劉愛(ài)軍，王棟柱

（1.揚(yáng)州市水利局，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 概述

灌溉水利用系數(shù)是評(píng)價(jià)灌溉節(jié)水水平的重要指標(biāo)，也是灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、灌溉用水調(diào)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(jì)算成果的準(zhǔn)確性主要依賴(lài)于渠系水利用系數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，渠系水利用系數(shù)也是末級(jí)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(shí)測(cè)總引水量與凈灌溉定額及灌溉面積等資料，首尾測(cè)算分析法可計(jì)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(cè)算分析法的條件。為了得到整個(gè)行政區(qū)（如地級(jí)市）的灌溉水利用系數(shù)，有些地方將行政區(qū)內(nèi)灌區(qū)分為大、中、小3種規(guī)模，對(duì)于各種規(guī)模灌區(qū)選擇有實(shí)測(cè)資料的典型灌區(qū)計(jì)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(yīng)用到同規(guī)模灌區(qū)。該方法操作簡(jiǎn)單，但是成果可靠性存在一定問(wèn)題，規(guī)模類(lèi)似的灌區(qū)由于渠系結(jié)構(gòu)、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(zhǎng)度、斷面特性、渠道材質(zhì)、襯砌狀況、流量、地下水埋深等，各個(gè)影響因素的變化都會(huì)影響灌區(qū)渠系水利用系數(shù)，僅分3種規(guī)模采用相應(yīng)灌溉水利用系數(shù)存在誤差。本文構(gòu)建考慮各種主要影響因素的渠系水利用系數(shù)計(jì)算分布式模型，根據(jù)各個(gè)灌區(qū)的田塊分布、渠系組成、渠道材質(zhì)、襯砌狀況、渠道長(zhǎng)度、斷面特性、流量組合、地下水埋深等實(shí)際資料，計(jì)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(jì)算結(jié)果相對(duì)可靠。

2 分布式模型

2.1 模型結(jié)構(gòu)

一般而言，灌區(qū)渠系由干、支、斗、農(nóng)4級(jí)渠道組成，由干渠分水給若干支渠，每個(gè)支渠分水給若干斗渠，每個(gè)斗渠分水給若干農(nóng)渠，每個(gè)農(nóng)渠分水給若干田塊。考慮到渠系水利用系數(shù)是整個(gè)灌區(qū)輸水、用水系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，灌區(qū)渠系水利用系數(shù)計(jì)算分布式模型以灌區(qū)田塊分布為基礎(chǔ)，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(shí)長(zhǎng)計(jì)算各個(gè)田塊灌溉流量，統(tǒng)計(jì)得到整個(gè)灌區(qū)的凈灌溉流量。同時(shí)，根據(jù)農(nóng)渠各個(gè)分水口位置、分水流量、渠段特性，分段逆推農(nóng)渠渠首流量，根據(jù)斗渠上各農(nóng)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(lèi)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(guān)系

渠系由渠道組成，渠道由各個(gè)渠段組成，渠段水利用系數(shù)計(jì)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(zhǎng)度的水量損失率；L為渠道長(zhǎng)度。

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

2.3 渠系水利用系數(shù)

渠系水利用系數(shù)計(jì)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(guò)模型計(jì)算得到的與所有田塊灌溉流量相應(yīng)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(yán)格意義上來(lái)說(shuō)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(guān)，為了區(qū)域?qū)Ρ?，可以按行政區(qū)擬定統(tǒng)一的田塊灌溉定額與灌溉時(shí)段長(zhǎng)，得到單位面積灌溉流量，然后根據(jù)田塊面積計(jì)算得到各個(gè)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(guān)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(jì)算可以得到干渠渠首流量。

（1）根據(jù)農(nóng)渠上各個(gè)用水田塊灌溉流量計(jì)算得到各個(gè)農(nóng)渠渠首流量；

（2）根據(jù)斗渠上各個(gè)農(nóng)渠渠首流量計(jì)算得到各個(gè)斗渠渠首流量；

（3）根據(jù)支渠上各個(gè)斗渠渠首流量計(jì)算得到各個(gè)支渠渠首流量；

（4）根據(jù)干渠上各個(gè)支渠渠首流量計(jì)算得到干渠渠首流量。

干、支、斗、農(nóng)4級(jí)渠道渠首流量計(jì)算方法類(lèi)似，此處僅介紹農(nóng)渠渠首流量計(jì)算方法。

考慮各個(gè)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(nóng)渠渠首流量計(jì)算從農(nóng)渠最末一個(gè)分水口向農(nóng)渠首計(jì)算流量。按照田塊分布與農(nóng)渠上的分水口，將農(nóng)渠分成段，如果有每一段長(zhǎng)度資料就直接采用，如果沒(méi)有各段長(zhǎng)度資料就按農(nóng)渠長(zhǎng)度與分水口數(shù)進(jìn)行概化計(jì)算。

應(yīng)用渠段首尾流量關(guān)系計(jì)算公式，可以根據(jù)渠段段尾流量計(jì)算得到渠段段首流量?？紤]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(lèi)推可以得到農(nóng)渠渠首流量。按照上述方法再逐級(jí)計(jì)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(jì)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(guān)，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(zhǎng)度用公式直接計(jì)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(jì)算公式、襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)等與灌區(qū)實(shí)際情況有偏差，引進(jìn)綜合反映經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與灌區(qū)實(shí)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(shí)測(cè)渠道水利用系數(shù)資料進(jìn)行率定，不同級(jí)渠道灌區(qū)修正系不同［3-4］。

3.2 渠道水利用系數(shù)測(cè)定

為了率定模型參數(shù)需要測(cè)定典型灌區(qū)渠道水利用系數(shù)，選擇江都沿運(yùn)灌區(qū)進(jìn)行渠道水利用系數(shù)測(cè)定。江都沿運(yùn)灌區(qū)位于揚(yáng)州市江都區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積1.344萬(wàn)hm2，灌區(qū)形成了干、支、斗、農(nóng)、毛的5級(jí)渠系布局框架。灌區(qū)現(xiàn)有干渠1條，長(zhǎng)15 km；支渠5條，長(zhǎng)42.8 km；斗渠350條，總長(zhǎng)約為2 153 km。干渠的水通過(guò)昭關(guān)閘由大運(yùn)河自流引入，干渠水利用系數(shù)測(cè)定期間，關(guān)閉所有直掛斗，待水位穩(wěn)定后，記錄昭關(guān)閘首及各支渠閘首的上、下游水位及閘門(mén)開(kāi)啟高度，測(cè)算昭關(guān)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(duì)所有支渠都要測(cè)定渠道水利用系數(shù)，保持各斗渠的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和開(kāi)啟高度不變，保持斗渠水位穩(wěn)定，用ADCP流量計(jì)測(cè)出支渠首流量，同時(shí)測(cè)量各斗渠的上下游水位及開(kāi)啟高度，查詢(xún)流量表得出各斗門(mén)的分水流量。根據(jù)灌區(qū)不同土質(zhì)（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(cè)定渠道水利用系數(shù)，斗渠流量測(cè)量采用流速面積法，農(nóng)渠分水口流量測(cè)量采用三角堰或梯形堰斗方法。

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

表1 渠道水利用系數(shù)測(cè)定結(jié)果

3.3 灌區(qū)修正系數(shù)率定

對(duì)于各級(jí)渠道，以模型計(jì)算渠道水利用系數(shù)與實(shí)測(cè)渠道水利用系數(shù)相對(duì)誤差最小為目標(biāo)，函數(shù)率定各級(jí)渠道灌區(qū)修正系數(shù)。由于各級(jí)渠道只有1個(gè)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(jí)渠道灌溉水利用系數(shù)計(jì)算公式的修正系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 修正系數(shù)率定結(jié)果

4 結(jié)論

分布式模型計(jì)算灌區(qū)渠系水利用系數(shù)具備一定的理論基礎(chǔ)，采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288—2018）推薦公式進(jìn)行單個(gè)渠道水利用系數(shù)計(jì)算，充分利用以往灌溉水利用系數(shù)研究成果，針對(duì)渠系組成與灌溉農(nóng)田的分布，推算各級(jí)渠道的渠道水利用系數(shù)，對(duì)于不同灌區(qū)不同級(jí)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(jí)渠道水利用系數(shù)公式。利用分布式模型可以計(jì)算不同灌區(qū)渠系水利用系數(shù)，可以反映各個(gè)灌區(qū)渠系組成、灌溉面積分布、渠道襯砌情況等，相對(duì)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(jì)算的數(shù)據(jù)比較多，需要灌區(qū)渠系水利用系數(shù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)確定，要求調(diào)查灌區(qū)渠系基本情況與農(nóng)田分布情況，隨著灌區(qū)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，所需基礎(chǔ)資料是可以得到保證的，故此方法具有一定的應(yīng)用前景。