向家壩灌區(qū)北總干渠一期灌溉水增溫措施研究

李健威　莊春義　趙高磊　梁瑞峰

摘要：西南地區(qū)大多采用渠道從水庫引水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，水庫水溫分層使引于水庫的水溫低于天然水溫，低溫水會對農(nóng)作物的生長發(fā)育造成不利影響，因此需要采取措施提高灌溉水溫。以向家壩灌區(qū)北總干渠一期灌溉水溫為研究對象，對比分析了曬水池和疊梁門2種增溫方式的可行性。研究表明：向家壩灌區(qū)低溫水發(fā)生時(shí)間主要在4～6月，部分渠道最大降溫達(dá)3.10 ℃。曬水池增溫后各斗渠渠首水溫為16.70～17.50 ℃，與采取疊梁門措施增溫后16.60～17.50 ℃的水溫基本一致。曬水池與疊梁門分層取水的增溫效果基本相同，但曬水池建設(shè)總靜態(tài)投資為5 823.00萬元小于疊梁門改造工程靜態(tài)總投資的21 051.38萬元，曬水池方案更經(jīng)濟(jì)。同時(shí)利用灌區(qū)內(nèi)已建塘壩對渠道低溫水進(jìn)行曬水增溫，最大增溫幅度為1.47 ℃，可以大大緩解低溫水問題。

關(guān)鍵詞：灌溉水溫; 灌溉水增溫; 低溫水; 曬水池; 疊梁門; 向家壩灌區(qū)

中圖法分類號： S161.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.021

0引 言

灌溉水溫對土壤內(nèi)水分和養(yǎng)分的吸收、土壤內(nèi)礦物質(zhì)養(yǎng)分積累轉(zhuǎn)化起著關(guān)鍵作用。水溫高低直接影響植物的生長發(fā)育，在適宜的水溫下農(nóng)作物生長發(fā)育良好，過低或過高的水溫都會影響農(nóng)作物的正常生長和產(chǎn)量[1-3]。在土地和外界環(huán)境相同的條件下，分別用表層溫水灌田和冷水直接灌田進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明使用冷水對作物的危害較大[4]。三江平原農(nóng)作物需要的灌溉水溫為18 ℃左右，達(dá)不到水稻生長發(fā)育最適宜的水溫，會導(dǎo)致水稻生長發(fā)育緩慢、品質(zhì)降低和產(chǎn)量下降[5-6]。在中秋河水庫取不同水層的水溫對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，對不同的水溫灌溉農(nóng)田引起的影響進(jìn)行了分析評價(jià)，分析結(jié)果說明低溫水會降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[7]。

在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中，如何提高灌溉水溫成為研究的熱點(diǎn)。針對三江平原灌溉低溫水的問題，付強(qiáng)[8]對井灌水稻區(qū)渠道增溫效果進(jìn)行了研究并分析了其影響因素，提出了利用渠道提高井灌水稻區(qū)灌溉水溫的措施。程滿金等[9]對比分析了曬水池增溫水和未增溫水對水稻的生長發(fā)育影響，提出了利用曬水池可以有效提高灌溉水溫的措施，并取得了顯著的增溫和增產(chǎn)效果。劉德安等[10]探討了提高低溫區(qū)井灌水稻低溫水的措施，提出了利用曬水池和渠道增溫技術(shù)可以提高井灌水溫，在低溫區(qū)提高灌溉水溫中發(fā)揮了重要的作用。于江海等[11]提出了一種全新的灌溉增溫方式——蓄流灌并探討了蓄流灌水升溫原理，分析了這種灌概方式下水溫的變化特點(diǎn)及升溫速度等問題。在寒冷地區(qū)，較低的氣溫導(dǎo)致灌溉水溫和土壤溫度以及田間溫度也較低，影響水稻正常發(fā)育，閆海等[12]和張莉萍等[13]通過多次田間試驗(yàn)以及實(shí)踐分析，提出了曬水池增溫、寬淺式輸水渠道增溫和閘管輸水增溫等多項(xiàng)措施。

目前，關(guān)于灌溉增溫措施的研究多集中在寒帶地區(qū)并以研究曬水池和渠道增溫居多，鮮有對在灌溉取水口采用疊梁門為灌溉水增溫方式的研究，對曬水池和疊梁門增溫方式進(jìn)行對比分析的研究也較少。為此，本文以西南地區(qū)向家壩灌區(qū)北總干渠一期灌溉水溫為研究對象，對比曬水池和疊梁門的增溫方案，以期得到最有利的增溫措施。

1材料和方法

1.1研究區(qū)域

向家壩灌區(qū)位于四川省宜賓、瀘州、自貢以及云南省昭通4市境內(nèi)，灌區(qū)地理位置介于東經(jīng)104°20′～105°50′，北緯28°20′～29°30′。灌區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫17.4～18.2 ℃，多年平均相對濕度80%～84%，年平均日照時(shí)數(shù)1 053.0～1 939.8 h，年平均蒸發(fā)量885.7～1 286.5 mm，多年平均降水量為1 003.1～1 305.6 mm，多年平均風(fēng)速0.8～1.6 m/s。灌區(qū)降雨年內(nèi)分布不均，降水量多集中在5～9月，占全年雨量的73%～80%，其中7，8月水量特別集中，占全年雨量的30%～40%。

灌區(qū)開發(fā)任務(wù)以灌溉為主，兼顧城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水。以長江為界分為北總干渠和南總干渠，其中北總干渠分為一期和二期。北總干渠一期工程建設(shè)沱江以西部分，包括宜賓市屏山縣、翠屏區(qū)、南溪縣、江安縣，瀘州市江陽區(qū)和自貢市富順縣、沿灘區(qū)共59個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的自流灌溉區(qū)域，并向灌區(qū)外的自貢、內(nèi)江、隆昌等城市供水。

1.2灌區(qū)主要農(nóng)作物灌溉時(shí)間及水溫要求

灌區(qū)主要土地類型為水田，5個(gè)灌片的水田占比為63%～85%，水田主要種植農(nóng)作物是水稻，各灌片占比為96%～100%。從表1的觀測結(jié)果可以看出，灌區(qū)內(nèi)水稻的生長期在3～4月的灌溉水溫需要不低于15 ℃，5～6月份不低于16 ℃，6～7月份不低于18 ℃，7月份以后的灌溉水溫要不低于22 ℃。

1.3灌溉水溫分析

采用縱向一維水溫模型，根據(jù)向家壩庫區(qū)預(yù)測的灌溉引水高程處水溫，可得到灌區(qū)各支渠渠尾、斗渠渠首的灌溉水溫及與向家壩壩址處天然水溫的溫差，表 2為向家壩灌區(qū)部分斗渠的灌溉引水水溫，其中ΔT為渠首與天然水溫溫差。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，與壩址處天然水溫相比，北總干渠前段的真溪支渠、喜捷支渠和永興干支渠及其支渠的水溫在4～6月的水溫有較大程度的降幅，其中以4月份的降幅最大，降幅為2.10～3.10 ℃;5月份的降幅略小于4月，降幅為1.50～2.50 ℃。結(jié)合表 1灌區(qū)水稻用水時(shí)間分析，需要采取一定工程措施增加北總干渠水溫，使北總干渠渠首38 km以內(nèi)的喜捷支渠、真溪支渠和永興干支渠的低溫水得到有效提高，防范可能出現(xiàn)的冷害現(xiàn)象，確保當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水稻生產(chǎn)需求。

2增溫措施

2.1曬水池增溫效果分析

向家壩灌區(qū)地貌以丘陵和高臺地與丘陵相間的地貌為主，曬水池的建設(shè)會受到地形地貌的限制。根據(jù)灌區(qū)地形情況，曬水池考慮布置在支渠分水口渠首段;按照渠道灌溉增溫計(jì)算模型需要的尺寸同時(shí)考慮曬水池的增溫效果，曬水池水深不宜過深，曬水池均按1 m水深設(shè)計(jì)，各曬水池尺寸列于表3。

根據(jù)對北總干渠渠首38 km以內(nèi)的喜捷支渠、真溪支渠和永興分干渠及其支渠中渠道水溫的預(yù)測結(jié)果，計(jì)算得到各渠道曬水池的增溫效果見表3。預(yù)測結(jié)果顯示：曬水池在4月份的增溫效果為0.43～0.94 ℃;曬水池增溫后渠道水溫升溫到16.7～17.5 ℃，增溫后與向家壩取水口天然水溫差在-1.6～-2.6 ℃。曬水池5月的增溫幅度為0.48～1.06 ℃，增溫后渠道水溫增加為19.4～20.4 ℃，與取水口天然水溫差為-1.0～-2.0 ℃。從增溫效果來看，設(shè)置的曬水池具有一定程度的增溫效果，但是與取水口天然水溫相比，渠道水溫仍然有較大程度的降低。

2.2疊梁門取水增溫效果分析

向家壩水庫的水溫研究結(jié)果表明向家壩水庫為弱分層水溫結(jié)構(gòu)，而北總干渠的取水口位于向家壩水庫的死水位以下，因此采用疊梁門分層取水可以在一定程度上緩解向家壩灌區(qū)渠道低溫水的問題。在已建取水口上進(jìn)行局部拆除和改造新的分層取水門槽，在攔污柵后2.0～4.7 m之間拆除改造門槽，表層取水孔口尺寸高為9.95 m，寬為8.20 m。分層取水擋水門總高為13.05 m，設(shè)3節(jié)門。采用疊梁門情況下，4～6月最多可放置2層4.35 m疊梁門葉擋水。結(jié)合2015年向家壩庫區(qū)實(shí)測垂向水溫分析，2層4.35 m門葉擋水時(shí)，4～6月取水水溫可提高0.4，0.5，0.7 ℃，取水口水溫分別為16.4，19.1，20.8 ℃。

表4是預(yù)測得到的北總干渠一期部分渠道的水溫預(yù)測結(jié)果。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在取水口采用疊梁門措施之后，與壩址處的天然水溫相比，北總干渠前段38 km以內(nèi)的真溪支渠、喜捷支渠和永興干支渠及其支渠的水溫在4～6月的水溫仍然有較大程度的降幅，其中以4月份的降幅最大，各斗渠渠首水溫為16.6～17.5 ℃，降幅為1.60～2.70 ℃;5月各斗渠渠首水溫為19.4～20.3 ℃，與取水口天然水溫相比，降幅略小于4月，降幅為1.10～2.00 ℃。

2.3增溫措施對比分析

2.3.1增溫效果對比

在支渠分水口設(shè)置曬水池之后喜捷支渠、真溪支渠和永興分干渠的各斗渠渠首水溫為16.7～17.5 ℃，與疊梁門措施增溫后水溫16.6～17.5 ℃基本一致。5月的斗渠渠首水溫經(jīng)曬水池增溫后，水溫為19.4～20.4 ℃，與疊梁門措施增溫效果19.4～20.3 ℃也基本相同。因此，在北總干渠取水口采取疊梁門措施的增溫效果與采取曬水池曬水增溫的效果基本相同。

2.3.2增溫措施工程投資對比

疊梁門施工期水位從380 m降低至死水位370 m，時(shí)間為3～5月，向家壩電站電量損失3.663 3億kW·h;門槽改造施工完畢，水位從380 m降低至死水位370 m時(shí)間為10～11月，向家壩電站電量損失2.000 6億kW·h，一度電單價(jià)為0.339 8元，向家壩電站共計(jì)電量的經(jīng)濟(jì)損失19 246萬元，故向家壩灌區(qū)北總干渠取水口分層取水疊梁門改造工程的工程靜態(tài)總投資為21 051.38萬元。

根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，結(jié)合北總干渠一期工程的渠道設(shè)計(jì)及當(dāng)?shù)氐牡匦危偣苍谙蚣覊喂鄥^(qū)北總干渠一期前38 km以內(nèi)的11個(gè)支渠分水口設(shè)置16個(gè)曬水池，工程靜態(tài)投資為3 754.00萬元，征地及移民靜態(tài)投資1 673萬元，水土保持靜態(tài)投資397.00萬元，所有曬水池的建設(shè)靜態(tài)投資共5 823.00萬元。從工程投資角度分析，曬水池方案優(yōu)于疊梁門方案。

3討 論

向家壩灌區(qū)目前已經(jīng)建設(shè)有大量容積不等的塘壩設(shè)施，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年在北總干渠一期的翠屏片區(qū)以內(nèi)區(qū)域已建的農(nóng)田小水利塘壩2 161座，設(shè)計(jì)總?cè)萘? 303萬m3。在灌溉前將渠道水引入已建塘壩中進(jìn)行曬水增溫，可以進(jìn)一步增加灌溉水溫。結(jié)合宜賓地區(qū)的氣溫、太陽輻射、云量等氣象數(shù)據(jù)，對各渠道的灌溉低溫水通過各自灌溉區(qū)域內(nèi)塘壩之后的增溫效果進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算得到各渠道低溫水在經(jīng)過所對應(yīng)灌區(qū)中塘壩曬水增溫后的增溫效果（見表5）。

預(yù)測結(jié)果顯示，曬水池在4月份的增溫效果為0.25～1.20 ℃，其中宋家壩斗渠中的低溫水增溫僅為0.25 ℃，這是因?yàn)樵撉拦喔葏^(qū)域內(nèi)已建塘壩的數(shù)量和總?cè)莘e均較小，因此對灌溉低溫水的增溫效果不明顯，其他渠道的增溫效果為0.56～1.20 ℃。5月份的增溫幅度分別為0.31～1.47 ℃，與4月份相似，宋家壩斗渠水溫幅度為0.31 ℃，其他渠道的低溫水增溫效果更加明顯，增溫幅度分別為0.69～1.47 ℃。經(jīng)過已建塘壩曬水增溫后，4月和5月的灌溉水水溫分別達(dá)到17.6～18.3 ℃和20.6～21.4 ℃。渠道灌溉水水溫與向家壩取水口天然水溫相比，在4月和5月的溫差分別為-0.8～-1.7 ℃和0.0～-0.8 ℃。預(yù)測結(jié)果表明，經(jīng)過已建塘壩增溫之后，渠道灌溉水溫可以得到有效的增溫，增溫后的渠道水溫已經(jīng)完全滿足水稻種植所需水溫要求（見表1）。

4結(jié) 論

（1） 向家壩北總干渠一期低溫水發(fā)生的時(shí)間主要在4，5月和6月，部分渠道最大降溫達(dá)3.1 ℃，需要采取措施提高灌溉水溫。

（2） 曬水池優(yōu)于疊梁門。在北總干渠內(nèi)的各斗渠渠首設(shè)置曬水池的增溫效果與利用疊梁門進(jìn)行分層取水的增溫效果基本相同，但是曬水池建設(shè)總靜態(tài)投資小于北總干渠取水口分層取水疊梁門改造工程靜態(tài)總投資。

（3） 塘壩最大增溫幅度為1.47 ℃，利用灌區(qū)內(nèi)已建塘壩對渠道低溫水進(jìn)行曬水的增溫措施可以緩解低溫灌溉水問題。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：In the southwest China，most of the water is transferred from the reservoir through canals for agricultural irrigation.The water temperature in reservoirs is stratified，making the water temperature in the reservoir lower than the natural water temperature.Low temperature water will have adverse effects on the growth and development of crops，so measures should be taken to improve the irrigation water temperature.The water temperature in the first phase of the main canal of Xiangjiaba irrigation area was studied，the feasibility of two measures，sunning water pool and stoplog gate，were also analyzed.It is shown that the time of low temperature water in Xiangjiaba irrigation area is mainly from April to June，and the maximum temperature drop is 3.10 ℃.The water temperature at the head of the lateral canal is 16.70 ～ 17.50 ℃ after heated in the sunning water pool，which is basically consistent with the temperature of 16.6～17.5 ℃ through stoplog gate.The heating effect of sunning water pool is basically the same as the stoplog gate，but the total static investment of sunning water pool is 58.23 million CNY and that of stoplog gate is 210.513 38 million CNY，so the sunning water pool is more economic.The established Tangba in the irrigated area was used to increase the temperature of the channel′s low-temperature water with the maximum increase of 1.47 ℃，which could greatly alleviate the problem of low-temperature water.

Key words：irrigation water temperature;irrigation water temperature increase;low temperature water;sunning water pool;stoplog gate;Xiangjiaba irrigation area