灌区渠系水利用系数分布式模型计算

刘爱军，王栋柱

（1.扬州市水利局，江苏 扬州 225002；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

1 概述

灌溉水利用系数是评价灌溉节水水平的重要指标，也是灌区规划设计、灌溉用水调度管理的主要参数。灌溉水利用系数是灌入田间可被作物利用的水量与干渠渠首引入的总水量的比值，或渠系水利用系数与田间水利用系数的乘积。灌溉水利用系数计算成果的准确性主要依赖于渠系水利用系数计算的准确性，渠系水利用系数也是末级固定渠道输出流量（水量）之和与干渠渠首引入流量（水量）的比值。

如果有灌区实测总引水量与净灌溉定额及灌溉面积等资料，首尾测算分析法可计算灌区该年度的灌溉水利用系数，目前只有少数灌区具备采用首尾测算分析法的条件。为了得到整个行政区（如地级市）的灌溉水利用系数，有些地方将行政区内灌区分为大、中、小3种规模，对于各种规模灌区选择有实测资料的典型灌区计算灌溉水利用系数，然后将典型灌区灌溉水利用系数直接应用到同规模灌区。该方法操作简单，但是成果可靠性存在一定问题，规模类似的灌区由于渠系结构、渠道特征不同，渠系水利用系数可能差别很大。影响渠系水利用系数的主要因素有渠系组成、渠道长度、断面特性、渠道材质、衬砌状况、流量、地下水埋深等，各个影响因素的变化都会影响灌区渠系水利用系数，仅分3种规模采用相应灌溉水利用系数存在误差。本文构建考虑各种主要影响因素的渠系水利用系数计算分布式模型，根据各个灌区的田块分布、渠系组成、渠道材质、衬砌状况、渠道长度、断面特性、流量组合、地下水埋深等实际资料，计算渠系水利用系数，该方法考虑到各灌区田块与渠系分布的具体特征，计算结果相对可靠。

2 分布式模型

2.1 模型结构

一般而言，灌区渠系由干、支、斗、农4级渠道组成，由干渠分水给若干支渠，每个支渠分水给若干斗渠，每个斗渠分水给若干农渠，每个农渠分水给若干田块。考虑到渠系水利用系数是整个灌区输水、用水系统综合作用的结果，灌区渠系水利用系数计算分布式模型以灌区田块分布为基础，根据田块面积、田块灌溉定额（灌溉净定额除田间水利用系数）、灌溉时长计算各个田块灌溉流量，统计得到整个灌区的净灌溉流量。同时，根据农渠各个分水口位置、分水流量、渠段特性，分段逆推农渠渠首流量，根据斗渠上各农渠的渠首位置、分水流量、渠段特性，分段逆推斗渠渠首流量。以此类推，可以得到支渠及干渠的渠首流量［1-2］。

2.2 渠段首尾流量关系

渠系由渠道组成，渠道由各个渠段组成，渠段水利用系数计算式为

式中：η0为渠段水利用系数；α为灌区修正系数；ε0为衬砌渠道渗水损失修正系数；ε′为土渠渗水损失系数；σ为渠段单位长度的水量损失率；L为渠道长度。

渠段单位长度的水量损失率与土壤透水性及输水流量有关，土渠渗水损失系数与潜水埋深及输水流量有关，衬砌渠道渗水损失修正系数与防渗渠道长度有关，由此可进一步推求渠段首尾流量关系。

2.3 渠系水利用系数

渠系水利用系数计算式为

式中：η为灌区渠系水利用系数；Qt，i为某一田块灌溉流量；n为灌区田块数；Qg，0为通过模型计算得到的与所有田块灌溉流量相应的干渠渠首流量。

2.3.1 田块灌水流量

灌区的渠系水利用系数严格意义上来说并非常数，每一次灌溉的渠系水利用系数是不同的，与灌溉流量有关，为了区域对比，可以按行政区拟定统一的田块灌溉定额与灌溉时段长，得到单位面积灌溉流量，然后根据田块面积计算得到各个田块的灌溉流量，要求所有田块面积和等于灌区面积。

2.3.2 干渠渠首流量

根据模型，在渠段利用渠段首尾流量关系由段尾流量推求段首流量，渠段分界处利用水量平衡将分水口流量加入，逐步计算可以得到干渠渠首流量。

（1）根据农渠上各个用水田块灌溉流量计算得到各个农渠渠首流量；

（2）根据斗渠上各个农渠渠首流量计算得到各个斗渠渠首流量；

（3）根据支渠上各个斗渠渠首流量计算得到各个支渠渠首流量；

（4）根据干渠上各个支渠渠首流量计算得到干渠渠首流量。

干、支、斗、农4级渠道渠首流量计算方法类似，此处仅介绍农渠渠首流量计算方法。

考虑各个分水口至所在渠道渠首的距离不同，水量损失也是不一样的，农渠渠首流量计算从农渠最末一个分水口向农渠首计算流量。按照田块分布与农渠上的分水口，将农渠分成段，如果有每一段长度资料就直接采用，如果没有各段长度资料就按农渠长度与分水口数进行概化计算。

应用渠段首尾流量关系计算公式，可以根据渠段段尾流量计算得到渠段段首流量。考虑段首处有分水口，分水口处渠道的流量为分水流量与下一渠段段首流量之和，依此类推可以得到农渠渠首流量。按照上述方法再逐级计算，可以得到干渠渠首流量。

3 模型参数确定

3.1 模型参数确定方法

模型计算用到的土壤透水性参数可根据规范选用，土渠渗水损失系数与潜水埋深及输水流量有关，根据规范选用，衬砌渠道渗水损失修正系数根据防渗渠道长度用公式直接计算。考虑到规范里推荐的土壤透水性参数、土渠渗水损失系数计算公式、衬砌渠道渗水损失修正系数等与灌区实际情况有偏差，引进综合反映经验参数与灌区实况偏差的灌区修正系数，灌区修正系数可根据实测渠道水利用系数资料进行率定，不同级渠道灌区修正系不同［3-4］。

3.2 渠道水利用系数测定

为了率定模型参数需要测定典型灌区渠道水利用系数，选择江都沿运灌区进行渠道水利用系数测定。江都沿运灌区位于扬州市江都区，设计灌溉面积1.344万hm2，灌区形成了干、支、斗、农、毛的5级渠系布局框架。灌区现有干渠1条，长15 km；支渠5条，长42.8 km；斗渠350条，总长约为2 153 km。干渠的水通过昭关闸由大运河自流引入，干渠水利用系数测定期间，关闭所有直挂斗，待水位稳定后，记录昭关闸首及各支渠闸首的上、下游水位及闸门开启高度，测算昭关闸与5条支渠闸首的流量，最终确定干渠水利用系数为0.905。

对所有支渠都要测定渠道水利用系数，保持各斗渠的开关状态和开启高度不变，保持斗渠水位稳定，用ADCP流量计测出支渠首流量，同时测量各斗渠的上下游水位及开启高度，查询流量表得出各斗门的分水流量。根据灌区不同土质（黏土、壤土、砂土）各选取混凝土衬砌型斗渠2条，共6条斗渠测定渠道水利用系数，斗渠流量测量采用流速面积法，农渠分水口流量测量采用三角堰或梯形堰斗方法。

灌区农渠主要有混凝土衬砌渠道、土质渠道2类，各选3条典型农渠测定渠道水利用系数。测量方法与斗渠类似。流量测量采用流速面积法，各个分水口流量测量采用三角堰或梯形堰斗方法，最终确定各级渠道水利用系数如表1所示。

表1 渠道水利用系数测定结果

3.3 灌区修正系数率定

对于各级渠道，以模型计算渠道水利用系数与实测渠道水利用系数相对误差最小为目标，函数率定各级渠道灌区修正系数。由于各级渠道只有1个参数需要率定，采用搜索算法可以得到最优参数，最终确定各级渠道灌溉水利用系数计算公式的修正系数，结果见表2。

表2 修正系数率定结果

4 结论

分布式模型计算灌区渠系水利用系数具备一定的理论基础，采用《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）推荐公式进行单个渠道水利用系数计算，充分利用以往灌溉水利用系数研究成果，针对渠系组成与灌溉农田的分布，推算各级渠道的渠道水利用系数，对于不同灌区不同级渠道的具体情况，采用修正系数反映具体特征，最终得到完整的各级渠道水利用系数公式。利用分布式模型可以计算不同灌区渠系水利用系数，可以反映各个灌区渠系组成、灌溉面积分布、渠道衬砌情况等，相对于只分大、中、小灌区得到的灌溉水利用系数精度更高。但该方法需要计算的数据比较多，需要灌区渠系水利用系数实测资料进行模型参数确定，要求调查灌区渠系基本情况与农田分布情况，随着灌区信息化建设的不断推进，所需基础资料是可以得到保证的，故此方法具有一定的应用前景。