基于EM的灌溉渠道是否存在滲漏損失的驗(yàn)證分析

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。