庫(kù)容法在灌區(qū)量水中的應(yīng)用

劉德斌，張 健，鄒玉田，劉 娟，何俊生

(1.江蘇省沿海水利科學(xué)研究所，江蘇 東臺(tái) 224200；2.東臺(tái)市水務(wù)規(guī)劃辦公室，江蘇 東臺(tái) 224200； 3.東臺(tái)市土地發(fā)展中心，江蘇 東臺(tái) 224200)

0 引 言

灌區(qū)量水是合理調(diào)度農(nóng)業(yè)灌溉水源、執(zhí)行用水計(jì)劃、加強(qiáng)用水管理的必要前提，也是農(nóng)業(yè)水費(fèi)按方收費(fèi)的需要，更是灌區(qū)實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化的基礎(chǔ)和依據(jù)[1]。針對(duì)灌區(qū)量水技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)已有大量學(xué)者做了相關(guān)工作，目前多集中在量水技術(shù)的理論研究[2,3]和量水設(shè)備的開發(fā)研制方面：劉煥芳[4]等人進(jìn)行了灌區(qū)梯形量水堰改進(jìn)研究，提出改進(jìn)后的量水堰測(cè)流方法及計(jì)算精度可以滿足要求；洪成[5]等人進(jìn)行了U形渠道機(jī)翼形量水槽試驗(yàn)，提出機(jī)翼形量水槽具有測(cè)流精度高且投資小的特點(diǎn)，在灌區(qū)量水中具有較好的推廣價(jià)值；王瑩瑩[6]等人進(jìn)行了小型渠道梯形薄壁側(cè)堰的水力特性試驗(yàn)，提出梯形薄壁側(cè)堰在灌區(qū)末級(jí)渠道量水中具有較好的量測(cè)精度和推廣應(yīng)用價(jià)值；潘志寶[7]等人進(jìn)行了閘墩式量水槽試驗(yàn)研究，提出在增加量水槽長(zhǎng)度的情況下，閘墩式量水槽具有較好的量水效果；肖苡辀[8]等人進(jìn)行了平底短喉道量水槽試驗(yàn)，指出田間便攜式平底短喉道量水槽具有良好的測(cè)流精度。以上研究表明，采用適宜的量水槽、薄壁堰等特設(shè)渠道量水設(shè)施在灌區(qū)量水中可獲得較好的量測(cè)精度。但在實(shí)際應(yīng)用中，這類量水槽(堰)設(shè)施的應(yīng)用會(huì)人為地縮小渠道過水?dāng)嗝妫Ц咣账叨?，增加水頭損失，影響輸水效率，且在量水槽(堰)前后易形成泥沙沉淀，影響水體流態(tài)，降低量測(cè)精度[9]。近年來，超聲波流量計(jì)[10]、電磁流量計(jì)[11]、即插式長(zhǎng)喉道量水計(jì)[12]等量測(cè)儀器得到應(yīng)用，這類設(shè)備具有操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)流精確度高等優(yōu)點(diǎn)，可較好地解決量水槽、薄壁堰等量水設(shè)施使用中的不足。但受項(xiàng)目資金、泵站類型、出水口管材尺寸等因素限制，短期內(nèi)進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用受到一定制約，這在已建項(xiàng)目區(qū)尤其是老舊灌區(qū)中表現(xiàn)得尤為明顯。

本文提出庫(kù)容法作為一種灌區(qū)量水技術(shù)，以U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠作為代表，比較庫(kù)容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法間的量水差異。通過小區(qū)結(jié)合大田的試驗(yàn)方法，驗(yàn)證庫(kù)容法所測(cè)結(jié)果的合理性及可靠性，為灌區(qū)量水尤其是目前尚不具備建設(shè)固定式量水設(shè)施的灌區(qū)快速準(zhǔn)確地量水提供一條新的思路。

1 庫(kù)容法測(cè)流原理

庫(kù)容法測(cè)流原理是利用已建泵站配套的輸水渠道、出水池等固定設(shè)施在出水口封閉情況下其庫(kù)容相對(duì)穩(wěn)定的特征，通過記錄泵站取水蓄滿固定庫(kù)容的輸水渠道、出水池所需時(shí)長(zhǎng)，推算泵站此次取水的實(shí)際流量，并以此為基礎(chǔ)，計(jì)算灌區(qū)總灌溉取水量。考慮到配套的固定設(shè)施內(nèi)底部不平整，易出現(xiàn)泥沙、積水、雜草等雜物會(huì)對(duì)測(cè)算精度產(chǎn)生影響，實(shí)際量測(cè)時(shí)通常是在待測(cè)渠道、出水池中預(yù)先設(shè)置一適宜深度的初始水位，以消除這部分不利因素影響。如圖1所示，在蓄水渠道或出水池壁上自下而上適宜位置分別標(biāo)注a、b兩點(diǎn)，a點(diǎn)以下部分為初始庫(kù)容，而a、b兩點(diǎn)間庫(kù)容(陰影部分)即為參與計(jì)算的蓄水庫(kù)容。

圖1 蓄水渠道庫(kù)容法測(cè)流原理示意圖

庫(kù)容法量測(cè)的泵站取水流量為：

(1)

式中：qi為第i次灌溉時(shí)，庫(kù)容法測(cè)算的泵站取水流量，m3/s；q0為試驗(yàn)開始前，借助于智能流速儀實(shí)測(cè)的泵站取水流量，m3/s；t0為試驗(yàn)開始前，借助于秒表實(shí)測(cè)的a、b兩點(diǎn)間蓄水時(shí)長(zhǎng)，s；ti為第i次灌溉時(shí)，實(shí)測(cè)渠道蓄滿a、b兩點(diǎn)間的蓄積時(shí)長(zhǎng),s；q0×t0為封閉渠道參與計(jì)算的蓄水體積，m3。

由此可知，庫(kù)容法所測(cè)灌區(qū)總灌溉取水量計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Q為灌區(qū)總灌溉取水量，m3；n為灌區(qū)灌溉次數(shù)，次；Ti為第i次灌溉灌區(qū)單次提水灌溉時(shí)長(zhǎng)，s；qi、q0、t0、ti的含義及單位同上。

庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水量，其關(guān)鍵在試驗(yàn)前期對(duì)a、b兩點(diǎn)間蓄積庫(kù)容q0×t0的精確測(cè)量，而日常灌溉中僅需要觀測(cè)蓄水水面依次淹沒a、b兩點(diǎn)間的蓄水時(shí)長(zhǎng)ti和單次灌溉的時(shí)長(zhǎng)Ti，與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法相比，日常測(cè)算的技術(shù)要求低，并可節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)時(shí)間，測(cè)算成本得到降低，測(cè)算效率較梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法高。為保證庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水量的精度，日常量測(cè)中可采用梯形薄壁堰法或電磁流量計(jì)法不定期地對(duì)其量測(cè)結(jié)果加以檢驗(yàn)。

2 材料與方法

2.1 試區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選址于江蘇省東臺(tái)市東里村農(nóng)業(yè)示范園，園區(qū)中心坐標(biāo)：東經(jīng)120°12′48.72″，北緯32°53′14.77″，土壤為重壤土。多年平均氣溫14.5 ℃，降水量為1 065.2 mm，無霜期220 d。2017年進(jìn)行水稻灌溉試驗(yàn)，參試品種“南粳9 108”。試驗(yàn)區(qū)水稻采用旱直播方式、淺濕灌溉技術(shù)種植，播種面積84.73 hm2，生育期長(zhǎng)127～132 d，播種密度180 萬株/hm2。區(qū)內(nèi)建有固定式電動(dòng)提水泵站4座，分別為東里新站、東里東站、東里西站和曙光站，對(duì)應(yīng)輸水渠道分別為U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)庫(kù)容法測(cè)流原理，將待測(cè)泵站對(duì)應(yīng)輸水渠道兩側(cè)出水口及末端閘門均予以關(guān)閉，使之形成一封閉蓄水區(qū)域。試驗(yàn)開始前，在渠道中段選擇一流態(tài)穩(wěn)定處的渠道內(nèi)壁上適宜位置處自下而上依次標(biāo)記a、b兩點(diǎn)，對(duì)蓄水水面依次淹沒a、b兩點(diǎn)的蓄積時(shí)間ta、tb進(jìn)行記錄，并借助于便攜式智能流速儀、鋼尺等測(cè)量工具，測(cè)量泵站實(shí)際取水流量，進(jìn)而計(jì)算出a、b兩點(diǎn)間的蓄水庫(kù)容ΔQ0,試驗(yàn)區(qū)配套渠道設(shè)計(jì)及蓄水控制參數(shù)見表1。

為驗(yàn)證庫(kù)容法所測(cè)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)中同時(shí)采用梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法分別對(duì)四座泵站的運(yùn)行流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，比較渠道類型對(duì)庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水量精度的影響。分別在四座泵站出水槽內(nèi)選擇適宜位置安裝可移動(dòng)式梯形薄壁堰測(cè)流裝置，薄壁堰上底90 cm，下底75 cm，堰口側(cè)邊比(橫豎比)1：4，在四座電動(dòng)泵站出水口一側(cè)管道上適宜位置處，分別安裝一套插入式電磁流量計(jì)(型號(hào)：YK-LDC-L)用以測(cè)量泵站取水流量。

試驗(yàn)主要觀測(cè)指標(biāo)及方法如下：

(1)標(biāo)記蓄水位置a、b：借助于水準(zhǔn)儀(型號(hào):蘇光DSZ2+FS1)在蓄水渠內(nèi)壁上適宜位置標(biāo)注相應(yīng)標(biāo)線，具體見表1中蓄水深度ha、hb。

(2)試驗(yàn)前蓄水時(shí)長(zhǎng)t0、歷次灌溉的蓄水時(shí)長(zhǎng)ti及灌區(qū)灌溉時(shí)長(zhǎng)Ti:試驗(yàn)前采用秒表(精度0.1 s)記錄泵站自零點(diǎn)時(shí)刻(泵站出水)起至蓄水水面依次淹沒至標(biāo)記a、b兩點(diǎn)的時(shí)間ta、tb，則兩點(diǎn)間的蓄水時(shí)長(zhǎng)為：t0=tb-ta；同法可得ti、Ti。

(3)蓄水庫(kù)容ΔQ0：對(duì)于封閉狀態(tài)下蓄水體積為不規(guī)則幾何體的渠道，蓄水庫(kù)容ΔQ0采用直接量測(cè)法測(cè)得。參考《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)，選擇泵站出水口一側(cè)渠道內(nèi)適宜位置處的斷面，利用便攜式智能流速儀(型號(hào)：LGY-II型)進(jìn)行斷面流量測(cè)定。量測(cè)時(shí)的測(cè)深垂線間距設(shè)置為0.25 m，垂線流速測(cè)點(diǎn)采用“三點(diǎn)法”進(jìn)行，結(jié)合測(cè)流處過水?dāng)嗝娣e可計(jì)算得出斷面流量。流速儀測(cè)定的時(shí)間檔設(shè)置為較長(zhǎng)的99 s，3次重復(fù)，過水?dāng)嗝娣e采用鋼尺(精度0.01 m)測(cè)算得出。為減少梯形土渠在蓄水過程中因土壤吸濕和下滲對(duì)蓄水庫(kù)容測(cè)量值ΔQ0的影響，可在量測(cè)前預(yù)先將渠道內(nèi)注滿水，待濕周土壤飽和后排空渠道內(nèi)余水再進(jìn)行量測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 庫(kù)容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法量水比較

試驗(yàn)期間小區(qū)共進(jìn)行了15次提水灌溉，結(jié)束時(shí)將庫(kù)容法所測(cè)灌區(qū)取水流量與其他兩種方法的測(cè)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2。

圖2 三種量測(cè)方法實(shí)測(cè)灌區(qū)渠首取水流量

從圖2可知，U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠在三種測(cè)算方法下所測(cè)得取水流量分別為0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，且3種方法下的四類輸水渠道的渠首取水流量均一致表現(xiàn)為：U形防滲渠>梯形防滲渠>矩形防滲渠>梯形土渠，分析原因是由于灌區(qū)取水流量主要是由各自配套泵站的取水能力所決定。

將圖2中庫(kù)容法、梯形薄壁堰法、電磁流量計(jì)法三種量測(cè)技術(shù)下對(duì)應(yīng)的四類渠道渠首取水流量進(jìn)行整理，采用SPSS 22.0進(jìn)行Duncan測(cè)驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)區(qū)渠首取水流量的Duncan檢測(cè)

從表2可知，試驗(yàn)區(qū)渠首取水流量的量測(cè)結(jié)果與渠道類型間均存在5%的顯著差異和1%的極顯著差異，而與三種流量量測(cè)方法間無5%的顯著性差異和1%的極顯著差異。由此可知，采用庫(kù)容法量測(cè)的灌區(qū)渠首取水流量，其結(jié)果與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法的測(cè)算結(jié)果間表現(xiàn)出良好的一致性，可以作為灌區(qū)取水流量的一種量測(cè)方法加以應(yīng)用。

為進(jìn)一步分析渠道類型對(duì)庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水流量測(cè)算精度產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)結(jié)束分別將歷次灌溉時(shí)庫(kù)容法與其他兩種測(cè)算方法間的相對(duì)偏差進(jìn)行整理，如圖3所示。圖3(a)中梯形土渠相對(duì)偏差-7.25%～-3.70%，矩形防滲渠的相對(duì)偏差為-1.68%～2.04%，而U形防滲渠和梯形防滲渠的相對(duì)偏差分別為-4.86%～-1.26%、-5.97%～-2.18%；圖3(b)中梯形土渠相對(duì)偏差-8.79%～-2.84%，矩形防滲渠的相對(duì)偏差為-3.36%～2.27%，而U形防滲渠和梯形防滲渠的相對(duì)偏差分別為-4.58%～-0.79%、-4.62%～-0.35%。由此可知，庫(kù)容法測(cè)得的四類輸水渠道流量與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法相比，其相對(duì)偏差一致表現(xiàn)為：梯形土渠偏差最為顯著，矩形防滲渠的偏差最小，而U形防滲渠與梯形防滲渠的相對(duì)偏差處于兩者之間，即采用庫(kù)容法測(cè)算的四類輸水渠道渠首取水流量，梯形土渠的測(cè)算結(jié)果差異最大，矩形防滲防滲渠的測(cè)算結(jié)果最為準(zhǔn)確，U形防滲渠和梯形防滲渠的結(jié)果介于兩者之間。

圖3 庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水與其他兩種方法間相對(duì)誤差

3.2 渠道類型對(duì)庫(kù)容法量測(cè)灌區(qū)取水量結(jié)果影響

試驗(yàn)結(jié)束按輸水渠道類型差異，將三種量測(cè)方法下灌區(qū)歷次取水量及相對(duì)偏差分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。從圖4可知，水稻生育期內(nèi)，同一灌區(qū)中除個(gè)別灌溉次數(shù)(第9次灌溉，拔節(jié)孕穗期)外，其余單次灌溉水量都相對(duì)一致。這是由于第9次灌溉處于水稻的拔節(jié)-孕穗期，是水稻生育期內(nèi)的需水高峰，為保證水稻正常生長(zhǎng)，單次灌溉的水量較往常明顯偏多；而其余次數(shù)灌溉水量相對(duì)一致，是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)水稻采用的淺濕灌溉技術(shù)以提高農(nóng)業(yè)用水的有效利用率，灌溉時(shí)采用“少量多次”的原則，設(shè)計(jì)的單次灌溉水層在相對(duì)一致的情況下，同一灌區(qū)單次灌區(qū)取水量也相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 不同類型渠道灌區(qū)取水量實(shí)測(cè)值及偏差系數(shù)

從圖4還可知，采用庫(kù)容法量測(cè)的灌區(qū)取水量與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法間的相對(duì)偏差，梯形土渠[圖4(d)]差異最大，處于-7.25%～-2.84%之間；矩形防滲渠(圖4b)差異最小，處于-3.36%～2.27%；U形防滲渠[圖4(a)]和梯形防滲渠[圖4(b)]介于兩者之間。四種渠道中,采用庫(kù)容法量測(cè)的灌區(qū)取水量與梯形薄壁堰法比較，平均相對(duì)偏差RKTi依次為-2.78%、0.49%、-3.99%和-5.38%，與電磁流量計(jì)法量測(cè)的結(jié)果相比，其RKDi依次為-2.75%、-0.73%、-2.41%和-6.28%，相對(duì)偏差RKTi、RKDi間相差-0.90%～1.58%，測(cè)算效果整體表現(xiàn)為：矩形防滲渠>U形防滲渠>梯形防滲渠>梯形土渠。

3.3 庫(kù)容法在大田中的應(yīng)用

為檢驗(yàn)小區(qū)試驗(yàn)成果的合理性與可靠性，同年在江蘇省的東臺(tái)、大豐、鹽都、建湖和濱海五縣(市、區(qū))共選擇35處典型灌區(qū)進(jìn)行了大田驗(yàn)證工作。其中：U形防滲渠灌區(qū)9處，矩形防滲渠灌區(qū)7處，梯形防滲渠灌區(qū)8處，梯形土渠灌區(qū)11處。試驗(yàn)結(jié)束按渠道類型分類，將庫(kù)容法、梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法三種量水技術(shù)所測(cè)灌區(qū)取水量及相對(duì)偏差進(jìn)行整理，如圖5。

圖5 2017年參與驗(yàn)證試驗(yàn)的35處樣點(diǎn)灌區(qū)取水量及相關(guān)性

從圖5可知，三種測(cè)算方法所得到的灌區(qū)取水量有著相同的高峰與低谷。圖5(a)中灌區(qū)取水量為5.24～23.94 萬m3，相對(duì)偏差為-4.96%～-2.81%；圖5(b)中灌區(qū)取水量為7.26～13.25 萬m3，相對(duì)偏差為-2.93%～2.07%；圖5(c)中灌區(qū)取水量為7.45～23.50 萬m3，相對(duì)偏差為-5.93%～-2.76%；圖5(d)中灌區(qū)取水量為6.73～18.24 萬m3，相對(duì)偏差為-8.82%～-3.94%。從相對(duì)偏差分析，圖5(a)～5(d)中，差異最顯著的為梯形土渠[圖5(d)]，U形防滲渠[圖5(a)]和梯形防滲渠[圖5(c)]次之，矩形防滲渠[圖5(b)]的相對(duì)偏差最小，這與小區(qū)試驗(yàn)測(cè)算的結(jié)果表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。

4 討 論

小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明，庫(kù)容法量測(cè)效果整體表現(xiàn)為：矩形防滲渠>U形防滲渠>梯形防滲渠>梯形土渠。分析原因：梯形土渠渠道襯面未進(jìn)行任何防滲技術(shù)處理，盡管在測(cè)算前預(yù)先蓄水至渠道濕周土壤飽和后再進(jìn)行量測(cè)以減少偏差，但與其余三類采用混凝土防滲技術(shù)處理的渠道相比，庫(kù)容法實(shí)測(cè)時(shí)的蓄水過程中土壤下滲水量仍占渠首取水總量的比重較大，故梯形土渠的相對(duì)偏差最大；當(dāng)渠道襯面均采用混凝土防滲技術(shù)處理即渠道襯底入滲系數(shù)一致時(shí)，影響測(cè)算精度的最主要因素為渠道過水?dāng)嗝娣e與濕周的比值，即與水力半徑密切相關(guān)，水力半徑越大，則表示輸送相同過水?dāng)嗝娣e水體時(shí)的渠道襯底渠道濕周越小，相對(duì)偏差與水力半徑的倒數(shù)呈顯著正相關(guān)。

采用庫(kù)容法測(cè)算灌區(qū)渠首取水流量時(shí)，決定測(cè)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的最主要因素是對(duì)渠道內(nèi)蓄水庫(kù)容量測(cè)算的準(zhǔn)確與否。對(duì)比小區(qū)試驗(yàn)和大田驗(yàn)證成果發(fā)現(xiàn)，小區(qū)試驗(yàn)時(shí)四類渠道相對(duì)偏差依次為-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，效果整體優(yōu)于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，兩種試驗(yàn)規(guī)模間相差0.19%～1.48%。分析原因是因?yàn)樾^(qū)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)中關(guān)鍵參數(shù)的量測(cè)、渠道的封閉處理等技術(shù)措施，較大田驗(yàn)證時(shí)的要求更為嚴(yán)格所致。為提高大田測(cè)算精度，減少相對(duì)偏差，應(yīng)注重對(duì)大田實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)精度和關(guān)鍵指標(biāo)的把控尤其是對(duì)影響蓄水庫(kù)容ΔQ0關(guān)鍵參數(shù)的精確測(cè)量。

5 結(jié) 論

(1)采用庫(kù)容法量測(cè)的灌區(qū)渠首取水量，其結(jié)果與傳統(tǒng)的梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法之間的測(cè)算結(jié)果間表現(xiàn)著良好的一致性，具有較好的量測(cè)精度，且測(cè)算效率較梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法高。因此，庫(kù)容法可作為一種灌區(qū)量水技術(shù)加以推廣應(yīng)用。

(2)庫(kù)容法量測(cè)U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠以及梯形土渠的渠首取水流量，結(jié)果分別為0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，其量測(cè)值與另外兩種量測(cè)方法所得結(jié)果，采用Duncan檢測(cè)無顯著差異。

(3)庫(kù)容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計(jì)法量的量測(cè)值相比，小區(qū)試驗(yàn)中測(cè)得的灌區(qū)取水量在四類渠道的相對(duì)偏差依次為-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，測(cè)算效果整體優(yōu)于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，兩種試驗(yàn)規(guī)模間相差0.19%～1.48%。為提高大田的測(cè)算精度，可在試驗(yàn)中結(jié)合傳統(tǒng)的量測(cè)方法，對(duì)庫(kù)容法量測(cè)的大田取水量不定期地進(jìn)行實(shí)測(cè)校驗(yàn)。