多尺度溫瑞灌區(qū)毛灌溉用水量測算

(浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018)

我國是擁有14億人口的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)關(guān)乎著社會的和諧與發(fā)展，也是發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，而農(nóng)田作物需要經(jīng)常灌溉才能保證合理的生長狀態(tài)。我國水資源占有量只有2100m3/人，是世界人均值的1/4，特別是西北地區(qū)干旱少雨，水資源嚴(yán)重缺乏。水資源短缺會影響經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展，而每年農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的一半，因此合理測算農(nóng)業(yè)灌溉用水量具有十分重要的意義。量水工作面廣量大，應(yīng)在灌區(qū)內(nèi)合理布置量水計量點，降低量水成本,減少水頭損失，研究出計算簡單、實用性強的測算方法﹐用于指導(dǎo)灌區(qū)準(zhǔn)確計量水非常必要。

溫瑞灌區(qū)位于甌江南岸的溫瑞平原，北臨甌江、南至瑞安市飛云江，涉及溫州市鹿城區(qū)、龍灣區(qū)、甌海區(qū)以及瑞安市。溫瑞灌區(qū)設(shè)計灌溉面積31.700萬畝，有效灌溉面積為15.071萬畝，農(nóng)田實際灌溉面積為13.350萬畝，屬于大型灌區(qū)。灌區(qū)分布在溫瑞平原，地勢平坦，河網(wǎng)密布，灌區(qū)內(nèi)建有多座小型提水泵站，每座小型泵站具有獨立的灌溉系統(tǒng)，渠首控制面積相對整個大型灌區(qū)來說較小，屬于一個小微型灌區(qū)[1]，因此溫瑞灌區(qū)是由眾多小微型灌區(qū)組成的大型灌區(qū)。灌區(qū)類型為提水灌溉，配備有多座提水泵站。

溫瑞灌區(qū)骨干水源以河水為主，還存在很多零散水源，由于水源及取水口較多，灌區(qū)范圍大，毛灌溉用水總量量測統(tǒng)計工作難度較大，不宜直接開展全灌區(qū)毛灌溉用水量的直接計量，而毛灌溉用水量是衡量農(nóng)田灌溉用水效率的重要參數(shù)指標(biāo)，因此，本文采用“以點帶面”推算法[2]獲取毛灌溉用水量，通過在灌區(qū)內(nèi)選取幾座小型泵站作為渠首計量點，實測該計量點的用水量獲取該微型灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量，然后用畝均毛灌溉用水量推算整個灌區(qū)的毛灌溉用水量。這種方法原理清晰易懂，可操作性較強，可用于測算多尺度灌區(qū)的毛灌溉用水量。

1 測算方法與過程

1.1 水源和渠首計量點的選擇

當(dāng)灌區(qū)水源眾多且灌溉范圍較大時，可將灌區(qū)按“水源類型”或者“區(qū)域”劃分成若干小片，形成較小的分析單元。通過測算某一類水源的典型數(shù)據(jù)，由該水源推算獲得其他同類水源的水量，或者測定一片區(qū)域的綜合水量，然后以此區(qū)域推算其他區(qū)域的水量。在灌區(qū)主要灌溉水源的渠首位置安裝量水設(shè)施，以獲得該水源的毛灌溉用水量。所選的渠首計量點需體現(xiàn)該灌區(qū)主要水源類型、灌溉方式、有控制性的工程措施等[3]。

溫瑞灌區(qū)水源較為復(fù)雜，灌區(qū)從飛云江等引水至灌區(qū)河道，灌區(qū)農(nóng)田再從河道通過小型泵站提水灌溉，河道用水戶包括工業(yè)、生活、環(huán)境、農(nóng)業(yè)用水，成分復(fù)雜，很難在河道內(nèi)通過計量確定灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量。為推算出灌區(qū)渠首毛灌溉水量，采用在灌區(qū)內(nèi)按照區(qū)域選擇幾處小型泵站安裝計量設(shè)施，觀測各區(qū)域毛灌溉水量，根據(jù)小型泵站控制的實灌面積計算畝均毛灌溉水量，進而推算得到全灌區(qū)的毛灌溉用水量。

根據(jù)以上原則，溫瑞灌區(qū)因采用泵站提水灌溉，所以在灌區(qū)內(nèi)主干渠上選擇具有代表性的典型泵站作為渠首計量點量測毛灌溉用水量。本文結(jié)合溫瑞灌區(qū)所涉及范圍，選取4個渠首計量點，分別位于瑞安市塘下街道鮑四村渠首、甌海區(qū)郭溪鎮(zhèn)白埠塘渠首、龍灣區(qū)永興街道第十七農(nóng)場渠首和第九農(nóng)場渠首，選取的原因是這4個渠首泵站設(shè)備齊全，方便觀測，配有專門的觀測人員，并且渠首均安裝了超聲波流量計來計量毛灌溉用水量。

1.2 量水設(shè)施的選擇

灌區(qū)渠首量水方法有標(biāo)準(zhǔn)斷面量水、量水堰槽、以電折水、儀表量水等。除了儀表量水不需要率定外，其余量水設(shè)施一般需要進行率定才能量水，因此選用儀表量水設(shè)施進行測量。儀表量水設(shè)施中比較常見的是超聲波管道流量計，是用于測量管道中流體流量的量水設(shè)施[4]。超聲波管道流量計用于對管道中的液體進行流速、流量等參數(shù)的實時監(jiān)測及采集，自動計算、記錄流量及累計水量，并通過遠傳設(shè)備，將觀測數(shù)據(jù)自動上傳至后臺系統(tǒng)。

溫瑞灌區(qū)有多座提水泵站用于取水灌溉，渠首適合采用超聲波管道流量計。該流量計由超聲波換能器、轉(zhuǎn)換器及流量水量顯示器組成[5]，讀數(shù)方便，可以安裝在管道外圍，避免了液體接觸，不用改動管道，不受被測液體的各種參數(shù)干擾，量水精確度高。采用超聲波管道流量計量水不需要進行率定，不用單獨編寫量水設(shè)施率定報告，同渠道其他量水計量模式相比，節(jié)約人力物力[6]，因此在流量測量中得到廣泛應(yīng)用，特別適合于大、中管徑管道的液體流量測量。

1.3 測算方法和公式

本文采用“以點帶面”推算法對灌區(qū)進行毛灌溉用水量測算，具體是在灌區(qū)內(nèi)選取n個泵站作為渠首計量點，通過設(shè)定量水設(shè)施對灌溉期的毛灌溉用水量進行“點測”，每個渠首計量點對應(yīng)1個控制面積，計量點i的毛灌溉用水量實測值Wi除以渠首i的控制面積得到畝均用水量wi，再算出n個畝均用水量的算術(shù)平均值，得到整個灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量w，乘以灌區(qū)的實際灌溉面積A進行“面推”，最終得到灌區(qū)的毛灌溉用水量W。具體計算公式為

(1)

式中：w為畝均毛灌溉用水量,m3/畝;wi為第i個渠首計量點的畝均用水量,m3/畝;Wi為渠首i的毛灌溉用水量實測值,m3;Ai為渠首i的控制面積,畝;n為渠首計量點個數(shù)。

W=wA

(2)

式中：W為樣點灌區(qū)的毛灌溉用水量,萬m3;w為畝均毛灌溉用水量,m3/畝;A為樣點灌區(qū)的實際灌溉面積,萬畝。

2 測算結(jié)果

根據(jù)式(1)計算畝均用水量，計算結(jié)果見表1。利用溫瑞灌區(qū)的畝均灌溉用水量，分別采用面積加權(quán)法和畝均毛灌溉用水量加權(quán)法計算溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量，見表2。由表2可知，算術(shù)平均法與采用面積加權(quán)法以及畝均毛灌溉用水量加權(quán)法計算溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量結(jié)果相近。據(jù)此可知，以算術(shù)平均值測算的溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量具有一定的代表性和可信度。根據(jù)式(2)用畝均毛灌溉用水量乘以實際灌溉面積得到溫瑞灌區(qū)的毛灌溉用水量為3357.6382萬m3(見表3)。

對于多尺度的灌區(qū)，渠首計量點的選取最好涵蓋灌區(qū)所涉及的縣級行政區(qū)域75%及以上。溫瑞灌區(qū)涉及縣級行政區(qū)域有4個，本研究分別在瑞安市、甌海區(qū)和龍灣區(qū)選取了渠首計量點，保證了量測結(jié)果的可靠性和一定的精度。如果只選取兩個縣級行政區(qū)域——甌海區(qū)、龍灣區(qū)的3個渠首計量點，其畝均毛灌溉用水量的算術(shù)平均值為247.1865m3/畝，與4個渠首的畝均毛灌溉用水量251.5085m3/畝相比存在一定的誤差，相差4.3220m3/畝。

表1 溫瑞灌區(qū)4個渠首量水結(jié)果和畝均毛灌溉用水量計算結(jié)果

表2 溫瑞灌區(qū)畝均毛灌溉用水量分別采用4個渠首的畝均毛水量加權(quán)和面積加權(quán)計算結(jié)果

表3 溫瑞灌區(qū)毛灌溉用水量計結(jié)果

3 結(jié) 語

本文在溫瑞灌區(qū)內(nèi)按照區(qū)域適當(dāng)位置選取渠首計量點并安裝量水設(shè)施對灌溉期的毛灌溉用水量進行“點測”，運用毛灌溉用水量實測值除以渠首控制面積得到該區(qū)域畝均毛灌溉用水量，按照算術(shù)平均法計算得到整個灌區(qū)的畝均毛灌溉用水量，再乘以整個灌區(qū)的實際灌溉面積進行“面推”，得到整個灌區(qū)的毛灌溉用水量。這種“以點帶面”推算法適合于測算多水源和涉及范圍廣的多尺度灌區(qū)毛灌溉用水量，基層技術(shù)管理人員易于接受和掌握，且具有一定的代表性和可信度，可為最嚴(yán)格水資源管理制度、水資源公報編制以及根據(jù)用水總量統(tǒng)計農(nóng)田灌溉用水量提供技術(shù)支撐。