基于EM的灌溉渠道是否存在滲漏損失的驗證分析

時圣民

(山東省單縣時樓鎮人民政府，山東 菏澤 274300)

1 概 述

農業是中國最大用水者，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。如果不對水資源進行適當的管理，農業和其他部門之間的競爭有可能加劇缺水危機[1]。而襯砌渠道可以減少60%～80%的損失，盡管由于土壤的低導水率，一些土制渠道的滲水率已經很低了[2]，但減少渠道損失將提高灌溉系統的效率[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-流出法及積水試驗法。流入-流出法的主要優點是可在渠道正常運行條件下測量損失，而主要缺點是需要隨著時間的推移進行大量精確測量，并且無法確定局部損失。積水試驗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行條件不能中斷的缺點。電磁感應(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的聯合應用的方法，提供電導率和土壤含水量的數據，以檢測灌渠滲漏損失的可能性。

2 設備及方法

山東菏澤引黃灌區一些渠道已被證實存在水流失的現象。本項研究的重點是比較電磁與其他傳統技術(聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計獲得的流量測量)測量的滲流損失，并收集通過TDR測量的土壤含水量值，以驗證電磁測量的可靠性。

2.1 電磁設備

使用電磁感應儀器(EM)測量土壤表觀電導率(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電流，穿透深度由線圈的間距和電流頻率決定。電導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、有機質和溫度的影響。信號到達深度由土壤的均勻性決定。如果土壤在地表附近具有很強的導電性，那么信號就會消散，不會深入。

在本研究中，使用GEM-2型設備獲取電磁數據。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；能夠通過脈寬調制技術發送和接收任何數字合成波形。由于其波形的任意性和高速數字化，傳感器可以在頻域模式或時域模式下工作。其內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)設備

為了評估電磁測量的可靠性，有必要驗證電導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行監測，以驗證在渠道內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、土壤采樣點和EM樣帶見圖1。

圖1 采樣方案注：實線表示灌渠底部；平行于灌渠方向的虛線表示EM測量樣線；圓點代表TDR探針和土壤采樣位置。

2.3 流量測量設備

用聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計測量流量，并記錄對比結果，進行分析研究。

2.4 電磁測量和TDR測量的采樣方案

TDR測量網格并沒有完全應用于每條被調查的渠道，因為特定的場地限制探針插入。缺失的測量值將在后文列出。

2.5 試驗場地

2.5.1 引黃灌區抽樣渠道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行的(2020.9.14)。選擇沿渠道相距500 m的兩個橫截面，用聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計對流量進行測量。右岸的TDR測量是在距離渠道邊緣1 m的地點進行的，每個位置都用字母標記(圖1)。同時在距離渠道邊緣1、2和3 m處的左岸進行TDR測量。由于土壤的石質，無法在前兩個地點(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處進行測量。

2.5.2 引黃灌區抽樣渠道Q2

調查的渠道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，使用兩個聲學多普勒剖面儀和兩個螺旋槳流量計進行測量。在距離渠道邊緣1、2和3 m的地點進行TDR測量。TDR測量是沿著兩個橫斷面的11個點進行的。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。盡管渠道已經干了幾天，兩個樣帶的第一站(A)仍然被水覆蓋，因此沒有進行TDR測量。

2.5.3 引黃灌區抽樣渠道Q3

抽樣調查的渠道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)的水位是可達到的最低水平，因為河道攔截了上層地下水位。用聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計在相距300 m的兩個橫截面上進行流量測量。

因為左岸陡峭，TDR測量僅在渠道右岸進行。沿3個橫斷面的11個點測量渠道內的TDR數值。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1.5 m處。

3 實驗結果

3.1 流量測量-螺旋槳流量計

測量結果見表1。

表1 螺旋槳流量計的流量測量結果

由表1可知，使用螺旋槳流量計現場測定的渠道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-聲學多普勒剖面儀

測量結果見表2。

表2 聲學多普勒剖面儀的流量測量結果

由表2可知，根據對Q1現場測得的流量平均值的分析(以10 min為間隔進行計算)，估計損失為0.017 m3/s，相當于渠道上游橫截面測得流量的11%。對Q2現場測得的流量值進行相同的分析，得出水損失估計為0.203 m3/s(初始流量的23%)。在渠道Q3現場，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%。數據不同是因為多普勒剖面儀測得的數據與平均10 h相關，而螺旋槳流量計得到的數據是瞬時的。

3.3 電導率與土壤含水量的關系

3.3.1 引黃灌區抽樣渠道Q1

在Q1收集的數據表明，當渠道自由表面高度降低時，電導率值會增加。當電導率值增加時，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(標準偏差為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(標準偏差為0.094 m3/m3)；當渠道中沒有水，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(標準偏差0.034 m3/m3)。

圖2 實驗地點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率之間的關系

同時研究發現，在5 kHz頻率下進行測量時，電導率值的平均增幅為130 mS/m；在20 kHz頻率下進行測量時，電導率值的平均增幅為20 mS/m。

3.3.2 引黃灌區抽樣渠道Q2

從實驗場地Q2獲得的數據與在Q1場地收集的數據一致，表明渠道干燥時電導率值增加。研究發現，電導率值的增加不是由土壤含水量的變化引起的。

分析實驗結果知，當自由水面高度為36 cm時，土壤含水量的平均值為0.226 m3/m3(標準偏差為0.078 m3/m3);當渠內無水時，土壤含水量的平均值為0.259 m3/m3(標準偏差為0.089 m3/m3)。

圖3顯示了與土壤含水量數據相關的電導率值，以驗證在恒定含水量下是否存在電導率差異。事實上，以往研究結果表明[6]，在含水量恒定的條件下，土壤中的水流會導致電導率降低。

圖3 實驗地點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率之間的關系

在頻率為5 kHz時，兩次測量的電導率平均值分別為250和70 mS/m。確定在20 kHz頻率下兩次測量之間的平均電導率差異比較困難。在此頻率下，電導率差異最大可減小至20 mS/m，在某些情況下可以忽略不計。

3.3.3 引黃灌區抽樣渠道Q3

與從Q1和Q2實驗點獲得的數據相反，來自Q3實驗點的數據并未顯示出干渠時電導率值的系統性增加。當自由水面高度為57 cm時，土壤含水量的平均值為0.075 m3/m3(標準偏差為0.021 m3/m3);當自由水面高度為22 cm時，土壤含水量的平均值為0.072 m3/m3(標準偏差為0.011 m3/m3)。

圖4表明，在兩個不同水位高度(22和57 cm)下測得的電導率值沒有明顯的差異。在以20 kHz頻率進行的測量中，檢測到最小的電導率差異。這種電導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 實驗地點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率之間的關系

3.4 水位與電導率之間的關系

圖5為平均電導率值與渠道內水位的平均高度之間的關系。在Q1和Q2收集的數據表明，電導率的增加與水位高度的降低有關。根據Akbar[6]等研究表明，電導率降低表明水流流過渠道兩岸。通過使用聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計進行的流量測量，可以確認Q1和Q2渠道的水損失。在Q3現場收集的數據顯示出不同的現象：兩個非常不同的水頭測得的電導率沒有顯著差異。這表明Q3渠道段沒有明顯失水的假設成立。

圖5 渠道內水位與電導率的關系

關于Q3渠道，從含水量和電導率之間的關系獲得的數據沒有顯示出含水量或電導率的變化。無水流損失假說也得到了與電導率測量同時進行的調查的支持。

4 結 論

本文研究了電磁感應系統(EM)的適用性，以確定存在的水損失的灌渠。為此，在菏澤市引黃灌區選擇了3條最常見的代表渠道，使用電磁設備收集的電導率值，與傳統技術測量的數據進行了比較，如流入-流出(聲學多普勒剖面儀和螺旋槳流量計)，并結合土壤水分測量(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，可以確定電導率的降低與水頭的增加有關。在Q3中，沒有檢測到電導率的降低，與未顯示明顯滲漏損失的流量值一致。

相對于傳統的流入-流出方法，用于檢測滲漏損失的EM系統的主要優點是：①可沿監測區域定位泄漏地點；②可延伸檢查泄漏區域；③可確定損失是發生在渠道的一側還是兩側。與積水試驗法相比，使用EM也有優勢，它可以在渠道的正常運行條件下進行測量。必須指出的是，在5 kHz進行的測量更能區分滲透損失對電導率的影響。