個(gè)灌區(qū)渠首、渠中、渠尾分別選取3個(gè)樣點(diǎn)田場(chǎng)安裝田間監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)設(shè)備見(jiàn)圖3，樣點(diǎn)田塊位置見(jiàn)表2，田間水位監(jiān)測(cè)如表3所示。

圖3 田間用水量監(jiān)測(cè)設(shè)備

表2 樣點(diǎn)田塊位置信息

采集到田間水位后，采用以下公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)各次實(shí)際凈灌溉水量：

表3 田間水位監(jiān)測(cè)表 cm

(1)

式中：Qi為第i次田間灌水量，m3;hi+1為第i+1次采集的田面水深，mm；hi為第i次采集的田面水深，mm。

統(tǒng)計(jì)出各次凈灌溉用水量后，將公頃平均田間灌溉用水總量扣除作物生育期內(nèi)的有效降雨量[3]即為公頃平均凈灌溉用水量，采用下式計(jì)算全生育公頃平均凈灌溉用水量：

(2)

式中：Q凈為全生育期公頃平均凈灌溉用水量；n為第n個(gè)樣點(diǎn)田塊；Qi為第i次采集到的田面水深。α為降雨入滲系數(shù)[4]，其值與一次降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨延續(xù)時(shí)間、土壤性質(zhì)、地面覆蓋及地形等因素有關(guān)。-般認(rèn)為一次降雨量小于5 mm時(shí)，α為0；當(dāng)一次降雨量在5～50 mm時(shí)，約為1.0～0.8，本項(xiàng)目取0.8；當(dāng)次降雨量大于50 mm時(shí)，α=0.70～0.80；P為生育期內(nèi)降雨量，mm。

得出公頃平均凈灌溉用水總量后，其與實(shí)際灌溉面積的乘積，好為凈灌溉用水量。通過(guò)計(jì)算，得出馬場(chǎng)、小箐、大壩3灌區(qū)田間凈灌溉用水量分別為6.71、2.14、6.75萬(wàn)m3。

3 測(cè)算結(jié)果

采集到各灌區(qū)渠首取水量及田間用水量，根據(jù)首尾測(cè)算法[5]原理計(jì)算各灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，公式如下：

η=Q凈/Q毛

(3)

式中：Q凈為凈灌溉用水總量，萬(wàn)m3；Q毛為毛灌溉用水總量，萬(wàn)m3。

通過(guò)計(jì)算，得出馬場(chǎng)、小箐、大壩3灌區(qū)2015年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.445、0.461、0.438。

4 結(jié) 語(yǔ)

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是灌區(qū)管理工作的重要組成部分，對(duì)灌區(qū)合理輸配水起到至關(guān)重要的指導(dǎo)作用，在原有靠人工觀測(cè)為主的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，開發(fā)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將其推廣運(yùn)用，意義十分重大，此次采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得了馬場(chǎng)、小箐、大壩3灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，可直觀看出，小箐灌區(qū)由于灌溉面積較小，渠道輸水距離短，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)明顯高于其他兩個(gè)灌區(qū)，這也直觀解釋了貴州省這樣一個(gè)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)省份農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)高于周邊省份的原因，主要就是該省灌區(qū)規(guī)模小、分散、單個(gè)灌區(qū)輸水損失小。因此，全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏高。

因試驗(yàn)條件有限，選取樣點(diǎn)灌區(qū)少，結(jié)果暫時(shí)還不能完全反映該省農(nóng)田灌溉現(xiàn)狀，系統(tǒng)有待改進(jìn)的地方較多，該系統(tǒng)大面積推廣運(yùn)用尚待時(shí)日。

[1] 陶 潔，左其亭， 薛會(huì)露，等. 最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”控制指標(biāo)及確定方法[J]. 節(jié)水灌溉，2012,(4):64-67.

[2] 王賢妮，宋財(cái)華. 超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與前景[J]. 工業(yè)計(jì)量，2015,(6):34-37.

[3] A S Patwardhan，J L Nieber， E L Johns. 有效降雨量的估算方法[J]. 東北水利水電，1991,(5):39-45.

[4] 劉廷璽，朝倫巴根，馬 龍，等. 通遼地區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)和地下水位埋深及次降雨量關(guān)系的分析與研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002,23(2):40-43.

[5] 全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析專題組. 全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則[Z]. 2015-12.