庫容法在灌區量水中的應用

劉德斌，張 健，鄒玉田，劉 娟，何俊生

(1.江蘇省沿海水利科學研究所，江蘇 東臺 224200；2.東臺市水務規劃辦公室，江蘇 東臺 224200； 3.東臺市土地發展中心，江蘇 東臺 224200)

0 引 言

灌區量水是合理調度農業灌溉水源、執行用水計劃、加強用水管理的必要前提，也是農業水費按方收費的需要，更是灌區實現灌溉自動化的基礎和依據[1]。針對灌區量水技術的研究，國內已有大量學者做了相關工作，目前多集中在量水技術的理論研究[2,3]和量水設備的開發研制方面：劉煥芳[4]等人進行了灌區梯形量水堰改進研究，提出改進后的量水堰測流方法及計算精度可以滿足要求；洪成[5]等人進行了U形渠道機翼形量水槽試驗，提出機翼形量水槽具有測流精度高且投資小的特點，在灌區量水中具有較好的推廣價值；王瑩瑩[6]等人進行了小型渠道梯形薄壁側堰的水力特性試驗，提出梯形薄壁側堰在灌區末級渠道量水中具有較好的量測精度和推廣應用價值；潘志寶[7]等人進行了閘墩式量水槽試驗研究，提出在增加量水槽長度的情況下，閘墩式量水槽具有較好的量水效果；肖苡辀[8]等人進行了平底短喉道量水槽試驗，指出田間便攜式平底短喉道量水槽具有良好的測流精度。以上研究表明，采用適宜的量水槽、薄壁堰等特設渠道量水設施在灌區量水中可獲得較好的量測精度。但在實際應用中，這類量水槽(堰)設施的應用會人為地縮小渠道過水斷面，抬高壅水高度，增加水頭損失，影響輸水效率，且在量水槽(堰)前后易形成泥沙沉淀，影響水體流態，降低量測精度[9]。近年來，超聲波流量計[10]、電磁流量計[11]、即插式長喉道量水計[12]等量測儀器得到應用，這類設備具有操作方便、維護簡單、測流精確度高等優點，可較好地解決量水槽、薄壁堰等量水設施使用中的不足。但受項目資金、泵站類型、出水口管材尺寸等因素限制，短期內進行大面積推廣應用受到一定制約，這在已建項目區尤其是老舊灌區中表現得尤為明顯。

本文提出庫容法作為一種灌區量水技術，以U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠作為代表，比較庫容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計法間的量水差異。通過小區結合大田的試驗方法，驗證庫容法所測結果的合理性及可靠性，為灌區量水尤其是目前尚不具備建設固定式量水設施的灌區快速準確地量水提供一條新的思路。

1 庫容法測流原理

庫容法測流原理是利用已建泵站配套的輸水渠道、出水池等固定設施在出水口封閉情況下其庫容相對穩定的特征，通過記錄泵站取水蓄滿固定庫容的輸水渠道、出水池所需時長，推算泵站此次取水的實際流量，并以此為基礎，計算灌區總灌溉取水量。考慮到配套的固定設施內底部不平整，易出現泥沙、積水、雜草等雜物會對測算精度產生影響，實際量測時通常是在待測渠道、出水池中預先設置一適宜深度的初始水位，以消除這部分不利因素影響。如圖1所示，在蓄水渠道或出水池壁上自下而上適宜位置分別標注a、b兩點，a點以下部分為初始庫容，而a、b兩點間庫容(陰影部分)即為參與計算的蓄水庫容。

圖1 蓄水渠道庫容法測流原理示意圖

庫容法量測的泵站取水流量為：

(1)

式中：qi為第i次灌溉時，庫容法測算的泵站取水流量，m3/s；q0為試驗開始前，借助于智能流速儀實測的泵站取水流量，m3/s；t0為試驗開始前，借助于秒表實測的a、b兩點間蓄水時長，s；ti為第i次灌溉時，實測渠道蓄滿a、b兩點間的蓄積時長,s；q0×t0為封閉渠道參與計算的蓄水體積，m3。

由此可知，庫容法所測灌區總灌溉取水量計算公式如下：

(2)

式中：Q為灌區總灌溉取水量，m3；n為灌區灌溉次數，次；Ti為第i次灌溉灌區單次提水灌溉時長，s；qi、q0、t0、ti的含義及單位同上。

庫容法量測灌區取水量，其關鍵在試驗前期對a、b兩點間蓄積庫容q0×t0的精確測量，而日常灌溉中僅需要觀測蓄水水面依次淹沒a、b兩點間的蓄水時長ti和單次灌溉的時長Ti，與梯形薄壁堰法和電磁流量計法相比，日常測算的技術要求低，并可節約大量現場量測時間，測算成本得到降低，測算效率較梯形薄壁堰法和電磁流量計法高。為保證庫容法量測灌區取水量的精度，日常量測中可采用梯形薄壁堰法或電磁流量計法不定期地對其量測結果加以檢驗。

2 材料與方法

2.1 試區概況

試驗區選址于江蘇省東臺市東里村農業示范園，園區中心坐標：東經120°12′48.72″，北緯32°53′14.77″，土壤為重壤土。多年平均氣溫14.5 ℃，降水量為1 065.2 mm，無霜期220 d。2017年進行水稻灌溉試驗，參試品種“南粳9 108”。試驗區水稻采用旱直播方式、淺濕灌溉技術種植，播種面積84.73 hm2，生育期長127～132 d，播種密度180 萬株/hm2。區內建有固定式電動提水泵站4座，分別為東里新站、東里東站、東里西站和曙光站，對應輸水渠道分別為U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠。

2.2 試驗設計

根據庫容法測流原理，將待測泵站對應輸水渠道兩側出水口及末端閘門均予以關閉，使之形成一封閉蓄水區域。試驗開始前，在渠道中段選擇一流態穩定處的渠道內壁上適宜位置處自下而上依次標記a、b兩點，對蓄水水面依次淹沒a、b兩點的蓄積時間ta、tb進行記錄，并借助于便攜式智能流速儀、鋼尺等測量工具，測量泵站實際取水流量，進而計算出a、b兩點間的蓄水庫容ΔQ0,試驗區配套渠道設計及蓄水控制參數見表1。

為驗證庫容法所測結果的可靠性，試驗中同時采用梯形薄壁堰法和電磁流量計法分別對四座泵站的運行流量進行實測，比較渠道類型對庫容法量測灌區取水量精度的影響。分別在四座泵站出水槽內選擇適宜位置安裝可移動式梯形薄壁堰測流裝置，薄壁堰上底90 cm，下底75 cm，堰口側邊比(橫豎比)1：4，在四座電動泵站出水口一側管道上適宜位置處，分別安裝一套插入式電磁流量計(型號：YK-LDC-L)用以測量泵站取水流量。

試驗主要觀測指標及方法如下：

(1)標記蓄水位置a、b：借助于水準儀(型號:蘇光DSZ2+FS1)在蓄水渠內壁上適宜位置標注相應標線，具體見表1中蓄水深度ha、hb。

(2)試驗前蓄水時長t0、歷次灌溉的蓄水時長ti及灌區灌溉時長Ti:試驗前采用秒表(精度0.1 s)記錄泵站自零點時刻(泵站出水)起至蓄水水面依次淹沒至標記a、b兩點的時間ta、tb，則兩點間的蓄水時長為：t0=tb-ta；同法可得ti、Ti。

(3)蓄水庫容ΔQ0：對于封閉狀態下蓄水體積為不規則幾何體的渠道，蓄水庫容ΔQ0采用直接量測法測得。參考《灌溉渠道系統量水規范》(GB/T 21303-2017)，選擇泵站出水口一側渠道內適宜位置處的斷面，利用便攜式智能流速儀(型號：LGY-II型)進行斷面流量測定。量測時的測深垂線間距設置為0.25 m，垂線流速測點采用“三點法”進行，結合測流處過水斷面積可計算得出斷面流量。流速儀測定的時間檔設置為較長的99 s，3次重復，過水斷面積采用鋼尺(精度0.01 m)測算得出。為減少梯形土渠在蓄水過程中因土壤吸濕和下滲對蓄水庫容測量值ΔQ0的影響，可在量測前預先將渠道內注滿水，待濕周土壤飽和后排空渠道內余水再進行量測。

3 結果與分析

3.1 庫容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計法量水比較

試驗期間小區共進行了15次提水灌溉，結束時將庫容法所測灌區取水流量與其他兩種方法的測算結果進行對比，如圖2。

圖2 三種量測方法實測灌區渠首取水流量

從圖2可知，U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠和梯形土渠在三種測算方法下所測得取水流量分別為0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，且3種方法下的四類輸水渠道的渠首取水流量均一致表現為：U形防滲渠>梯形防滲渠>矩形防滲渠>梯形土渠，分析原因是由于灌區取水流量主要是由各自配套泵站的取水能力所決定。

將圖2中庫容法、梯形薄壁堰法、電磁流量計法三種量測技術下對應的四類渠道渠首取水流量進行整理，采用SPSS 22.0進行Duncan測驗，結果見表2。

表2 試驗區渠首取水流量的Duncan檢測

從表2可知，試驗區渠首取水流量的量測結果與渠道類型間均存在5%的顯著差異和1%的極顯著差異，而與三種流量量測方法間無5%的顯著性差異和1%的極顯著差異。由此可知，采用庫容法量測的灌區渠首取水流量，其結果與梯形薄壁堰法和電磁流量計法的測算結果間表現出良好的一致性，可以作為灌區取水流量的一種量測方法加以應用。

為進一步分析渠道類型對庫容法量測灌區取水流量測算精度產生的影響，試驗結束分別將歷次灌溉時庫容法與其他兩種測算方法間的相對偏差進行整理，如圖3所示。圖3(a)中梯形土渠相對偏差-7.25%～-3.70%，矩形防滲渠的相對偏差為-1.68%～2.04%，而U形防滲渠和梯形防滲渠的相對偏差分別為-4.86%～-1.26%、-5.97%～-2.18%；圖3(b)中梯形土渠相對偏差-8.79%～-2.84%，矩形防滲渠的相對偏差為-3.36%～2.27%，而U形防滲渠和梯形防滲渠的相對偏差分別為-4.58%～-0.79%、-4.62%～-0.35%。由此可知，庫容法測得的四類輸水渠道流量與梯形薄壁堰法和電磁流量計法相比，其相對偏差一致表現為：梯形土渠偏差最為顯著，矩形防滲渠的偏差最小，而U形防滲渠與梯形防滲渠的相對偏差處于兩者之間，即采用庫容法測算的四類輸水渠道渠首取水流量，梯形土渠的測算結果差異最大，矩形防滲防滲渠的測算結果最為準確，U形防滲渠和梯形防滲渠的結果介于兩者之間。

圖3 庫容法量測灌區取水與其他兩種方法間相對誤差

3.2 渠道類型對庫容法量測灌區取水量結果影響

試驗結束按輸水渠道類型差異，將三種量測方法下灌區歷次取水量及相對偏差分別進行統計，如圖4所示。從圖4可知，水稻生育期內，同一灌區中除個別灌溉次數(第9次灌溉，拔節孕穗期)外，其余單次灌溉水量都相對一致。這是由于第9次灌溉處于水稻的拔節-孕穗期，是水稻生育期內的需水高峰，為保證水稻正常生長，單次灌溉的水量較往常明顯偏多；而其余次數灌溉水量相對一致，是因為本次試驗水稻采用的淺濕灌溉技術以提高農業用水的有效利用率，灌溉時采用“少量多次”的原則，設計的單次灌溉水層在相對一致的情況下，同一灌區單次灌區取水量也相對穩定。

圖4 不同類型渠道灌區取水量實測值及偏差系數

從圖4還可知，采用庫容法量測的灌區取水量與梯形薄壁堰法和電磁流量計法間的相對偏差，梯形土渠[圖4(d)]差異最大，處于-7.25%～-2.84%之間；矩形防滲渠(圖4b)差異最小，處于-3.36%～2.27%；U形防滲渠[圖4(a)]和梯形防滲渠[圖4(b)]介于兩者之間。四種渠道中,采用庫容法量測的灌區取水量與梯形薄壁堰法比較，平均相對偏差RKTi依次為-2.78%、0.49%、-3.99%和-5.38%，與電磁流量計法量測的結果相比，其RKDi依次為-2.75%、-0.73%、-2.41%和-6.28%，相對偏差RKTi、RKDi間相差-0.90%～1.58%，測算效果整體表現為：矩形防滲渠>U形防滲渠>梯形防滲渠>梯形土渠。

3.3 庫容法在大田中的應用

為檢驗小區試驗成果的合理性與可靠性，同年在江蘇省的東臺、大豐、鹽都、建湖和濱海五縣(市、區)共選擇35處典型灌區進行了大田驗證工作。其中：U形防滲渠灌區9處，矩形防滲渠灌區7處，梯形防滲渠灌區8處，梯形土渠灌區11處。試驗結束按渠道類型分類，將庫容法、梯形薄壁堰法和電磁流量計法三種量水技術所測灌區取水量及相對偏差進行整理，如圖5。

圖5 2017年參與驗證試驗的35處樣點灌區取水量及相關性

從圖5可知，三種測算方法所得到的灌區取水量有著相同的高峰與低谷。圖5(a)中灌區取水量為5.24～23.94 萬m3，相對偏差為-4.96%～-2.81%；圖5(b)中灌區取水量為7.26～13.25 萬m3，相對偏差為-2.93%～2.07%；圖5(c)中灌區取水量為7.45～23.50 萬m3，相對偏差為-5.93%～-2.76%；圖5(d)中灌區取水量為6.73～18.24 萬m3，相對偏差為-8.82%～-3.94%。從相對偏差分析，圖5(a)～5(d)中，差異最顯著的為梯形土渠[圖5(d)]，U形防滲渠[圖5(a)]和梯形防滲渠[圖5(c)]次之，矩形防滲渠[圖5(b)]的相對偏差最小，這與小區試驗測算的結果表現出同樣的趨勢。

4 討 論

小區試驗結果表明，庫容法量測效果整體表現為：矩形防滲渠>U形防滲渠>梯形防滲渠>梯形土渠。分析原因：梯形土渠渠道襯面未進行任何防滲技術處理，盡管在測算前預先蓄水至渠道濕周土壤飽和后再進行量測以減少偏差，但與其余三類采用混凝土防滲技術處理的渠道相比，庫容法實測時的蓄水過程中土壤下滲水量仍占渠首取水總量的比重較大，故梯形土渠的相對偏差最大；當渠道襯面均采用混凝土防滲技術處理即渠道襯底入滲系數一致時，影響測算精度的最主要因素為渠道過水斷面積與濕周的比值，即與水力半徑密切相關，水力半徑越大，則表示輸送相同過水斷面積水體時的渠道襯底渠道濕周越小，相對偏差與水力半徑的倒數呈顯著正相關。

采用庫容法測算灌區渠首取水流量時，決定測算結果準確程度的最主要因素是對渠道內蓄水庫容量測算的準確與否。對比小區試驗和大田驗證成果發現，小區試驗時四類渠道相對偏差依次為-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，效果整體優于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，兩種試驗規模間相差0.19%～1.48%。分析原因是因為小區試驗時，對試驗中關鍵參數的量測、渠道的封閉處理等技術措施，較大田驗證時的要求更為嚴格所致。為提高大田測算精度，減少相對偏差，應注重對大田實測數據精度和關鍵指標的把控尤其是對影響蓄水庫容ΔQ0關鍵參數的精確測量。

5 結 論

(1)采用庫容法量測的灌區渠首取水量，其結果與傳統的梯形薄壁堰法和電磁流量計法之間的測算結果間表現著良好的一致性，具有較好的量測精度，且測算效率較梯形薄壁堰法和電磁流量計法高。因此，庫容法可作為一種灌區量水技術加以推廣應用。

(2)庫容法量測U形防滲渠、矩形防滲渠、梯形防滲渠以及梯形土渠的渠首取水流量，結果分別為0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，其量測值與另外兩種量測方法所得結果，采用Duncan檢測無顯著差異。

(3)庫容法與梯形薄壁堰法和電磁流量計法量的量測值相比，小區試驗中測得的灌區取水量在四類渠道的相對偏差依次為-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，測算效果整體優于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，兩種試驗規模間相差0.19%～1.48%。為提高大田的測算精度，可在試驗中結合傳統的量測方法，對庫容法量測的大田取水量不定期地進行實測校驗。