多尺度溫瑞灌區(qū)毛灌溉用水量測(cè)算

(浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

我國(guó)是擁有14億人口的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)關(guān)乎著社會(huì)的和諧與發(fā)展，也是發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，而農(nóng)田作物需要經(jīng)常灌溉才能保證合理的生長(zhǎng)狀態(tài)。我國(guó)水資源占有量只有2100m3/人，是世界人均值的1/4，特別是西北地區(qū)干旱少雨，水資源嚴(yán)重缺乏。水資源短缺會(huì)影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展，而每年農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的一半，因此合理測(cè)算農(nóng)業(yè)灌溉用水量具有十分重要的意義。量水工作面廣量大，應(yīng)在灌區(qū)內(nèi)合理布置量水計(jì)量點(diǎn)，降低量水成本,減少水頭損失，研究出計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)算方法﹐用于指導(dǎo)灌區(qū)準(zhǔn)確計(jì)量水非常必要。

溫瑞灌區(qū)位于甌江南岸的溫瑞平原，北臨甌江、南至瑞安市飛云江，涉及溫州市鹿城區(qū)、龍灣區(qū)、甌海區(qū)以及瑞安市。溫瑞灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積31.700萬(wàn)畝，有效灌溉面積為15.071萬(wàn)畝，農(nóng)田實(shí)際灌溉面積為13.350萬(wàn)畝，屬于大型灌區(qū)。灌區(qū)分布在溫瑞平原，地勢(shì)平坦，河網(wǎng)密布，灌區(qū)內(nèi)建有多座小型提水泵站，每座小型泵站具有獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，渠首控制面積相對(duì)整個(gè)大型灌區(qū)來(lái)說(shuō)較小，屬于一個(gè)小微型灌區(qū)[1]，因此溫瑞灌區(qū)是由眾多小微型灌區(qū)組成的大型灌區(qū)。灌區(qū)類型為提水灌溉，配備有多座提水泵站。

溫瑞灌區(qū)骨干水源以河水為主，還存在很多零散水源，由于水源及取水口較多，灌區(qū)范圍大，毛灌溉用水總量量測(cè)統(tǒng)計(jì)工作難度較大，不宜直接開(kāi)展全灌區(qū)毛灌溉用水量的直接計(jì)量，而毛灌溉用水量是衡量農(nóng)田灌溉用水效率的重要參數(shù)指標(biāo)，因此，本文采用“以點(diǎn)帶面”推算法[2]獲取毛灌溉用水量，通過(guò)在灌區(qū)內(nèi)選取幾座小型泵站作為渠首計(jì)量點(diǎn)，實(shí)測(cè)該計(jì)量點(diǎn)的用水量獲取該微型灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量，然后用畝均毛灌溉用水量推算整個(gè)灌區(qū)的毛灌溉用水量。這種方法原理清晰易懂，可操作性較強(qiáng)，可用于測(cè)算多尺度灌區(qū)的毛灌溉用水量。

1 測(cè)算方法與過(guò)程

1.1 水源和渠首計(jì)量點(diǎn)的選擇

當(dāng)灌區(qū)水源眾多且灌溉范圍較大時(shí)，可將灌區(qū)按“水源類型”或者“區(qū)域”劃分成若干小片，形成較小的分析單元。通過(guò)測(cè)算某一類水源的典型數(shù)據(jù)，由該水源推算獲得其他同類水源的水量，或者測(cè)定一片區(qū)域的綜合水量，然后以此區(qū)域推算其他區(qū)域的水量。在灌區(qū)主要灌溉水源的渠首位置安裝量水設(shè)施，以獲得該水源的毛灌溉用水量。所選的渠首計(jì)量點(diǎn)需體現(xiàn)該灌區(qū)主要水源類型、灌溉方式、有控制性的工程措施等[3]。

溫瑞灌區(qū)水源較為復(fù)雜，灌區(qū)從飛云江等引水至灌區(qū)河道，灌區(qū)農(nóng)田再?gòu)暮拥劳ㄟ^(guò)小型泵站提水灌溉，河道用水戶包括工業(yè)、生活、環(huán)境、農(nóng)業(yè)用水，成分復(fù)雜，很難在河道內(nèi)通過(guò)計(jì)量確定灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量。為推算出灌區(qū)渠首毛灌溉水量，采用在灌區(qū)內(nèi)按照區(qū)域選擇幾處小型泵站安裝計(jì)量設(shè)施，觀測(cè)各區(qū)域毛灌溉水量，根據(jù)小型泵站控制的實(shí)灌面積計(jì)算畝均毛灌溉水量，進(jìn)而推算得到全灌區(qū)的毛灌溉用水量。

根據(jù)以上原則，溫瑞灌區(qū)因采用泵站提水灌溉，所以在灌區(qū)內(nèi)主干渠上選擇具有代表性的典型泵站作為渠首計(jì)量點(diǎn)量測(cè)毛灌溉用水量。本文結(jié)合溫瑞灌區(qū)所涉及范圍，選取4個(gè)渠首計(jì)量點(diǎn)，分別位于瑞安市塘下街道鮑四村渠首、甌海區(qū)郭溪鎮(zhèn)白埠塘渠首、龍灣區(qū)永興街道第十七農(nóng)場(chǎng)渠首和第九農(nóng)場(chǎng)渠首，選取的原因是這4個(gè)渠首泵站設(shè)備齊全，方便觀測(cè)，配有專門(mén)的觀測(cè)人員，并且渠首均安裝了超聲波流量計(jì)來(lái)計(jì)量毛灌溉用水量。

1.2 量水設(shè)施的選擇

灌區(qū)渠首量水方法有標(biāo)準(zhǔn)斷面量水、量水堰槽、以電折水、儀表量水等。除了儀表量水不需要率定外，其余量水設(shè)施一般需要進(jìn)行率定才能量水，因此選用儀表量水設(shè)施進(jìn)行測(cè)量。儀表量水設(shè)施中比較常見(jiàn)的是超聲波管道流量計(jì)，是用于測(cè)量管道中流體流量的量水設(shè)施[4]。超聲波管道流量計(jì)用于對(duì)管道中的液體進(jìn)行流速、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及采集，自動(dòng)計(jì)算、記錄流量及累計(jì)水量，并通過(guò)遠(yuǎn)傳設(shè)備，將觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至后臺(tái)系統(tǒng)。

溫瑞灌區(qū)有多座提水泵站用于取水灌溉，渠首適合采用超聲波管道流量計(jì)。該流量計(jì)由超聲波換能器、轉(zhuǎn)換器及流量水量顯示器組成[5]，讀數(shù)方便，可以安裝在管道外圍，避免了液體接觸，不用改動(dòng)管道，不受被測(cè)液體的各種參數(shù)干擾，量水精確度高。采用超聲波管道流量計(jì)量水不需要進(jìn)行率定，不用單獨(dú)編寫(xiě)量水設(shè)施率定報(bào)告，同渠道其他量水計(jì)量模式相比，節(jié)約人力物力[6]，因此在流量測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，特別適合于大、中管徑管道的液體流量測(cè)量。

1.3 測(cè)算方法和公式

本文采用“以點(diǎn)帶面”推算法對(duì)灌區(qū)進(jìn)行毛灌溉用水量測(cè)算，具體是在灌區(qū)內(nèi)選取n個(gè)泵站作為渠首計(jì)量點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定量水設(shè)施對(duì)灌溉期的毛灌溉用水量進(jìn)行“點(diǎn)測(cè)”，每個(gè)渠首計(jì)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)控制面積，計(jì)量點(diǎn)i的毛灌溉用水量實(shí)測(cè)值Wi除以渠首i的控制面積得到畝均用水量wi，再算出n個(gè)畝均用水量的算術(shù)平均值，得到整個(gè)灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量w，乘以灌區(qū)的實(shí)際灌溉面積A進(jìn)行“面推”，最終得到灌區(qū)的毛灌溉用水量W。具體計(jì)算公式為

(1)

式中：w為畝均毛灌溉用水量,m3/畝;wi為第i個(gè)渠首計(jì)量點(diǎn)的畝均用水量,m3/畝;Wi為渠首i的毛灌溉用水量實(shí)測(cè)值,m3;Ai為渠首i的控制面積,畝;n為渠首計(jì)量點(diǎn)個(gè)數(shù)。

W=wA

(2)

式中：W為樣點(diǎn)灌區(qū)的毛灌溉用水量,萬(wàn)m3;w為畝均毛灌溉用水量,m3/畝;A為樣點(diǎn)灌區(qū)的實(shí)際灌溉面積,萬(wàn)畝。

2 測(cè)算結(jié)果

根據(jù)式(1)計(jì)算畝均用水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。利用溫瑞灌區(qū)的畝均灌溉用水量，分別采用面積加權(quán)法和畝均毛灌溉用水量加權(quán)法計(jì)算溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量，見(jiàn)表2。由表2可知，算術(shù)平均法與采用面積加權(quán)法以及畝均毛灌溉用水量加權(quán)法計(jì)算溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量結(jié)果相近。據(jù)此可知，以算術(shù)平均值測(cè)算的溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量具有一定的代表性和可信度。根據(jù)式(2)用畝均毛灌溉用水量乘以實(shí)際灌溉面積得到溫瑞灌區(qū)的毛灌溉用水量為3357.6382萬(wàn)m3(見(jiàn)表3)。

對(duì)于多尺度的灌區(qū)，渠首計(jì)量點(diǎn)的選取最好涵蓋灌區(qū)所涉及的縣級(jí)行政區(qū)域75%及以上。溫瑞灌區(qū)涉及縣級(jí)行政區(qū)域有4個(gè)，本研究分別在瑞安市、甌海區(qū)和龍灣區(qū)選取了渠首計(jì)量點(diǎn)，保證了量測(cè)結(jié)果的可靠性和一定的精度。如果只選取兩個(gè)縣級(jí)行政區(qū)域——甌海區(qū)、龍灣區(qū)的3個(gè)渠首計(jì)量點(diǎn)，其畝均毛灌溉用水量的算術(shù)平均值為247.1865m3/畝，與4個(gè)渠首的畝均毛灌溉用水量251.5085m3/畝相比存在一定的誤差，相差4.3220m3/畝。

表1 溫瑞灌區(qū)4個(gè)渠首量水結(jié)果和畝均毛灌溉用水量計(jì)算結(jié)果

表2 溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量分別采用4個(gè)渠首的畝均毛水量加權(quán)和面積加權(quán)計(jì)算結(jié)果

表3 溫瑞灌區(qū)毛灌溉用水量計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在溫瑞灌區(qū)內(nèi)按照區(qū)域適當(dāng)位置選取渠首計(jì)量點(diǎn)并安裝量水設(shè)施對(duì)灌溉期的毛灌溉用水量進(jìn)行“點(diǎn)測(cè)”，運(yùn)用毛灌溉用水量實(shí)測(cè)值除以渠首控制面積得到該區(qū)域畝均毛灌溉用水量，按照算術(shù)平均法計(jì)算得到整個(gè)灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量，再乘以整個(gè)灌區(qū)的實(shí)際灌溉面積進(jìn)行“面推”，得到整個(gè)灌區(qū)的毛灌溉用水量。這種“以點(diǎn)帶面”推算法適合于測(cè)算多水源和涉及范圍廣的多尺度灌區(qū)毛灌溉用水量，基層技術(shù)管理人員易于接受和掌握，且具有一定的代表性和可信度，可為最嚴(yán)格水資源管理制度、水資源公報(bào)編制以及根據(jù)用水總量統(tǒng)計(jì)農(nóng)田灌溉用水量提供技術(shù)支撐。