库容法在灌区量水中的应用

刘德斌，张 健，邹玉田，刘 娟，何俊生

(1.江苏省沿海水利科学研究所，江苏 东台 224200；2.东台市水务规划办公室，江苏 东台 224200； 3.东台市土地发展中心，江苏 东台 224200)

0 引 言

灌区量水是合理调度农业灌溉水源、执行用水计划、加强用水管理的必要前提，也是农业水费按方收费的需要，更是灌区实现灌溉自动化的基础和依据[1]。针对灌区量水技术的研究，国内已有大量学者做了相关工作，目前多集中在量水技术的理论研究[2,3]和量水设备的开发研制方面：刘焕芳[4]等人进行了灌区梯形量水堰改进研究，提出改进后的量水堰测流方法及计算精度可以满足要求；洪成[5]等人进行了U形渠道机翼形量水槽试验，提出机翼形量水槽具有测流精度高且投资小的特点，在灌区量水中具有较好的推广价值；王莹莹[6]等人进行了小型渠道梯形薄壁侧堰的水力特性试验，提出梯形薄壁侧堰在灌区末级渠道量水中具有较好的量测精度和推广应用价值；潘志宝[7]等人进行了闸墩式量水槽试验研究，提出在增加量水槽长度的情况下，闸墩式量水槽具有较好的量水效果；肖苡辀[8]等人进行了平底短喉道量水槽试验，指出田间便携式平底短喉道量水槽具有良好的测流精度。以上研究表明，采用适宜的量水槽、薄壁堰等特设渠道量水设施在灌区量水中可获得较好的量测精度。但在实际应用中，这类量水槽(堰)设施的应用会人为地缩小渠道过水断面，抬高壅水高度，增加水头损失，影响输水效率，且在量水槽(堰)前后易形成泥沙沉淀，影响水体流态，降低量测精度[9]。近年来，超声波流量计[10]、电磁流量计[11]、即插式长喉道量水计[12]等量测仪器得到应用，这类设备具有操作方便、维护简单、测流精确度高等优点，可较好地解决量水槽、薄壁堰等量水设施使用中的不足。但受项目资金、泵站类型、出水口管材尺寸等因素限制，短期内进行大面积推广应用受到一定制约，这在已建项目区尤其是老旧灌区中表现得尤为明显。

本文提出库容法作为一种灌区量水技术，以U形防渗渠、矩形防渗渠、梯形防渗渠和梯形土渠作为代表，比较库容法与梯形薄壁堰法和电磁流量计法间的量水差异。通过小区结合大田的试验方法，验证库容法所测结果的合理性及可靠性，为灌区量水尤其是目前尚不具备建设固定式量水设施的灌区快速准确地量水提供一条新的思路。

1 库容法测流原理

库容法测流原理是利用已建泵站配套的输水渠道、出水池等固定设施在出水口封闭情况下其库容相对稳定的特征，通过记录泵站取水蓄满固定库容的输水渠道、出水池所需时长，推算泵站此次取水的实际流量，并以此为基础，计算灌区总灌溉取水量。考虑到配套的固定设施内底部不平整，易出现泥沙、积水、杂草等杂物会对测算精度产生影响，实际量测时通常是在待测渠道、出水池中预先设置一适宜深度的初始水位，以消除这部分不利因素影响。如图1所示，在蓄水渠道或出水池壁上自下而上适宜位置分别标注a、b两点，a点以下部分为初始库容，而a、b两点间库容(阴影部分)即为参与计算的蓄水库容。

图1 蓄水渠道库容法测流原理示意图

库容法量测的泵站取水流量为：

(1)

式中：qi为第i次灌溉时，库容法测算的泵站取水流量，m3/s；q0为试验开始前，借助于智能流速仪实测的泵站取水流量，m3/s；t0为试验开始前，借助于秒表实测的a、b两点间蓄水时长，s；ti为第i次灌溉时，实测渠道蓄满a、b两点间的蓄积时长,s；q0×t0为封闭渠道参与计算的蓄水体积，m3。

由此可知，库容法所测灌区总灌溉取水量计算公式如下：

(2)

式中：Q为灌区总灌溉取水量，m3；n为灌区灌溉次数，次；Ti为第i次灌溉灌区单次提水灌溉时长，s；qi、q0、t0、ti的含义及单位同上。

库容法量测灌区取水量，其关键在试验前期对a、b两点间蓄积库容q0×t0的精确测量，而日常灌溉中仅需要观测蓄水水面依次淹没a、b两点间的蓄水时长ti和单次灌溉的时长Ti，与梯形薄壁堰法和电磁流量计法相比，日常测算的技术要求低，并可节约大量现场量测时间，测算成本得到降低，测算效率较梯形薄壁堰法和电磁流量计法高。为保证库容法量测灌区取水量的精度，日常量测中可采用梯形薄壁堰法或电磁流量计法不定期地对其量测结果加以检验。

2 材料与方法

2.1 试区概况

试验区选址于江苏省东台市东里村农业示范园，园区中心坐标：东经120°12′48.72″，北纬32°53′14.77″，土壤为重壤土。多年平均气温14.5 ℃，降水量为1 065.2 mm，无霜期220 d。2017年进行水稻灌溉试验，参试品种“南粳9 108”。试验区水稻采用旱直播方式、浅湿灌溉技术种植，播种面积84.73 hm2，生育期长127～132 d，播种密度180 万株/hm2。区内建有固定式电动提水泵站4座，分别为东里新站、东里东站、东里西站和曙光站，对应输水渠道分别为U形防渗渠、矩形防渗渠、梯形防渗渠和梯形土渠。

2.2 试验设计

根据库容法测流原理，将待测泵站对应输水渠道两侧出水口及末端闸门均予以关闭，使之形成一封闭蓄水区域。试验开始前，在渠道中段选择一流态稳定处的渠道内壁上适宜位置处自下而上依次标记a、b两点，对蓄水水面依次淹没a、b两点的蓄积时间ta、tb进行记录，并借助于便携式智能流速仪、钢尺等测量工具，测量泵站实际取水流量，进而计算出a、b两点间的蓄水库容ΔQ0,试验区配套渠道设计及蓄水控制参数见表1。

为验证库容法所测结果的可靠性，试验中同时采用梯形薄壁堰法和电磁流量计法分别对四座泵站的运行流量进行实测，比较渠道类型对库容法量测灌区取水量精度的影响。分别在四座泵站出水槽内选择适宜位置安装可移动式梯形薄壁堰测流装置，薄壁堰上底90 cm，下底75 cm，堰口侧边比(横竖比)1：4，在四座电动泵站出水口一侧管道上适宜位置处，分别安装一套插入式电磁流量计(型号：YK-LDC-L)用以测量泵站取水流量。

试验主要观测指标及方法如下：

(1)标记蓄水位置a、b：借助于水准仪(型号:苏光DSZ2+FS1)在蓄水渠内壁上适宜位置标注相应标线，具体见表1中蓄水深度ha、hb。

(2)试验前蓄水时长t0、历次灌溉的蓄水时长ti及灌区灌溉时长Ti:试验前采用秒表(精度0.1 s)记录泵站自零点时刻(泵站出水)起至蓄水水面依次淹没至标记a、b两点的时间ta、tb，则两点间的蓄水时长为：t0=tb-ta；同法可得ti、Ti。

(3)蓄水库容ΔQ0：对于封闭状态下蓄水体积为不规则几何体的渠道，蓄水库容ΔQ0采用直接量测法测得。参考《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303-2017)，选择泵站出水口一侧渠道内适宜位置处的断面，利用便携式智能流速仪(型号：LGY-II型)进行断面流量测定。量测时的测深垂线间距设置为0.25 m，垂线流速测点采用“三点法”进行，结合测流处过水断面积可计算得出断面流量。流速仪测定的时间档设置为较长的99 s，3次重复，过水断面积采用钢尺(精度0.01 m)测算得出。为减少梯形土渠在蓄水过程中因土壤吸湿和下渗对蓄水库容测量值ΔQ0的影响，可在量测前预先将渠道内注满水，待湿周土壤饱和后排空渠道内余水再进行量测。

3 结果与分析

3.1 库容法与梯形薄壁堰法和电磁流量计法量水比较

试验期间小区共进行了15次提水灌溉，结束时将库容法所测灌区取水流量与其他两种方法的测算结果进行对比，如图2。

图2 三种量测方法实测灌区渠首取水流量

从图2可知，U形防渗渠、矩形防渗渠、梯形防渗渠和梯形土渠在三种测算方法下所测得取水流量分别为0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，且3种方法下的四类输水渠道的渠首取水流量均一致表现为：U形防渗渠>梯形防渗渠>矩形防渗渠>梯形土渠，分析原因是由于灌区取水流量主要是由各自配套泵站的取水能力所决定。

将图2中库容法、梯形薄壁堰法、电磁流量计法三种量测技术下对应的四类渠道渠首取水流量进行整理，采用SPSS 22.0进行Duncan测验，结果见表2。

表2 试验区渠首取水流量的Duncan检测

从表2可知，试验区渠首取水流量的量测结果与渠道类型间均存在5%的显著差异和1%的极显著差异，而与三种流量量测方法间无5%的显著性差异和1%的极显著差异。由此可知，采用库容法量测的灌区渠首取水流量，其结果与梯形薄壁堰法和电磁流量计法的测算结果间表现出良好的一致性，可以作为灌区取水流量的一种量测方法加以应用。

为进一步分析渠道类型对库容法量测灌区取水流量测算精度产生的影响，试验结束分别将历次灌溉时库容法与其他两种测算方法间的相对偏差进行整理，如图3所示。图3(a)中梯形土渠相对偏差-7.25%～-3.70%，矩形防渗渠的相对偏差为-1.68%～2.04%，而U形防渗渠和梯形防渗渠的相对偏差分别为-4.86%～-1.26%、-5.97%～-2.18%；图3(b)中梯形土渠相对偏差-8.79%～-2.84%，矩形防渗渠的相对偏差为-3.36%～2.27%，而U形防渗渠和梯形防渗渠的相对偏差分别为-4.58%～-0.79%、-4.62%～-0.35%。由此可知，库容法测得的四类输水渠道流量与梯形薄壁堰法和电磁流量计法相比，其相对偏差一致表现为：梯形土渠偏差最为显著，矩形防渗渠的偏差最小，而U形防渗渠与梯形防渗渠的相对偏差处于两者之间，即采用库容法测算的四类输水渠道渠首取水流量，梯形土渠的测算结果差异最大，矩形防渗防渗渠的测算结果最为准确，U形防渗渠和梯形防渗渠的结果介于两者之间。

图3 库容法量测灌区取水与其他两种方法间相对误差

3.2 渠道类型对库容法量测灌区取水量结果影响

试验结束按输水渠道类型差异，将三种量测方法下灌区历次取水量及相对偏差分别进行统计，如图4所示。从图4可知，水稻生育期内，同一灌区中除个别灌溉次数(第9次灌溉，拔节孕穗期)外，其余单次灌溉水量都相对一致。这是由于第9次灌溉处于水稻的拔节-孕穗期，是水稻生育期内的需水高峰，为保证水稻正常生长，单次灌溉的水量较往常明显偏多；而其余次数灌溉水量相对一致，是因为本次试验水稻采用的浅湿灌溉技术以提高农业用水的有效利用率，灌溉时采用“少量多次”的原则，设计的单次灌溉水层在相对一致的情况下，同一灌区单次灌区取水量也相对稳定。

图4 不同类型渠道灌区取水量实测值及偏差系数

从图4还可知，采用库容法量测的灌区取水量与梯形薄壁堰法和电磁流量计法间的相对偏差，梯形土渠[图4(d)]差异最大，处于-7.25%～-2.84%之间；矩形防渗渠(图4b)差异最小，处于-3.36%～2.27%；U形防渗渠[图4(a)]和梯形防渗渠[图4(b)]介于两者之间。四种渠道中,采用库容法量测的灌区取水量与梯形薄壁堰法比较，平均相对偏差RKTi依次为-2.78%、0.49%、-3.99%和-5.38%，与电磁流量计法量测的结果相比，其RKDi依次为-2.75%、-0.73%、-2.41%和-6.28%，相对偏差RKTi、RKDi间相差-0.90%～1.58%，测算效果整体表现为：矩形防渗渠>U形防渗渠>梯形防渗渠>梯形土渠。

3.3 库容法在大田中的应用

为检验小区试验成果的合理性与可靠性，同年在江苏省的东台、大丰、盐都、建湖和滨海五县(市、区)共选择35处典型灌区进行了大田验证工作。其中：U形防渗渠灌区9处，矩形防渗渠灌区7处，梯形防渗渠灌区8处，梯形土渠灌区11处。试验结束按渠道类型分类，将库容法、梯形薄壁堰法和电磁流量计法三种量水技术所测灌区取水量及相对偏差进行整理，如图5。

图5 2017年参与验证试验的35处样点灌区取水量及相关性

从图5可知，三种测算方法所得到的灌区取水量有着相同的高峰与低谷。图5(a)中灌区取水量为5.24～23.94 万m3，相对偏差为-4.96%～-2.81%；图5(b)中灌区取水量为7.26～13.25 万m3，相对偏差为-2.93%～2.07%；图5(c)中灌区取水量为7.45～23.50 万m3，相对偏差为-5.93%～-2.76%；图5(d)中灌区取水量为6.73～18.24 万m3，相对偏差为-8.82%～-3.94%。从相对偏差分析，图5(a)～5(d)中，差异最显著的为梯形土渠[图5(d)]，U形防渗渠[图5(a)]和梯形防渗渠[图5(c)]次之，矩形防渗渠[图5(b)]的相对偏差最小，这与小区试验测算的结果表现出同样的趋势。

4 讨 论

小区试验结果表明，库容法量测效果整体表现为：矩形防渗渠>U形防渗渠>梯形防渗渠>梯形土渠。分析原因：梯形土渠渠道衬面未进行任何防渗技术处理，尽管在测算前预先蓄水至渠道湿周土壤饱和后再进行量测以减少偏差，但与其余三类采用混凝土防渗技术处理的渠道相比，库容法实测时的蓄水过程中土壤下渗水量仍占渠首取水总量的比重较大，故梯形土渠的相对偏差最大；当渠道衬面均采用混凝土防渗技术处理即渠道衬底入渗系数一致时，影响测算精度的最主要因素为渠道过水断面积与湿周的比值，即与水力半径密切相关，水力半径越大，则表示输送相同过水断面积水体时的渠道衬底渠道湿周越小，相对偏差与水力半径的倒数呈显著正相关。

采用库容法测算灌区渠首取水流量时，决定测算结果准确程度的最主要因素是对渠道内蓄水库容量测算的准确与否。对比小区试验和大田验证成果发现，小区试验时四类渠道相对偏差依次为-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，效果整体优于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，两种试验规模间相差0.19%～1.48%。分析原因是因为小区试验时，对试验中关键参数的量测、渠道的封闭处理等技术措施，较大田验证时的要求更为严格所致。为提高大田测算精度，减少相对偏差，应注重对大田实测数据精度和关键指标的把控尤其是对影响蓄水库容ΔQ0关键参数的精确测量。

5 结 论

(1)采用库容法量测的灌区渠首取水量，其结果与传统的梯形薄壁堰法和电磁流量计法之间的测算结果间表现着良好的一致性，具有较好的量测精度，且测算效率较梯形薄壁堰法和电磁流量计法高。因此，库容法可作为一种灌区量水技术加以推广应用。

(2)库容法量测U形防渗渠、矩形防渗渠、梯形防渗渠以及梯形土渠的渠首取水流量，结果分别为0.146～0.164、0.105～0.121、0.124～0.142和0.083～0.101 m3/s，其量测值与另外两种量测方法所得结果，采用Duncan检测无显著差异。

(3)库容法与梯形薄壁堰法和电磁流量计法量的量测值相比，小区试验中测得的灌区取水量在四类渠道的相对偏差依次为-2.77%～-2.79%、0.49%～-0.72%、-3.90%～-2.46%和-5.42%～-6.31%，测算效果整体优于大田的-3.59%～-3.64%、-0.99%～-0.93%、-4.09%～-3.17%和-6.67%～-7.04%，两种试验规模间相差0.19%～1.48%。为提高大田的测算精度，可在试验中结合传统的量测方法，对库容法量测的大田取水量不定期地进行实测校验。