干濕田面糙率差異對灌溉模擬效果影響

吳彩麗，許 迪，白美健，李益農(nóng)

（1.國家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048）

干濕田面糙率差異對灌溉模擬效果影響

吳彩麗1，2，許 迪1，2，白美健1，2，李益農(nóng)1，2

（1.國家節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048）

田面糙率是影響畦灌水流運動過程的關(guān)鍵參數(shù)，其值的合理確定對灌溉模擬效果影響顯著。本文基于田間實測數(shù)據(jù)，借助地面灌溉模擬模型，分析不同土質(zhì)、入畦流量和坡度條件下考慮與不考慮干濕田面糙率差異對灌溉模擬效果的影響。結(jié)果表明，考慮干濕差異的模擬效果略優(yōu)于不考率干濕差異的模擬效果，且通過敏感性分析得出，濕面糙率起決定性作用，干面糙率影響較小。該結(jié)果可為地面灌溉反饋控制系統(tǒng)中田面糙率系數(shù)的合理確定提供科學(xué)依據(jù)。

畦灌；干濕田面；糙率差異

1 研究背景

地面灌溉水流運動過程受土壤入滲能力和田面糙率影響顯著。關(guān)于土壤入滲參數(shù)的確定，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，且有相關(guān)研究成果可供參考［1-8］。但圍繞田面糙率系數(shù)的研究成果相對較少［9-13］，尤其是對于灌溉模擬模型中是否需要考慮干濕田面糙率差異，以及由此產(chǎn)生的在地面灌溉反饋控制系統(tǒng)中如何準(zhǔn)確獲得待控田塊的田面糙率系數(shù)問題缺乏可參考依據(jù)。A.J.Clemmens［14］通過溝灌試驗，針對灌溉過程中由于推進(jìn)水流經(jīng)過使土壤表面變光滑而導(dǎo)致糙率變化的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)果表明田面由干變濕后糙率將發(fā)生變化，且整個灌水過程中田面糙率系數(shù)具有時間變異性。

借助地面灌溉模型對灌溉水流運動過程進(jìn)行模擬時，灌溉水流推進(jìn)鋒經(jīng)過后，糙率的變化對求解畦灌水流運動方程造成的影響大小，會直接影響到灌溉水流推進(jìn)過程的模擬效果，尤其是會影響到灌水停止后，水流在慣性推進(jìn)下運動的距離。但針對不同灌溉條件，灌溉模擬中忽略干濕田面糙率差異對模擬結(jié)果的影響程度如何，沒有相關(guān)研究成果可查。本文將田間試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合，模擬分析不同灌溉條件下，是否考慮干濕田面糙率差異對灌溉水流運動過程模擬效果的影響程度，以期為地面灌溉反饋控制系統(tǒng)中，田面糙率系數(shù)的合理確定提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗與方法

2.1 干濕田面糙率地面灌溉水流運動過程中，以推進(jìn)鋒為界劃分干濕田面，推進(jìn)鋒之前水流未推進(jìn)到的區(qū)域為干面，之后水流已流經(jīng)的區(qū)域為濕面。地面灌水過程中，水流第一次流過田面時會軟化泥土及填充土壤孔隙，并在地表形成一光滑致密層，使得后續(xù)水流流過時田面阻力變?。?5-17］，即田面濕潤以后的平均糙率（濕面糙率）會小于濕潤之前的平均糙率（干面糙率）。

2.2 田間試驗田間灌溉資料選用大興基地、河北雄縣和山東惠民3個試驗區(qū)內(nèi)，土質(zhì)、坡度和入畦流量均不相同的3個典型田塊上的觀測值。大興、河北雄縣和山東惠民試驗區(qū)內(nèi)的土質(zhì)分別為砂壤土、粉壤土和黏壤土，典型田塊基本信息見表1。實測灌溉資料主要包括田面微地形，灌溉水流推進(jìn)、消退過程，入畦流量和灌水時間。

表1 典型試驗田塊灌溉基本資料

大興基地的灌溉試驗于2012—2013年冬小麥生長期內(nèi)，冬灌（11月22日）和春灌（4月8日）進(jìn)行。試驗選取入畦流量和關(guān)口距離兩個控制因素，入畦流量設(shè)置 0.012 m3/s和0.006 m3/s兩個水平，關(guān)口距離設(shè)置為50 m。旨在觀測不同入畦流量下，灌溉供水停止后的灌溉水流運動特性，分析灌溉模擬中考慮干濕田面糙率差異與否對關(guān)口后水流推進(jìn)距離模擬效果的影響。

河北雄縣和山東惠民的典型田塊灌溉資料來源于以往田間灌溉試驗觀測所得，試驗中關(guān)口時間為灌溉水流推進(jìn)到畦尾的時間，故關(guān)口距離為畦長。

2.3 灌溉模型及模擬效果評價指標(biāo)采用基于混合數(shù)值解法的一維全水動力學(xué)畦灌模型對畦灌水流運動過程進(jìn)行模擬［18-20］。模型輸入數(shù)據(jù)為：畦田規(guī)格、田面微地形、單寬流量、關(guān)口時間、Kostiakov入滲參數(shù)k和a（均采用實測數(shù)據(jù)）。模型輸出數(shù)據(jù)為：水流推進(jìn)、消退時間和田面各點入滲深度。

一維全水動力學(xué)模型方程：

式中：x為水平向坐標(biāo)，m；t為水流運動時間，s；h為地表水深，m；g為重力加速度，m/s2；U為沿x水平坐標(biāo)向的垂向均布流速，m/s；Q為沿x水平坐標(biāo)向的單寬流量，m3/（s·m）；ic為地表水入滲率，m/（s·m2）；b為畦面高程，m；n為曼寧糙率系數(shù)，m/s1/3。

以水流推進(jìn)時間的模擬值與田間實測值之間的平均相對誤差 AREadv（%）和平均絕對誤差 AAEadv（min）為評價指標(biāo)，對干濕田面糙率差異對地面灌溉水流推進(jìn)過程模擬效果的影響程度進(jìn)行評價［21］。計算公式：

3 結(jié)果與分析

3.1 干濕田面糙率差異對地面灌溉水流推進(jìn)過程模擬效果對任一典型試驗田塊，模擬獲得不同入畦流量下考慮與不考慮干濕田面糙率差異兩種情況下的灌溉水流推進(jìn)過程，通過與實測結(jié)果對比分析，討論考慮干濕田面糙率差異性與否對模擬結(jié)果產(chǎn)生的影響。

不考慮干濕田面糙率差異時，糙率系數(shù)取一均值。通過模型反求法獲得各典型試驗田塊最適宜的糙率均值為：大興 n1均=0.08；河北雄縣 n2均=0.1；山東惠民 n3均=0.14?？紤]干濕田面糙率差異時，干濕田面糙率分別取不同值。以大興地塊為例，試算得出當(dāng) n濕1=0.076，n干1=0.8時誤差最小，對應(yīng)的 AREadv1=4.38%，AAEadv1=0.12 min，均優(yōu)于均值 n1均=0.08時的誤差，AREadv1均=5.02%，AAEadv1均=0.15 min，部分試算結(jié)果見表2。同理對于河北雄縣，當(dāng)n濕2=0.095，n干2=0.8時誤差最?。粚τ谏綎|惠民，當(dāng) n濕3=0.133，n干3=0.8時誤差最小。圖1給出了3個典型田塊在考慮與不考慮干濕田面糙率差異性下模擬與實測所得水流推進(jìn)過程線。圖1和表2結(jié)果表明，灌溉模擬中考慮干濕田面糙率系數(shù)差異時水流推進(jìn)過程模擬精度略優(yōu)于糙率取均值下的精度，且考慮干濕變異性情況下，濕糙率取比平均值小5%的數(shù)值、干糙率取0.8的組合時水流推進(jìn)過程模擬值與實測值的誤差最小。

表2 大興（冬灌）不同干濕田面糙率取值下水流推進(jìn)過程模擬精度

圖1 干濕田面糙率差異下水流推進(jìn)過程模擬值與實測值

針對土質(zhì)不同的3個典型試驗田塊，盡管不同典型試驗田塊水流推進(jìn)過程模擬值與實測值間的誤差大小存在差異，但是否考慮干濕田塊糙率差異下模擬精度變化規(guī)律基本相似。

3.2 干濕田面糙率對灌溉模擬效果敏感性分析

3.2.1 濕面糙率對灌溉模擬效果敏感性分析 對于大興地塊，以誤差最小的組合n濕1=0.076，n干1=0.8為基準(zhǔn)點，保持干糙率不變，對濕糙率進(jìn)行敏感性分析［22］。取n濕1變化-20%、-15%、-10%、-5%、5%、10%、15%、20%時的值與n干=0.8分別組合，計算水流推進(jìn)模擬值和實測值的平均相對誤差與平均絕對誤差相對于基準(zhǔn)點誤差的變化值。同理，對于河北雄縣，以n濕2=0.095、n干2=0.8為基準(zhǔn)點；對于山東惠民，以n濕3=0.133、n干3=0.8為基準(zhǔn)點。

圖2 濕糙率敏感性分析

圖2給出了3個典型田塊的濕糙率敏感性分析結(jié)果。隨著濕面糙率變大，曲線的斜率（即平均相對誤差的變化率）變大。對于大興在干糙率取值不變的情況下，當(dāng)濕面糙率變化率（即?n濕/n濕）分別為5%、10%、15%和20%時，計算出的平均相對誤差的變化率為8%、32%、63%和94%，即濕面糙率變化率每變化5%，平均相對誤差變化率變化30%左右。對于河北雄縣和山東惠民的典型田塊，其變化規(guī)律與大興的地塊相似，但平均相對誤差變化率隨糙率變化率的變化幅度相對要小。這是由于計算平均相對誤差時河北雄縣和山東惠民典型田塊基準(zhǔn)點作為分母的水流推進(jìn)實測值較大。各典型田塊的濕面糙率敏感性曲線基本上均關(guān)于縱坐標(biāo)軸對稱，即濕面糙率變化率每增大或減小5%，平均相對誤差的變化程度相差不多。此外，平均絕對誤差變化趨勢與平均相對誤差大體一致。3.2.2 干糙率對灌溉模擬效果敏感性分析 對于大興地塊，以誤差最小的組合n濕1=0.076、n干1=0.8為基準(zhǔn)點，保持濕糙率不變，對干糙率進(jìn)行敏感性分析。取n濕=0.076與n干1變化-75%，-50%，-25%，25%，50%，75%時的值組合分別計算水流推進(jìn)模擬值與實測值的平均相對誤差與平均絕對誤差相對于基準(zhǔn)點誤差的變化值。同理，對于河北雄縣的地塊，取n濕2=0.095、n干1=0.8為基準(zhǔn)點，對于山東惠民的地塊，取n濕3=0.133、n干3=0.8為基準(zhǔn)點。

圖3給出了3個典型田塊的干糙率敏感性分析結(jié)果。相對于濕面糙率而言，改變干面糙率對模擬結(jié)果的影響程度小很多，且當(dāng)干面糙率取值大于0.8之后，對模擬結(jié)果基本上不再產(chǎn)生影響。小于0.8的情況，對于3個典型田塊，當(dāng)干面糙率變化率（即?n干/n干）每減小25%，平均相對誤差變化率均增大2.5%左右，水流推進(jìn)過程模擬效果對干面糙率變化基本不敏感。

圖3 干糙率敏感性分析

3.3 干濕田面糙率差異對關(guān)口后水流推進(jìn)距離模擬結(jié)果選取大興試驗區(qū)春灌的田間試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，模擬分析不同入畦流量和坡度下考慮干濕田面糙率差異對關(guān)口后水流推進(jìn)距離模擬結(jié)果的影響。大興試驗區(qū)實測地形數(shù)據(jù)坡度為0，運用幾何原理，獲得3個坡度水平（3‰、6‰和9‰）的地形數(shù)據(jù)，入畦單寬流量設(shè)置6 L/（s·m）和3 L/（s·m）兩個水平，以水流推進(jìn)到50 m時關(guān)口為灌溉控制條件，利用灌溉模型模擬不同坡度與入畦流量組合下的水流推進(jìn)情況。經(jīng)試算，考慮干濕差異性的糙率系數(shù)取n濕=0.114、n干=0.8較為合理，不考慮干濕差異性的糙率系數(shù)取n均=0.12較為合理。不同坡度、不同入畦流量時考慮與不考慮干濕差異情況推到50 m時關(guān)口的時間（min）與關(guān)口后推進(jìn)距離占畦長的百分比（%）見表3。

表3 不同坡度、入畦流量下考慮與不考慮干濕田面糙率差異的模擬結(jié)果對比

表3結(jié)果表明，不同灌溉條件下考慮與不考慮干濕田面糙率差異對水流推進(jìn)到特定距離時的關(guān)口時間模擬結(jié)果的影響較小，對關(guān)口后水流推進(jìn)距離的影響相對較大。相比而言，對于水平田塊（坡度為0），是否考慮干濕田塊糙率差異性對關(guān)口后水流推進(jìn)距離模擬結(jié)果影響較明顯，且小流量時更顯著；對于有坡度的田塊其影響相對較小。灌溉模擬評價時，對于有坡度的田塊，可以不考慮干濕田面糙率差異對模擬結(jié)果的影響，糙率可取一個均值。

綜合研究結(jié)果，分析其產(chǎn)生的原因，主要是由于干面糙率只是推進(jìn)鋒附近區(qū)域的糙率，實際灌溉中水流推進(jìn)速度較快，田面由干變濕的過程非常迅速，因此，在程序計算過程中大部分田面的糙率值都是取用的濕面糙率值。

4 結(jié)論

田間試驗與數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，地面灌溉模擬模型對灌溉水流運動過程的模擬精度主要取決于濕面糙率取值，干面糙率影響很小?？傮w而言，考慮干濕田面糙率差異的模擬效果略優(yōu)于不考率時的模擬效果，尤其是對于零坡度的田塊。但對于有坡度的田塊，灌溉模擬評價、設(shè)計和管理時可不考慮干濕田面糙率對模擬結(jié)果的影響，田面糙率系數(shù)可以取一個均值。

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Effects of roughness coefficient difference between dry and wet surface on the simulated results of irrigation modelling

WU Cai-li1，2，XU Di1，2，BAI Mei-jian1，2，LI Yi-nong1，2
（1.National Center of Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，Beijing 100048，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Surface roughness is a key parameter that affects water movement process in border irrigation，and rational determination of whose value has remarkable effect on irrigation simulation.Based on the ob?served data from typical field experiment and applied surface irrigation simulation model，this paper has an?alysed the effect on irrigation simulation under different soil texture，inflow，and slope conditions.The re?sults show that，the simulation effects with considering the difference would be slightly better than those without consideration of that，and through sensitivity analysis，it can also be concluded that wet roughness coefficient would play a decisive role.This study intends to provide scientific basis for the rational determi?nation of rouughness coefficient in surface irrigation feedback control system.

border irrigation；dry and wet surface；roughness coefficient difference

S152.4+5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.009

1672-3031（2014）03-0276-06

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2013-08-02

國家863計劃重點項目（2011AA100505）；國家自然科學(xué)基金項目（51279225）；水利部公益性行業(yè)科研專項（201201001）

吳彩麗（1982-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，博士，工程師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：wucaili@iwhr.com