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      基于EM的灌溉渠道是否存在滲漏損失的驗(yàn)證分析

      2021-02-14 00:46:36時圣民
      水利科技與經(jīng)濟(jì) 2021年12期
      關(guān)鍵詞:螺旋槳電導(dǎo)率含水量

      時圣民

      (山東省單縣時樓鎮(zhèn)人民政府,山東 菏澤 274300)

      1 概 述

      農(nóng)業(yè)是中國最大用水者,約占總用水量的60%。此外,由于全球變暖,未來灌溉用水可能會增加。如果不對水資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾?,農(nóng)業(yè)和其他部門之間的競爭有可能加劇缺水危機(jī)[1]。而襯砌渠道可以減少60%~80%的損失,盡管由于土壤的低導(dǎo)水率,一些土制渠道的滲水率已經(jīng)很低了[2],但減少渠道損失將提高灌溉系統(tǒng)的效率[3-4],可減少用于灌溉的分流水量。因此,需要一種快速、廉價和易于使用的方法來檢測灌溉渠道的滲漏,以定位水損失并確定必須襯砌的渠道[5]。

      確定灌溉渠道損失的兩種最著名方法是流入-流出法及積水試驗(yàn)法。流入-流出法的主要優(yōu)點(diǎn)是可在渠道正常運(yùn)行條件下測量損失,而主要缺點(diǎn)是需要隨著時間的推移進(jìn)行大量精確測量,并且無法確定局部損失。積水試驗(yàn)法是用水填充封閉的部分渠道,并測量自由水面的下降率。雖然這種方法可準(zhǔn)確測量,但不能用于大型灌溉渠道、多分支渠道或高邊坡渠道以及正常運(yùn)行條件不能中斷的缺點(diǎn)。電磁感應(yīng)(EM)方法被證明是測量土壤含水量的一種快速工具,被用于評估滲透損失。其他儀器也可以用來更精確地測量土壤含水量,如時域反射儀(TDR)。為排除其他可能干擾損失評估的因素,本文采用EM和TDR的聯(lián)合應(yīng)用的方法,提供電導(dǎo)率和土壤含水量的數(shù)據(jù),以檢測灌渠滲漏損失的可能性。

      2 設(shè)備及方法

      山東菏澤引黃灌區(qū)一些渠道已被證實(shí)存在水流失的現(xiàn)象。本項(xiàng)研究的重點(diǎn)是比較電磁與其他傳統(tǒng)技術(shù)(聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)獲得的流量測量)測量的滲流損失,并收集通過TDR測量的土壤含水量值,以驗(yàn)證電磁測量的可靠性。

      2.1 電磁設(shè)備

      使用電磁感應(yīng)儀器(EM)測量土壤表觀電導(dǎo)率(ECa),以mS/m表示,并將傳感器下方的土壤視為均勻和各向同性的。每個儀器有兩個線圈(一個發(fā)射器和一個接收器),它們以固定或可變的距離放置。儀器可在土壤中感應(yīng)電流,穿透深度由線圈的間距和電流頻率決定。電導(dǎo)率受土壤含鹽量和類型、黏土含量和類型、礦物類型、基巖深度、土壤含水量、有機(jī)質(zhì)和溫度的影響。信號到達(dá)深度由土壤的均勻性決定。如果土壤在地表附近具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性,那么信號就會消散,不會深入。

      在本研究中,使用GEM-2型設(shè)備獲取電磁數(shù)據(jù)。GEM-2的線圈間距為1.66 m,帶寬范圍為300 Hz至48 kHz,可以傳輸包含多個頻率的任意波形;能夠通過脈寬調(diào)制技術(shù)發(fā)送和接收任何數(shù)字合成波形。由于其波形的任意性和高速數(shù)字化,傳感器可以在頻域模式或時域模式下工作。其內(nèi)置的操作軟件允許測量員在1.5 m的線間距下每小時覆蓋約4 000 m2。

      2.2 TDR(時域反射儀)設(shè)備

      為了評估電磁測量的可靠性,有必要驗(yàn)證電導(dǎo)率的降低是由于渠道的滲透損失,而不是土壤含水量的減少。對灌渠兩邊的土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測,以驗(yàn)證在渠道內(nèi)有水和無水的情況下土壤含水量保持不變。為了測量灌渠周圍土壤的含水量,使用時域反射儀將長0.75 m的探頭垂直插入土壤中。TDR探頭、土壤采樣點(diǎn)和EM樣帶見圖1。

      圖1 采樣方案注:實(shí)線表示灌渠底部;平行于灌渠方向的虛線表示EM測量樣線;圓點(diǎn)代表TDR探針和土壤采樣位置。

      2.3 流量測量設(shè)備

      用聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)測量流量,并記錄對比結(jié)果,進(jìn)行分析研究。

      2.4 電磁測量和TDR測量的采樣方案

      TDR測量網(wǎng)格并沒有完全應(yīng)用于每條被調(diào)查的渠道,因?yàn)樘囟ǖ膱龅叵拗铺结槻迦?。缺失的測量值將在后文列出。

      2.5 試驗(yàn)場地

      2.5.1 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q1

      灌渠Q1寬3 m,深約1 m。對渠道中的不同水位,測量3個周期。在測試的第一天(2020.4.26),渠道水位為13 cm;在測試的第二天(2020.6.24),渠道的水位為27 cm。第三次測量是通過干渠進(jìn)行的(2020.9.14)。選擇沿渠道相距500 m的兩個橫截面,用聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)對流量進(jìn)行測量。右岸的TDR測量是在距離渠道邊緣1 m的地點(diǎn)進(jìn)行的,每個位置都用字母標(biāo)記(圖1)。同時在距離渠道邊緣1、2和3 m處的左岸進(jìn)行TDR測量。由于土壤的石質(zhì),無法在前兩個地點(diǎn)(A和B)安裝TDR探頭。電磁測量是沿著平行于渠道兩岸的線路,距渠道邊緣1、2.5和4 m處進(jìn)行測量。

      2.5.2 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q2

      調(diào)查的渠道Q2寬2 m,深約1.5 m,此抽樣渠道的測量活動分為兩個階段:第一階段灌渠水位36 cm (2020.4.21),第二階段灌渠無水(2020.5.2)。確定沿渠道彼此相距460 m的兩個橫截面,使用兩個聲學(xué)多普勒剖面儀和兩個螺旋槳流量計(jì)進(jìn)行測量。在距離渠道邊緣1、2和3 m的地點(diǎn)進(jìn)行TDR測量。TDR測量是沿著兩個橫斷面的11個點(diǎn)進(jìn)行的。一個樣帶位于距離渠道左岸0.5 m處,另一個位于距離渠道右岸0.5 m處。盡管渠道已經(jīng)干了幾天,兩個樣帶的第一站(A)仍然被水覆蓋,因此沒有進(jìn)行TDR測量。

      2.5.3 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q3

      抽樣調(diào)查的渠道Q3寬為4 m,深超過1.5 m。此渠道分兩次測量:第一次測量(2020.4.27)的渠道水位為57 cm,第二個斷面的水位從上游的0.10 m到下游的0.22 m不等。第二次測量(2020.5.5)的水位是可達(dá)到的最低水平,因?yàn)楹拥罃r截了上層地下水位。用聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)在相距300 m的兩個橫截面上進(jìn)行流量測量。

      因?yàn)樽蟀抖盖停琓DR測量僅在渠道右岸進(jìn)行。沿3個橫斷面的11個點(diǎn)測量渠道內(nèi)的TDR數(shù)值。3個樣帶位分別位于渠道左岸0.5 m處,右岸0.5 m處及兩側(cè)1.5 m處。

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      3.1 流量測量-螺旋槳流量計(jì)

      測量結(jié)果見表1。

      表1 螺旋槳流量計(jì)的流量測量結(jié)果

      由表1可知,使用螺旋槳流量計(jì)現(xiàn)場測定的渠道Q2的流量損失約為15%,渠道Q1的流量損失約為 22%。在渠道Q3,下游橫截面處的流量比上游橫截面處測得的流量大11%。

      3.2 流量測量-聲學(xué)多普勒剖面儀

      測量結(jié)果見表2。

      表2 聲學(xué)多普勒剖面儀的流量測量結(jié)果

      由表2可知,根據(jù)對Q1現(xiàn)場測得的流量平均值的分析(以10 min為間隔進(jìn)行計(jì)算),估計(jì)損失為0.017 m3/s,相當(dāng)于渠道上游橫截面測得流量的11%。對Q2現(xiàn)場測得的流量值進(jìn)行相同的分析,得出水損失估計(jì)為0.203 m3/s(初始流量的23%)。在渠道Q3現(xiàn)場,下游橫截面處測得的流量大于在上游橫截面處的流量,流速增加等于上游部分流速的25%。數(shù)據(jù)不同是因?yàn)槎嗥绽掌拭鎯x測得的數(shù)據(jù)與平均10 h相關(guān),而螺旋槳流量計(jì)得到的數(shù)據(jù)是瞬時的。

      3.3 電導(dǎo)率與土壤含水量的關(guān)系

      3.3.1 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q1

      在Q1收集的數(shù)據(jù)表明,當(dāng)渠道自由表面高度降低時,電導(dǎo)率值會增加。當(dāng)電導(dǎo)率值增加時,平均土壤含水量沒有任何顯著變化。見圖2。

      觀察圖2可知,當(dāng)自由水面高度為36 cm時,土壤含水量的平均值為0.269 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.071 m3/m3);自由水面高度為13 cm時,含水量平均值為0.278 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.094 m3/m3);當(dāng)渠道中沒有水,即自由水面高度為0 cm時,土壤含水量的平均值為0.231 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差0.034 m3/m3)。

      圖2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)Q1用TDR測量的土壤含水量與以5和20 kHz頻率測量的土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系

      同時研究發(fā)現(xiàn),在5 kHz頻率下進(jìn)行測量時,電導(dǎo)率值的平均增幅為130 mS/m;在20 kHz頻率下進(jìn)行測量時,電導(dǎo)率值的平均增幅為20 mS/m。

      3.3.2 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q2

      從實(shí)驗(yàn)場地Q2獲得的數(shù)據(jù)與在Q1場地收集的數(shù)據(jù)一致,表明渠道干燥時電導(dǎo)率值增加。研究發(fā)現(xiàn),電導(dǎo)率值的增加不是由土壤含水量的變化引起的。

      分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果知,當(dāng)自由水面高度為36 cm時,土壤含水量的平均值為0.226 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.078 m3/m3);當(dāng)渠內(nèi)無水時,土壤含水量的平均值為0.259 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.089 m3/m3)。

      圖3顯示了與土壤含水量數(shù)據(jù)相關(guān)的電導(dǎo)率值,以驗(yàn)證在恒定含水量下是否存在電導(dǎo)率差異。事實(shí)上,以往研究結(jié)果表明[6],在含水量恒定的條件下,土壤中的水流會導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。

      圖3 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)Q2用TDR測量的土壤含水量與以5和20 kHz頻率測量的土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系

      在頻率為5 kHz時,兩次測量的電導(dǎo)率平均值分別為250和70 mS/m。確定在20 kHz頻率下兩次測量之間的平均電導(dǎo)率差異比較困難。在此頻率下,電導(dǎo)率差異最大可減小至20 mS/m,在某些情況下可以忽略不計(jì)。

      3.3.3 引黃灌區(qū)抽樣渠道Q3

      與從Q1和Q2實(shí)驗(yàn)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)相反,來自Q3實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并未顯示出干渠時電導(dǎo)率值的系統(tǒng)性增加。當(dāng)自由水面高度為57 cm時,土壤含水量的平均值為0.075 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.021 m3/m3);當(dāng)自由水面高度為22 cm時,土壤含水量的平均值為0.072 m3/m3(標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.011 m3/m3)。

      圖4表明,在兩個不同水位高度(22和57 cm)下測得的電導(dǎo)率值沒有明顯的差異。在以20 kHz頻率進(jìn)行的測量中,檢測到最小的電導(dǎo)率差異。這種電導(dǎo)率的變化是由于在測量過程中渠道的低水位之前的幾天里有降雨,這使土壤的水分含量略有增加。

      圖4 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)Q3用TDR測量的土壤含水量與以5和20 kHz頻率測量的土壤電導(dǎo)率之間的關(guān)系

      3.4 水位與電導(dǎo)率之間的關(guān)系

      圖5為平均電導(dǎo)率值與渠道內(nèi)水位的平均高度之間的關(guān)系。在Q1和Q2收集的數(shù)據(jù)表明,電導(dǎo)率的增加與水位高度的降低有關(guān)。根據(jù)Akbar[6]等研究表明,電導(dǎo)率降低表明水流流過渠道兩岸。通過使用聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)進(jìn)行的流量測量,可以確認(rèn)Q1和Q2渠道的水損失。在Q3現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)顯示出不同的現(xiàn)象:兩個非常不同的水頭測得的電導(dǎo)率沒有顯著差異。這表明Q3渠道段沒有明顯失水的假設(shè)成立。

      圖5 渠道內(nèi)水位與電導(dǎo)率的關(guān)系

      關(guān)于Q3渠道,從含水量和電導(dǎo)率之間的關(guān)系獲得的數(shù)據(jù)沒有顯示出含水量或電導(dǎo)率的變化。無水流損失假說也得到了與電導(dǎo)率測量同時進(jìn)行的調(diào)查的支持。

      4 結(jié) 論

      本文研究了電磁感應(yīng)系統(tǒng)(EM)的適用性,以確定存在的水損失的灌渠。為此,在菏澤市引黃灌區(qū)選擇了3條最常見的代表渠道,使用電磁設(shè)備收集的電導(dǎo)率值,與傳統(tǒng)技術(shù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,如流入-流出(聲學(xué)多普勒剖面儀和螺旋槳流量計(jì)),并結(jié)合土壤水分測量(TDR-時域反射儀)。對3條渠道中兩條(Q1和Q2)的流量測量表明存在滲流損失:在相同的兩條渠道中,可以確定電導(dǎo)率的降低與水頭的增加有關(guān)。在Q3中,沒有檢測到電導(dǎo)率的降低,與未顯示明顯滲漏損失的流量值一致。

      相對于傳統(tǒng)的流入-流出方法,用于檢測滲漏損失的EM系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:①可沿監(jiān)測區(qū)域定位泄漏地點(diǎn);②可延伸檢查泄漏區(qū)域;③可確定損失是發(fā)生在渠道的一側(cè)還是兩側(cè)。與積水試驗(yàn)法相比,使用EM也有優(yōu)勢,它可以在渠道的正常運(yùn)行條件下進(jìn)行測量。必須指出的是,在5 kHz進(jìn)行的測量更能區(qū)分滲透損失對電導(dǎo)率的影響。

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