灌區(qū)渠系水利用系數(shù)分布式模型計算

劉愛軍，王棟柱

（1.揚州市水利局，江蘇 揚州 225002；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

1 概述

灌溉水利用系數(shù)是評價灌溉節(jié)水水平的重要指標，也是灌區(qū)規(guī)劃設計、灌溉用水調度管理的主要參數(shù)。灌溉水利用系數(shù)是灌入田間可被作物利用的水量與干渠渠首引入的總水量的比值，或渠系水利用系數(shù)與田間水利用系數(shù)的乘積。灌溉水利用系數(shù)計算成果的準確性主要依賴于渠系水利用系數(shù)計算的準確性，渠系水利用系數(shù)也是末級固定渠道輸出流量（水量）之和與干渠渠首引入流量（水量）的比值。

如果有灌區(qū)實測總引水量與凈灌溉定額及灌溉面積等資料，首尾測算分析法可計算灌區(qū)該年度的灌溉水利用系數(shù)，目前只有少數(shù)灌區(qū)具備采用首尾測算分析法的條件。為了得到整個行政區(qū)（如地級市）的灌溉水利用系數(shù)，有些地方將行政區(qū)內灌區(qū)分為大、中、小3種規(guī)模，對于各種規(guī)模灌區(qū)選擇有實測資料的典型灌區(qū)計算灌溉水利用系數(shù)，然后將典型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)直接應用到同規(guī)模灌區(qū)。該方法操作簡單，但是成果可靠性存在一定問題，規(guī)模類似的灌區(qū)由于渠系結構、渠道特征不同，渠系水利用系數(shù)可能差別很大。影響渠系水利用系數(shù)的主要因素有渠系組成、渠道長度、斷面特性、渠道材質、襯砌狀況、流量、地下水埋深等，各個影響因素的變化都會影響灌區(qū)渠系水利用系數(shù)，僅分3種規(guī)模采用相應灌溉水利用系數(shù)存在誤差。本文構建考慮各種主要影響因素的渠系水利用系數(shù)計算分布式模型，根據(jù)各個灌區(qū)的田塊分布、渠系組成、渠道材質、襯砌狀況、渠道長度、斷面特性、流量組合、地下水埋深等實際資料，計算渠系水利用系數(shù)，該方法考慮到各灌區(qū)田塊與渠系分布的具體特征，計算結果相對可靠。

2 分布式模型

2.1 模型結構

一般而言，灌區(qū)渠系由干、支、斗、農4級渠道組成，由干渠分水給若干支渠，每個支渠分水給若干斗渠，每個斗渠分水給若干農渠，每個農渠分水給若干田塊。考慮到渠系水利用系數(shù)是整個灌區(qū)輸水、用水系統(tǒng)綜合作用的結果，灌區(qū)渠系水利用系數(shù)計算分布式模型以灌區(qū)田塊分布為基礎，根據(jù)田塊面積、田塊灌溉定額（灌溉凈定額除田間水利用系數(shù)）、灌溉時長計算各個田塊灌溉流量，統(tǒng)計得到整個灌區(qū)的凈灌溉流量。同時，根據(jù)農渠各個分水口位置、分水流量、渠段特性，分段逆推農渠渠首流量，根據(jù)斗渠上各農渠的渠首位置、分水流量、渠段特性，分段逆推斗渠渠首流量。以此類推，可以得到支渠及干渠的渠首流量［1-2］。

2.2 渠段首尾流量關系

渠系由渠道組成，渠道由各個渠段組成，渠段水利用系數(shù)計算式為

式中：η0為渠段水利用系數(shù)；α為灌區(qū)修正系數(shù)；ε0為襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)；ε′為土渠滲水損失系數(shù)；σ為渠段單位長度的水量損失率；L為渠道長度。

渠段單位長度的水量損失率與土壤透水性及輸水流量有關，土渠滲水損失系數(shù)與潛水埋深及輸水流量有關，襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)與防滲渠道長度有關，由此可進一步推求渠段首尾流量關系。

2.3 渠系水利用系數(shù)

渠系水利用系數(shù)計算式為

式中：η為灌區(qū)渠系水利用系數(shù)；Qt，i為某一田塊灌溉流量；n為灌區(qū)田塊數(shù)；Qg，0為通過模型計算得到的與所有田塊灌溉流量相應的干渠渠首流量。

2.3.1 田塊灌水流量

灌區(qū)的渠系水利用系數(shù)嚴格意義上來說并非常數(shù)，每一次灌溉的渠系水利用系數(shù)是不同的，與灌溉流量有關，為了區(qū)域對比，可以按行政區(qū)擬定統(tǒng)一的田塊灌溉定額與灌溉時段長，得到單位面積灌溉流量，然后根據(jù)田塊面積計算得到各個田塊的灌溉流量，要求所有田塊面積和等于灌區(qū)面積。

2.3.2 干渠渠首流量

根據(jù)模型，在渠段利用渠段首尾流量關系由段尾流量推求段首流量，渠段分界處利用水量平衡將分水口流量加入，逐步計算可以得到干渠渠首流量。

（1）根據(jù)農渠上各個用水田塊灌溉流量計算得到各個農渠渠首流量；

（2）根據(jù)斗渠上各個農渠渠首流量計算得到各個斗渠渠首流量；

（3）根據(jù)支渠上各個斗渠渠首流量計算得到各個支渠渠首流量；

（4）根據(jù)干渠上各個支渠渠首流量計算得到干渠渠首流量。

干、支、斗、農4級渠道渠首流量計算方法類似，此處僅介紹農渠渠首流量計算方法。

考慮各個分水口至所在渠道渠首的距離不同，水量損失也是不一樣的，農渠渠首流量計算從農渠最末一個分水口向農渠首計算流量。按照田塊分布與農渠上的分水口，將農渠分成段，如果有每一段長度資料就直接采用，如果沒有各段長度資料就按農渠長度與分水口數(shù)進行概化計算。

應用渠段首尾流量關系計算公式，可以根據(jù)渠段段尾流量計算得到渠段段首流量。考慮段首處有分水口，分水口處渠道的流量為分水流量與下一渠段段首流量之和，依此類推可以得到農渠渠首流量。按照上述方法再逐級計算，可以得到干渠渠首流量。

3 模型參數(shù)確定

3.1 模型參數(shù)確定方法

模型計算用到的土壤透水性參數(shù)可根據(jù)規(guī)范選用，土渠滲水損失系數(shù)與潛水埋深及輸水流量有關，根據(jù)規(guī)范選用，襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)根據(jù)防滲渠道長度用公式直接計算?？紤]到規(guī)范里推薦的土壤透水性參數(shù)、土渠滲水損失系數(shù)計算公式、襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)等與灌區(qū)實際情況有偏差，引進綜合反映經驗參數(shù)與灌區(qū)實況偏差的灌區(qū)修正系數(shù)，灌區(qū)修正系數(shù)可根據(jù)實測渠道水利用系數(shù)資料進行率定，不同級渠道灌區(qū)修正系不同［3-4］。

3.2 渠道水利用系數(shù)測定

為了率定模型參數(shù)需要測定典型灌區(qū)渠道水利用系數(shù)，選擇江都沿運灌區(qū)進行渠道水利用系數(shù)測定。江都沿運灌區(qū)位于揚州市江都區(qū)，設計灌溉面積1.344萬hm2，灌區(qū)形成了干、支、斗、農、毛的5級渠系布局框架。灌區(qū)現(xiàn)有干渠1條，長15 km；支渠5條，長42.8 km；斗渠350條，總長約為2 153 km。干渠的水通過昭關閘由大運河自流引入，干渠水利用系數(shù)測定期間，關閉所有直掛斗，待水位穩(wěn)定后，記錄昭關閘首及各支渠閘首的上、下游水位及閘門開啟高度，測算昭關閘與5條支渠閘首的流量，最終確定干渠水利用系數(shù)為0.905。

對所有支渠都要測定渠道水利用系數(shù)，保持各斗渠的開關狀態(tài)和開啟高度不變，保持斗渠水位穩(wěn)定，用ADCP流量計測出支渠首流量，同時測量各斗渠的上下游水位及開啟高度，查詢流量表得出各斗門的分水流量。根據(jù)灌區(qū)不同土質（黏土、壤土、砂土）各選取混凝土襯砌型斗渠2條，共6條斗渠測定渠道水利用系數(shù)，斗渠流量測量采用流速面積法，農渠分水口流量測量采用三角堰或梯形堰斗方法。

灌區(qū)農渠主要有混凝土襯砌渠道、土質渠道2類，各選3條典型農渠測定渠道水利用系數(shù)。測量方法與斗渠類似。流量測量采用流速面積法，各個分水口流量測量采用三角堰或梯形堰斗方法，最終確定各級渠道水利用系數(shù)如表1所示。

表1 渠道水利用系數(shù)測定結果

3.3 灌區(qū)修正系數(shù)率定

對于各級渠道，以模型計算渠道水利用系數(shù)與實測渠道水利用系數(shù)相對誤差最小為目標，函數(shù)率定各級渠道灌區(qū)修正系數(shù)。由于各級渠道只有1個參數(shù)需要率定，采用搜索算法可以得到最優(yōu)參數(shù)，最終確定各級渠道灌溉水利用系數(shù)計算公式的修正系數(shù)，結果見表2。

表2 修正系數(shù)率定結果

4 結論

分布式模型計算灌區(qū)渠系水利用系數(shù)具備一定的理論基礎，采用《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）推薦公式進行單個渠道水利用系數(shù)計算，充分利用以往灌溉水利用系數(shù)研究成果，針對渠系組成與灌溉農田的分布，推算各級渠道的渠道水利用系數(shù)，對于不同灌區(qū)不同級渠道的具體情況，采用修正系數(shù)反映具體特征，最終得到完整的各級渠道水利用系數(shù)公式。利用分布式模型可以計算不同灌區(qū)渠系水利用系數(shù)，可以反映各個灌區(qū)渠系組成、灌溉面積分布、渠道襯砌情況等，相對于只分大、中、小灌區(qū)得到的灌溉水利用系數(shù)精度更高。但該方法需要計算的數(shù)據(jù)比較多，需要灌區(qū)渠系水利用系數(shù)實測資料進行模型參數(shù)確定，要求調查灌區(qū)渠系基本情況與農田分布情況，隨著灌區(qū)信息化建設的不斷推進，所需基礎資料是可以得到保證的，故此方法具有一定的應用前景。