河套灌區(qū)畦灌灌水方案比選與優(yōu)化

劉媛媛

（山東省臨沂市蘭山區(qū)水務(wù)局,山東 臨沂 276000）

1 引言

隨著水資源危機的不斷加重,農(nóng)業(yè)作為水資源消耗較大的組成部分,農(nóng)業(yè)節(jié)水的同時可以有效提高生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量,在平衡節(jié)約水資源與農(nóng)作物豐收的前提下,采用合理有效的節(jié)水措施逐漸被重視起來,如改善水資源空間分布、采用新型灌溉方式、采用新產(chǎn)品、新技術(shù)、新方法達到節(jié)水、保水的效果。史海濱等[1]針對灌區(qū)引水量逐年減少的問題,通過分析凍融條件下土壤水鹽運移、土壤水鹽時空分布特征、微咸水灌溉農(nóng)田-作物效應(yīng)研究、土壤水鹽運移規(guī)律、秋澆制度、鹽堿地改良與土壤結(jié)構(gòu)改善等,達到改善農(nóng)田用水結(jié)構(gòu)；張義強等[2]為了解決河套灌區(qū)水資源利用效率低的問題,研究了灌區(qū)的成本、水流流態(tài)、灌水效果等問題；付雯琪等[3]分析了河套灌區(qū)多年來的各水量平衡要素變化情況,并研究了農(nóng)作物結(jié)構(gòu)對水量平衡要素的影響；白美健[4]對畦灌關(guān)口時間在不同條件下（田面平整度、畦長、坡度、土質(zhì)）進行優(yōu)化；鄭和祥等[5]采用SIRMOD模型、田間實測以及SRFR模型的研究方法,分析了灌水效率和灌水均勻度的變化規(guī)律。本文以某地河套灌區(qū)為研究對象,通過對三種灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）作為評價指標(biāo),分析三種方案的最優(yōu)模型。

2 區(qū)域概況

雨量,年蒸發(fā)量為2300 mm,灌溉用水中泥沙含量較高,偏弱堿性,分布的土體主要含有砂土,該耕地用土的容重為1.585 kg/m3。

3 布置方案設(shè)計

根據(jù)相關(guān)的耕地情況調(diào)查,該區(qū)域內(nèi)的砂土灌溉面積大于2001 m2占總灌溉面積的58%,結(jié)合實際的工程狀況,本研究的砂土地塊選取該區(qū)域較為典型的80 m×25 m地塊作為研究對象。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況,設(shè)計了三種灌溉方案布置,見圖1,入畦流量是影響灌溉性能較為重要的影響因素,入畦流量值是由毛渠流量、灌水閘門規(guī)格決定的,根據(jù)統(tǒng)計資料表明,入畦流量值為10 L/s~30 L/s之間,表1 為設(shè)計的不同入畦流量值與不同灌溉方案灌溉參數(shù)的設(shè)計值。

表1 計算模型參數(shù)

圖1 灌溉方案布置圖

本研究以某地河套灌區(qū)為研究對象,該地處于干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),灌溉用水主要來源為黃河水資源,該地年平均降雨量為142.0 mm,而該地的水資源蒸發(fā)量遠大于降

在農(nóng)作物播種前,在畦長度方向上每間隔10m布置2~4個監(jiān)測點觀測水流推進與消退,同時在畦長度方向上布置5個土壤含水率監(jiān)測點,每間隔10 d、灌水、將與前后取樣,入畦流量通過水流流量計測得,相關(guān)參數(shù)估算采用Kostiakov估算所得。

3.1 灌水時間設(shè)計方案

該方案主要是在80 m×25 m畦田規(guī)格下,改變?nèi)肫枇髁恐担?0 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s）,單寬下的水流流量q為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的變化。

3.2 田塊劃分+灌水時間設(shè)計方案

該方案主要是在80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田規(guī)格下,小畦田的入畦流量值與原大畦田的入畦流量值相同,灌溉時間在兩塊田地進行均分,改變?nèi)肫枇髁恐担?0 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s,單寬下的水流流量q為：垂直分割（80 m×12.5 m）為0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間0.5TCO值（60 min、75 min、90 min、105 min、120 min、135 min、150 min）研究灌溉效果的變化。

3.3 田塊劃分+入畦流量設(shè)計方案

該方案主要是增加了一個進水口,分析80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田規(guī)格下,灌溉時間均為TCO,分析在改變?nèi)肫枇髁恐?.5Q（5 L/s、8 L/s、10 L/s、13 L/s、15 L/s,單寬下的水流流量q為：垂直分割（80 m×12.5 m）為0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的變化。

4 結(jié)果與分析

本研究對灌水效果的評價主要采用以下三個評價指標(biāo)：灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）,水流流動采用零慣星（WinSRFR）模型模擬。

4.1 常規(guī)灌水效果分析

圖2為80 m×25 m畦田常規(guī)灌水規(guī)格下,進行三次計算得到實測值與WinSRFR模型的模擬曲線對比圖,三次測算得到的結(jié)果均方根誤差值（RMSE）分別為：水流推進曲線8.10 min、13.88 min、7.72 min；水流消退曲線15.02 min、20.50 min、11.29 min,誤差值相較實測值誤差較小,在本研究中是可以接受的。

圖2 實測值與模擬曲線對比圖

表2為三次計算所得到的灌水效果的評價指標(biāo)與實測值的誤差對比,分析表中的數(shù)據(jù),3次測算結(jié)果的三種指標(biāo)（灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）誤差分別為：4.83%、4.99%、3.94%,誤差值較小,表明采用水流流動采用零慣星（WinSRFR）模型模擬較為可靠。結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H狀況,由于當(dāng)?shù)赝寥罏樯巴两Y(jié)構(gòu),滲透系數(shù)較大,灌溉用水水資源損失較多,3次灌溉水試驗的灌水效率（AE） 分別為61%、58%、51%；儲水效率（AD） 分別為0.83、0.80、0.75；灌水均勻度（DU）值分別為1.25、1.39、1.33,灌水效果均表現(xiàn)較差。

表2 灌水指標(biāo)實測值與模擬值對比

4.2 優(yōu)化方案灌水效果分析

4.2.1 灌水時間設(shè)計方案

在該方案中,當(dāng)單寬流量值較大時（即入畦流量值Q的變化區(qū)間為26 L/s~30 L/s、單寬下的水流流量q變化區(qū)間為1.04~1.16）,且灌水時間保持在較為合理的水平時（TCO值分別不大于210 min與150 min）,灌溉評價指標(biāo)中的灌水均勻度（DU）較大,均大于0.7,可以保證灌溉的水資源可以充滿整個試驗田塊的范圍,但儲水效率（AD）值均大于1.0,主要是由于滲透損失較大,進而導(dǎo)致灌水效率（AE）也偏低。當(dāng)單寬下的水流流量q=1.04 L/（m·s）、TCO=210 min以及q=1.20 L/（m·s）、TCO=150 min時,灌溉的效果最好,該模擬結(jié)果表明,當(dāng)砂土含量較多的田塊,只有當(dāng)單寬下的水流流量值較大時,灌溉效果才能保持較高水平,而當(dāng)單寬下的水流流量值較小時,改變其它參數(shù)對于提高灌溉效果的作用有限,無法使得灌溉指標(biāo)值得到最優(yōu)優(yōu)化。

4.2.2 田塊劃分+灌水時間設(shè)計方案

對于兩種不同的田塊劃分模式（80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田）,兩種田塊隨著不同的灌水時間、入畦流量值下具有相同的變化規(guī)律,且水平劃分模式（40 m×25 m）下的整體灌溉效果優(yōu)于垂直劃分模式（80 m×12.5 m）,分析其原因主要是由于畦田長寬比增大,導(dǎo)致水流覆蓋整個田塊面的均勻系數(shù)較小,且單寬下的水流流量q越大,均勻系數(shù)越大。

對于不同灌溉時間的影響規(guī)律,當(dāng)入畦流量較大時,灌水時間越長,水資源滲透損失量越大,當(dāng)灌水時間大于135 min時,AE值保持在50%以下,滲透損失量大于50%,但對于灌溉的灌水均勻度（DU）較大,灌溉均勻性較好；流量保持中等水平時,當(dāng)灌水時間大于120 min時,AE值保持在70%以下,滲透損失量大于30%,但對于灌溉的灌水均勻度（DU）較小,且當(dāng)灌水時間小于70 min時將無法保證水資源灌溉至整個田塊范圍；流量處于較低水平時,灌水時間越短,灌水效率越高,在該灌水量下,儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）均保持較低水平。

對于大流量和極大流量的灌溉水量下,當(dāng)灌溉時間為60 min時,灌溉農(nóng)田的灌溉效率最高；對于中等流量的灌溉水量下,當(dāng)灌溉時間為90 min時,灌溉農(nóng)田的灌溉效率最高；對于小流量和極小流量灌溉水量下,當(dāng)灌溉時間大于135 min時,灌溉農(nóng)田的灌溉效率才能滿足正常水資源需求。

4.2.3 田塊劃分+入畦流量設(shè)計方案

對于這兩種工況模擬下的灌溉效率結(jié)果隨著其他參數(shù)變化具有相同的變化趨勢,且不同田塊劃分（水平劃分模式（40 m×25 m）、垂直劃分模式（80 m×12.5 m））對于灌溉效率的影響較小,當(dāng)灌溉流量為極大流量時,灌溉時間為150 min,灌溉效率最高,灌水均勻度（DU）均大于0.8,可以有效提高水資源的利用效率。

4.3 方案優(yōu)化選擇

對于田塊劃分+灌水時間設(shè)計方案可以有效提高灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）三項指標(biāo),對于田塊的劃分,采用垂直劃分模式（80 m×12.5 m）更加符合當(dāng)?shù)氐乃鲃犹卣?且該種模式導(dǎo)致的灌溉用水滲透損失量也較小,對于水流流量,選用入畦流量值Q=20 L/s,單寬下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。

5 結(jié)論

本研究以某地河套灌區(qū)為研究對象,通過對三種灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）作為評價指標(biāo),分析出了最優(yōu)模型,田塊劃分+灌水時間設(shè)計方案可以有灌溉效果,對于田塊的劃分,采用垂直劃分模式（80 m×12.5 m）更加符合當(dāng)?shù)氐乃鲃犹卣?且該種模式導(dǎo)致的灌溉用水滲透損失量也較小,對于水流流量,選用入畦流量值Q=20 L/s,單寬下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。