渠系水利用系数测量
摘要：针对我省水稻灌区的实际情况，对灌溉水利用系数的影响因素、测定方法和有关参数的推求进行了研究，提出了我省水稻灌区水利用系数的具体方法。
关键词：渠系水利用系数 田间水利用系数 灌溉水利用系数
为准确掌握我省水稻灌区灌溉水的利用效率，黑龙江省厅委托省水文局于2004年在全省开展了水稻灌区利用系数的测定工作，笔者参加了此项工作，并积累了一定实际经验。本文在以往工作经验、借鉴前人研究成果的基础上，对从灌溉水利用系数的测定方法、水利用系数的影响因素和有关参数的确定进行了认真的研究，提出了推求灌溉水利用系数的具体方法，可供有关部门在今后开展类似工作时。
1 渠系水利用系数
1.1 渠系水利用系数的影响因素
渠系水利用系数是指灌区末级固定渠道放出的总水量于渠首因进水量的比值。渠道水利用系数的影响因素是多方面的，其中主要因素为渠道的防渗措施、土壤的透水性能、输水流量和地下水水位。
(1)渠道的防渗措施
渠道防渗是减少输水损失、控制地下水位，提高渠道水利用系数的基本工程措施。目前我省渠道采取的防渗方式主要有土料防渗、混凝土防渗和膜料防渗等。根据有关资料：采用土料夯实防渗一般能减少渗漏损失量45%左右，采用混凝土衬砌防渗能减少渗漏损失量70～75%，采用塑料薄膜衬护防渗能减少渗漏损失量50～90%。掌握上述各种措施的防渗效果，对确定渠系水利用系数测定方法、分析测定结果的合理性是十分必要的。
(2)渠道土壤的透水性能
对于土渠渠道的输水损失量主要取决于渠道土壤的透水性能。土壤的透水性能主要和土壤的质地有关。根据土壤的质地可把土壤划分为砂土、壤土和粘土三类。砂土类土壤主要有粗砂和细砂组成，粉砂和粘粒所占比例很少，因此土壤颗粒粗、粘性小孔隙直径大，土壤透水性强，由此类土壤组成的渠道由于下渗损失量大，渠系水利用系数小。粘土类土壤主要由粉砂和粘粒组成，土壤质地粘重，紧密，虽然孔隙率较大，但孔隙直径小，土壤透水能力弱，由此类土壤组成的渠道下渗损失量小，渠系水利用系数较高。壤土类土壤质地比较均匀，其中细砂、粉砂和粘粒所占比例大体相当，颗粒粗细及孔隙直径适中，土壤透水性能介于沙土和粘土之间，因此渠道下渗损失量和渠系水利用系数亦介于以上两种土壤之间。
(3)输水流量与地下水水位
对于某一级固定渠道，输水流量愈大，流速愈快，水流传播时间较短，流量渗漏损失相对较小，渠系水利用系数大：反之，渠道输水流量愈小，流速愈慢，水流传播时间较长，流量相对渗漏损失量愈大，渠系水利用系数小。反映渠道水量损失率与输水流量之间相关关系的经验公式如下：
（1）
式中：
——渠道单位长度水量损失率；
K——土壤透水性系数；
M——土壤透水性指数；
Qj——渠道净流量（m3/s）。
某灌区渠道水量损失率与输水流量的关系如表1。
表1 渠道损失水量与输水流量关系表
项 目 | 流量（m3/s） | 0.5 | 1 | 5 | 10 |
损失流量（m3/s） | 壤土 砂土 | 0.03 0.044 | 0.039 0.059 | 0.065 0.099 | 0.079 0.107 |
公里损失率（%） | 壤土 砂土 | 6 8.8 | 3.9 5.9 | 1.3 2 | 0.79 1.2 |
灌区地下水水位的高低，直接影响渠系水利用系数的大小。当灌区地下水位较高时，地下水顶托渠系水，减少渠系水的下渗的水力梯度和储水空间，对渠系水的下渗起到抑制的作用，从而提高渠系水的利用系数。当地下水水位高于渠道水位时，地下水还会“反补”渠道水，出现渠系系数大于1的现象，根据实测资料，宝清县宝石河灌区干
渠最大渠系系数为1.05，建三江种子站灌区支渠最大渠系系数为1.10、北引乌北干渠最大渠系系数为 1.57 。反之，当灌区地下水位较低时，则会有利于渠系水的下渗，降低渠系水的利用系数
1.2 渠系水利用系数测定的基本方法
(1)静态测定法
《节水灌溉技术规范》对此法的要求为：“应选择一段具有代表性的渠段，长度为50～100m，两端堵死，渠道中间设置水位标志，然后向渠中充水，观测该渠段内水位下降过程，根据水位的变化即可出损失水量和渠系水利用系数。”对具体的测定步骤和计算方法规范并未提及。笔者认为，上述方法所要求的渠道长度过短，代表性不强，且未考虑流量变化对损失率的影响，因此对于斗渠及以上各级渠道的测定不宜采用此方法。但对于渠道较短，流量较小的农渠或毛渠采用静态测定法还是合适的。渠系系数应按下列方法计算。
（2）
式中：η——渠渠系系数；
、
——观测开始时和观测结束时相应水深的渠道断面面积；
L——该级渠道的平均长度；
ΔL——代表渠段的长度；
Δ
——观测开始至观测结束的时间。
（3）
式中：V——渠道水的平均流速。
(2)动态测定法
根据渠道布置情况，选择中间无支流、长度满足要求的代表性渠段，观测上、下游两个断面同一时段的流量，通过量化渠道损失水量的方法推求渠道水利用系数。代表渠段渠道水利用系数用以下公式计算：
（4）
式中：
——代表渠段的渠道水利用系数；
——代表渠段上、下断面的流量。
干渠、支渠、斗渠和农渠各级渠道的水利用系数η渠系用以下公式计算：
（5）
将（4）、（5）式整理合并得：
（6）
全灌区渠系水利用系数用下式
（7）
式中：
——全灌区的渠系水利用系数；
、
、
、
——干渠、支渠、斗渠、农渠各级渠道的渠系水利用系数。
1.3 渠系水利用系数的测定
1.3.1 代表渠段的选择
代表渠段选择应遵循如下基本原则：一是所选的典型渠道能代表整个灌区的同级渠道的平均水平，渠道的土质、防渗措施、输水流量的大小和工程完好率等指标应与全灌区该级渠道相接近。二是为减少工作量，可采取抽样测量，但测渠应有足够的数量：对于大型灌区，总干渠1条，干渠不少于2条，支渠不少于2条，斗渠不少于3条，农渠不少于4条；对于小型灌，干渠1条，支渠不少于2条，斗渠不少于2条，农渠不少于3条。三是所选的渠段要有足够的长度：流量小于1m3/s，长度不小于1km；流量小于1～10m3/s，长度不小于3km；流量小于1m3/s，长度不小于5km；流量小于10～30m3/s，长度不小于10km，在满足上述条件的前提下，代表渠段的长度尽量接近灌区同级渠道的平均长度。
1.3.2 流量测验
短距离小流量状态下，推求渠系水利用系数可能产生的最大误差是流量测验误差。因此对流量测验的精度必须引起足够的重视，引起流量测验的误差，主要包括控制断面选择的误差、测流仪器本身的误差和测宽、测深、测速时产生的误差。为了减少误差，提高流量测验精度，流量测验应尽量满足下列要求。
(1)测流断面：测流断面应选择在渠道顺直，断面稳定，水流均匀，无回流或水流脉动较小的地方；当测流断面生有水草或出现淤积时应对渠道进行整治，整治长度宜大于渠道水面宽的5倍，必要时要用木板或水泥板对断面进行衬砌处理。
(2)测流仪器:干渠和支渠流量和水深条件较好，LS25-1、LS-10型等常规流速仪的测定范围即可满足测深和测速的要求，因此干渠和支渠的流量测验可选用上述常规的仪器。斗渠和支渠的水深和流速均较小，采用常规的仪器无法施测或不能保证精度，宜采用专门测量低水位、小流速的ADV等新型仪器。流速仪应选择新的或使用时间短的，若使用两台流速仪同时测流，要进行比测，作一致性修正。观测农渠流入水稻格田水量时，由于流量很小
水位变化较快，无法用流速仪测流，此时应采用V型量水堰,通过观测水位和时间的方法测量流入田间的水量。
(3)测量精度：测长和测宽最好用钢尺量测，重复三次，取平均值。测深垂线按精密水道断面要求布设，控制断面地形转折变化，水深要读到毫米。测速垂线按精测法布设，测点按三点法和五点法，测流不低于100秒，测量的流速计至小数后三位，特别小时流速可计至小数后三位。流量成果到小数后四位。
(4)测次安排：通过上述渠系水利用系数影响因素分析可知，对于同一代表渠段，渠道的防渗措施和土壤组成对下渗损失及渠系系数的影响是固定不变的，此时引起渠系系数产生变化的主要原因将取决于渠道的工作方式、输水流量的大小和灌区地下水水位的高低。受作物需水的控制和降水、回归水的影响，渠道不同时期的输水流量和地下水位，在不同的阶段都有较大的差异，因此流量的测验应贯穿整个灌溉期，根据灌溉制度选择几个代表时段分别测量，以求得整个灌溉期的平均值。
1.3.3 渠系水利用系数分析计算
(1)每级渠道的平均值
将实测流量代入（6）式求得单次渠系系数计算成果，然后考虑输水流量大小对渠系系数的影响，采用流量权重系数法计算每级渠道渠系系数的平均值：
（8）
式中：η平均——每级渠道渠系系数的平均值；
Qi、Q——单次测验流量、各单次测验流量之和。
(2)渠系系数的修正
上述计算考虑了渠道长度和流量变化对渠系系数的影响，未包括地下水顶托作用对渠系系数的影响。地下水的顶托作用可以从两方面理解：一方面地下水抑制渠道水下渗，只要埋深适宜就会起到降低下渗强度、减少输水损失的作用，据有关资料，当渠道净流量达到100m3/s时，埋深为25m的地下水仍会起到顶托作用，影响渠系水的下渗，真正意义上的自由下渗并不存在，因此当地下水埋藏较深时，这一影响因素在计算时可不予考虑。另一方面，当渠首引水量小、地下水埋深很浅时，渠系水和地下水补排关系发生改变，形成“倒比降”，造成地下水“反补”渠系水，导致渠系系数明显偏大，甚至出现渠系系数大于1于的不合理现象时，地下水对渠系系数的影响影就必须在计算时予以考虑。在土地平整的稻田区，来自于区外的测向径流可以忽略不计，此时，补给渠道的地下水量主要来源于大气降水和进入田间的灌溉水，其中由灌溉水形成的回归水量在前期的渠道水测量中已被测到，属重复水量，在计算时应予以扣除。为此，本文水引入K1和K2两个修正系数，用来修正地下水“反补”现象对渠系系数的影响，修正方法如下：
（9） 
（10）
式中：η修正——修正后的渠系系数；
生育期设计灌溉定额（m3）；
灌溉期有效降水量（m3）；
β——回归系数，结合灌溉水利用系数测定工作，用水平衡法确定。
受条件限制无法确定回归系数
时，亦可用如下方法对渠系系数进行修正：
（11）
（12）
（13）
（14）
式中：
——受地下水影响的渠道单位长度水量损失率；
——考虑地下水影响的渠道渗水损失修正系数；
——地下水埋深；
——渠道净流量；
a、b、c——分别为系数和指数。
根据有关提供的数据， 将、
和与之对应
代入(14)式，利用计算机采用最小二乘法对a、b、c三个参数进行率定，求得计算
值的经验公式如下：
（15）
本文按上述方法计算的宝清县宝石河灌区渠系系数单次测定成果如表2。
表2 宝清县宝石河灌区渠系系数计算成果 | |||||||||||||
项 目 | Qs (m3/s) | Qx (m3/s) |
| σ | β | D |
| K1 | K2 | η代表 | η平均 | η修正1 | η修正2 |
干 渠 | 1.224 | 1.125 | 1.4 | 0.14 | 0.10 | 3.0 | 0.83 | 0.07 | 0.97 | 0.92 | 0.89 | 0.86 | 0.82 |
注：η修正1系由K1修正的值，η修正2系由K2修正的值。
2 田间水利用系数
2.1 田间水利用系数的基本方法
田间水利用系数净灌水定额与末级固定渠道放出的单位面积灌水量的比值。对于稻田来说，灌区灌溉水可分为水田泡田期水稻生育期两个阶段，由于泡田期和生育期水田的灌水和耗水方式差异很大，因此应分别测定田间水利用系数，采用水量加权的方法计算全灌区整个灌溉期的田间水利用系数。
（16）
（17）
（18）
式中：η田间、η泡田、η生育——全灌区田间水利用系数、泡田期田间水利用系数、生育期田间水利用系数；
M泡田、M生育——泡田期和生育期设计灌溉定额；
W泡田、W生育——泡田期和生育期的灌水量。
2.2 参数的测定
(1)泡田期净灌溉定额
泡田期净灌溉定额可采用计算法（计算设计灌水定额）或实测法确定，本文仅介绍后一种方法。采用实测法时，泡田期的净灌溉定额按如下方法计算： 
（19）
式中：M泡田——泡田期的净灌溉定额（mm）；
——稻田犁底层深度(m);
——稻田H2深度内土壤平均容重（t/m3）；
——
深度内土壤饱和含水率；
——深度内泡田开始时的土壤含水率；
——插秧时所需水层深度；（mm）；
——泡田期日平均渗漏量（mm/d）；
——泡田期日平均水面蒸发量（mm/d）；
——泡田期天数(d)；
——时段内的降水量（mm）。
1)土壤含水量的测定：在灌区中选择土地平整、田埂封闭较好的格田作为典型地块，沿水流方向布设测线，在测线的上、中、下游各选3个测点，从地表以下10cm、20cm、30cm处取土。采用称重法测定泡田开始时的土壤含水量，采用浸泡法测定饱和土壤含水量，分别进行算术平均后即可求得和。
2)泡田期日平均渗漏量的测定：待耙田结束、水层稳定后，在选择的典型格田内布设高程控制点，用带有“静水”措施的测针观读田间水层的水位变化，同时安装普通雨量计和20cm口径蒸发皿观测逐日降水量和蒸发量，然后用下列公式计算渗漏量：
（20）
式中：
——前一天的水层水位（mm）；
——当天的水层水位（mm）；
——时段内的降水量（mm）；
——20cm口径蒸发皿水面蒸发量（mm）；
——20cm口径蒸发皿对E601蒸发皿的折算系数。
(2)泡田期灌水量
进入田间的水量，流量小、水位变化大，用流速仪测流不能保证精度，推荐采用V型量水堰测流，用水力学公式法计算进入田间的灌水量。具体方法是：首先对进水口进行休整，然后安装量水堰和自计水位计，观测整个灌水期的水位变化过程，最后根据水深和灌水时间计算出进入田间的灌水量W泡田。
(3)生育期净灌水定额
我省水田大都实施淹灌，整个生育期除水稻黄熟期和晒田期水层落干外，田面上始终留有一定深度的水层，在保持水层的淹灌阶段，水的消耗表现为淹灌水层的变化，从前一次灌水结束到下一次灌水开始这一阶段，稻田的水量平衡方程为：
（21）
（22）
式中：
——生育期阶段净灌水定额（mm）；
——日平均田间耗水量（mm）；
——下一次灌水开始时田间剩余的水层深度(mm)，当h4大于设计水层深h设计时取h4 等于h设计；
1——前一天的水层深度（mm）；
——当日的水层深度（mm）；
h3——时段内的排水深度（mm）；
——时段内的降水量（mm）。
由上述水量平衡方程可知，只要我们在水稻生育期选择一次（多次）完整的灌水过程（本次灌水与下一次灌水间隔时间较长），通过连续观测代表地块水深和降水量的变化（当有排水时可通过观读排水前和排水后的水深计算排水量），即可计算出生育期某一阶段的净灌水定额。我们在测定建三江农科所灌区和七星农场种子站灌区灌水定额时采用了上述方法，取得了较好的效果。
(4)生育期灌水量
田间灌水量采用水深法测定。在返青期和晒田后期，选择土地平整、田埂质量好、田间无水层的格田作为代表地块，布设2～3处水深观测点，用有防风浪措施的水深观测仪器观测灌水结束时田间的水层深度，同时记录本次灌水所需要的时间，然后用下列方法计算进入田间的水量：
（23）
式中：W生育——进入田间的灌水量（mm）；
E单位——单位时间耗水量（mm/h），由E日耗换算求得；h5——灌水刚结束时田间水层深度（mm）；
t3——本次灌水从开始至结束的时间（h）。
2.3 田间水利用系数计算
用泡田期的净灌溉定额除以泡田期的灌水量求得泡田期的田间水利用系数，将生育期的净灌溉定额除以生育期的灌水量求得生育期的田间水利用系数，将其一并代入公式（18）后即可求得全灌溉期的田间水利用系数。按上述方法计算了七星农场种子站灌区田间水利用系数，计算结果：泡田期田间水利用系数为0.93，生育期田间水利用系数为0.96，灌区整个灌水期的田间水利用系数为0.95。
3 灌溉水利用系数
灌区灌溉水利用系数的大小体现了灌区水利用效率的整体水平，其数值等于渠系系数与田间水利用系数的乘积。上述渠系系数和田间水利用系数的计算成果表明，灌区的水量损失主要来源于渠道的输水损失。因此，加强灌区的防渗工作，提高渠道的管理水平，对提高灌溉水的利用效率，促进水资源的可持续利用具有非常重的意义。本文对灌区水利用系数这一反映灌溉工程质量、灌溉技术和灌区用水水平的一项综合指标的测定方法进行了分析和探讨，方法简单实用，可操作性较强，可供有关人员在今后开展此类工作时。笔者水平有限，望有关专家能对文中的不足之处给予批评指正。
参考：
[1]中华人民共和国水利部，《节水灌溉规范》SL207-98
[2]国家质量技术质量监督局、中华人民共和国建设部，《灌溉与排程设计规范》GB50288-99
[3]中华人民共和国水利部，《灌溉试验规范》SL13-2004
[4]朱庭芸主编，《水稻灌溉的理论与技术》，水利电力出版社，1998