長藤結瓜灌區灌溉水有效利用系數計算方法與流程

本發明涉及灌溉用水效率評價技術領域，具體地，涉及兩種長藤結瓜灌區灌溉水有效利用系數的計算方法。

背景技術：

灌溉水有效利用系數是我國最嚴格水資源管理制度與節水型社會建設的重要考核指標。灌溉水有效利用系數指某一時期灌入田間可被作物利用的水量與水源地灌溉取水總量的比值，能反映灌區內降雨、土壤水、地下水和地表水等綜合利用程度。《水利改革發展“十三五”規劃》提出到2020年農田灌溉水有效利用系數提高到0.55以上。

國內普遍采用首尾測算分析法和典型渠段測量法計算灌溉水有效利用系數。首尾測算分析法是直接測量田間實際凈灌溉用水量和統計灌區從水源引入的毛灌溉用水量，其比值即反映灌溉用水效率，并以年為周期進行計算。典型渠段測量法是選擇具有代表性的典型渠道測量流量及水量，計算各級渠道的渠道水利用系數，再根據渠系布置形式、越級現象和回歸水利用等對結果進行修正。長藤結瓜灌區大中小型水庫、塘堰、泵站等水源工程種類數量繁多，多水源多用戶調度復雜，輸配水分區縱橫交錯。目前首尾測算分析法對于塘堰的灌溉供水量采用的是經驗值，不同的水文年型均取用同一值，難以反映年際之間的變化；典型渠段測量法按干支斗農各級渠道水利用系數相乘法計算，則因渠道級數多、干渠長可能導致渠系水利用系數偏低；兩者均不利于長藤結瓜灌區灌溉水有效利用系數的考核與評估。

國際水管理研究院(iwmi)從水資源利用的角度提出了新的灌溉水利用效率評價理念，perry基于水資源管理的觀點提出了考慮回歸水重復利用的灌溉水利用效率指標。這些指標的理論及概念嚴謹合理，但在我國應用的過程中存在一些問題，由于灌區數據積累不夠豐富，取用水監測體系不健全，指標中的一些要素難以確定。

因此，需要研究和探討適合長藤結瓜灌區灌溉水有效利用系數的計算方法。

技術實現要素：

本發明針對現有技術的不足，提供基于水量平衡的長藤結瓜灌區灌溉水有效利用系數的計算方法，能科學合理的反映南方灌區的灌溉用水效率。

長藤結瓜灌區的灌溉水有效利用系數的計算方法包括水平衡首尾法和水平衡渠段法。

本發明提供一種長藤結瓜灌區的灌溉水有效利用系數的計算方法，具體為水平衡首尾法，包括以下步驟：

步驟1，通過現場查勘和調查分析，收集灌區的基礎數據和經驗值，基礎數據包括氣象資料、水庫的灌溉供水量w庫、作物系數kc和灌區灌溉面積s灌，經驗值包括田間滲漏量s、泡田定額mo、地下水利用量g和降雨入滲系數α；

步驟2，根據灌區的基礎數據和經驗值，計算灌區的凈灌水量w凈：

步驟3，從灌區選取典型區域，計算灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘：

式中，典型區域的面積s典，灌區灌溉面積s灌，塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w典塘，若典型區域只由塘堰供水灌溉，則w典塘采用計算，若典型區域有渠道對塘堰的補給，則w典塘采用計算，其中第m天的塘堰的供水量wm，wm＝vm-vm+1-(et塘+s塘)，第m天的塘堰水量vm，第m+1天的塘堰水量vm+1，塘堰日均蒸發量et塘，塘堰日均滲漏量s塘，et塘+s塘＝(vk-vk-n)/n，塘堰水位緩慢下降階段的起始水量vk，連續n天塘堰水位緩慢下降的終止水量vk-n，塘堰補水量w渠；

步驟4，計算灌溉水有效利用系數η，

灌溉水有效利用系數η等于整個灌區的凈灌水量w凈與整個灌區的毛灌水量w毛的比值，其中整個灌區的毛灌水量w毛＝w塘+w庫，整個灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘，整個灌區水庫的灌溉供水量w庫。

上述步驟2中，灌區的凈灌水量w凈的計算過程如下：

①根據氣象資料利用彭曼公式計算參考作物騰發量et0，通過作物系數kc與參考作物騰發量et0乘積得到實際騰發量etc；②根據作物生育期內的降雨量p與降雨入滲系數α乘積得到生育期有效降雨量pe；③根據m凈＝etc+s+mo-pe-g計算凈灌溉定額m凈，其中作物的實際騰發量etc、生育期有效降雨量pe、田間滲漏量s、泡田定額mo、地下水利用量g，再根據w凈＝m凈×s灌計算灌區的凈灌水量w凈，s灌為灌區的灌溉面積。

上述步驟3中，若典型區域內的灌溉用水只來源于塘堰，需記錄各塘堰生育期內每天的水位；若典型區域內的渠道對塘堰補充水量，需記錄各塘堰生育期內每天的水位和記錄塘堰補水量w渠。

上述步驟3中，通過谷歌地球測量每個塘堰的表面積，通過每個塘堰的表面積與水位的乘積計算每個塘堰的容積。

上述參考作物騰發量et0采用彭曼公式計算：

式中，rn為太陽凈輻射，以蒸發的水層深度計，mm/d，可用經驗公式計算，從有關表格中查得或用輻射平衡表直接測取；q為土壤熱通量，w/m²；γ為濕度計常數，γ＝0.66hpa/℃；t為2m高處日平均氣溫，℃；u2為2m高處風速，m/s；ea為飽和水汽壓，pa；ed為實際水汽壓，pa；δ為飽和水汽壓濕度曲線斜率。

本發明還提供另一種長藤結瓜灌區的灌溉水有效利用系數的計算方法，具體為水平衡渠段法，包括以下步驟：

步驟1，通過現場查勘和調查分析，收集灌區的基礎數據，基礎數據包括水庫的灌溉供水量w庫和灌區灌溉面積s灌；

步驟2，從灌區選擇典型田塊，計算田間水有效利用系數η田；

步驟3，計算塘堰供水比pt：

式中，水庫的灌溉供水量w庫，灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘計算過程如下，

式中，典型區域的面積s典，灌區灌溉面積s灌，塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w典塘，若典型區域只由塘堰供水灌溉，則w典塘采用計算，若典型區域有渠道對塘堰的補給，則w典塘采用計算，其中第m天的塘堰的供水量wm，wm＝vm-vm+1-(et塘+s塘)，第m天的塘堰水量vm，第m+1天的塘堰水量vm+1，塘堰日均蒸發量et塘，塘堰日均滲漏量s塘，et塘+s塘＝(vk-vk-n)/n，塘堰水位緩慢下降階段的起始水量vk，連續n天塘堰水位緩慢下降的終止水量vk-n，塘堰補水量w渠；

步驟4，計算渠系水利用系數η渠，

η渠＝η干η支η斗η農η毛，

式中，η干、η支、η斗、η農、η毛分別為干、支、斗、農、毛級渠道的渠道水利用系數，

灌區的渠道一般包括干渠、支渠、斗渠、農渠、毛渠等不同級別，根據根據灌區渠系的基本布局、渠系工程建設的基本情況、灌區的自然社會環境等，每級渠道均選擇具有代表性的典型渠段。在渠道放水灌溉期間，測量典型渠段上下游斷面的流量，計算單位長度輸水損失率σ典，通過調研獲得渠道放水的實際長度l，計算各級渠道的渠道水利用系數η渠道，各渠道水利用系數相乘即為渠系水利用系數η渠；

步驟5，計算灌區的灌溉水有效利用系數η：

η＝(1-pt)η渠η田+ptη泵η田，

式中，田間水有效利用系數η田，塘堰供水比pt，為水泵輸水效率η泵，渠系水利用系數η渠。

上述步驟2中，田間水有效利用系數η田的計算過程如下：

η田＝(m泡田+m生長)/m

式中，整個生育期末級渠道灌入田間的水量m；生長期灌水定額m生長，若灌水前田面有水層，m生長1＝h1-h2，灌水結束后田面水深h1，灌水開始時田面水深h2，若灌水前田面無水層，m生長2＝h1+h2，不考慮入滲的灌水深度h1，為灌溉過程中入滲的水量h2；泡田期灌水定額m泡田，m泡田＝10³γh(ω1－ω2)+h+(e+f)t-p，h為犁底層平均深度，cm；γ為犁底層內的土壤容重，g/cm³；ω1為犁底層的土壤飽和含水量；ω2為犁底層泡田開始之前土壤平均含水量；h為插秧時所需的水層深度，mm；e為泡田期日均水面蒸發量，mm/d；f為泡田期日均滲漏量，mm/d；p為泡田期內降水量，mm；t為泡田天數，d；泡田期日均滲漏量f＝z1-z2+p+e，z1為前一天水層水位，mm；z2為當天的水層水位，mm；p為時段內的降雨量，mm；e為e601蒸發皿水面蒸發量，mm。

上述步驟4中，各級渠道的渠道水利用系數η渠道的計算過程如下：

η渠道＝1-σ渠道l渠，

l渠為該級渠道的行水長度，σ渠道為渠道平均單位長度輸水損失率，l典i為某典型渠段的長度，典型渠道單位長度的輸水損失率σ典，σ典＝[k2+(k1-1)(1-k2)]δ典/l典，δ典＝1-q尾/q首，k1＝1+q尾/q首，典型渠段的輸水損失率δ典，典型渠段的長度l典；輸水系數k1，渠首流量q首，渠尾出流流量q尾，分水系數k2。

本發明與現有技術相比，具有如下有益效果：

本發明的水平衡首尾法和水平衡渠段法，為長藤結瓜灌區的灌溉水有效利用系數的計算提供了新思路，考慮了塘堰的灌溉作用，以水量平衡原理為基礎，并給出了具體試驗方法，用于計算其攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量；對于水平衡渠段法，在傳統計算公式中加入了塘堰供水比。因此，本發明的兩種方法，能更科學合理地評價長藤結瓜灌區的灌溉水有效利用系數，并具有可操作性。

本發明的水平衡首尾法和水平衡渠段法，從水量平衡的角度全面衡量了灌區的灌溉水有效利用系數，適用于水源復雜的長藤結瓜灌區。兩種方法的計算結果可以互為參考，提高準確性。

附圖說明

圖1為長藤結瓜灌區的水平衡關系；

圖2為水平衡首尾法的測算方法的流程示意圖；

圖3為水平衡渠段法的測算方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進一步說明本發明，長藤結瓜灌區的水平衡關系見圖1。

長藤結瓜灌區的水平衡關系如圖1；圖1中wr-p為水庫補充塘堰的水量，m³；wr-f為從水庫直接進入田間的水量，m³；wp為塘堰攔蓄的入流，m³；ep為塘堰水面蒸發，m³；sp為塘堰滲漏損失，m³；fp為塘堰出流，即超過塘堰最大容量的水量，m³；δwp為塘堰容量變化，m³；wp-f為塘堰灌溉供水量，m³；δwi為輸配水過程中損失的水量，m³。

由圖1可知，塘堰水量平衡公式：

w′r1-p+w′r2-p+wp＝ep+sp+fp+wp-f+δwp

水庫r1的灌溉供水量：

wr1＝wr1-f+wr1-p+wr1-r2

水庫r2的灌溉供水量：

wr2＝wr2-f+wr2-p

灌區的毛灌水量為灌入田間的水量和輸送過程中損失的水量，即

灌區的灌溉水有效利用系數η：

式中：η為灌溉水有效利用系數；w凈為凈灌水量，m³；w′r1-r2表示大型水庫對中小型水庫的補水量，一般有較詳細的資料；wr1+wr2-w′r1-r2為多水庫的灌溉供水量w庫，其中補充塘堰的水量來源于水庫，最終進入田間，依據來源，把這部分水量劃分在水庫的供水量中；wp-ep-sp-fp-δwp為塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘。

灌溉水有效利用系數η可簡化為：

水平衡首尾法，見圖2，包括步以下步驟：

步驟1：通過現場查勘和調查分析，收集灌區的基礎數據，基礎數據包括：氣象資料、水庫的灌溉供水量w庫、作物系數kc、灌區灌溉面積s灌；根據灌區長期觀測資料或者田間試驗獲取經驗值，經驗值包括：田間滲漏量s、泡田定額mo、地下水利用量g、降雨入滲系數α；

步驟2：利用基礎數據，計算灌區的凈灌水量w凈，進一步包括如下步驟：

2.1根據氣象資料利用彭曼公式計算參考作物騰發量et0，再由作物系數kc計算作物的實際騰發量etc；

式中：et0為參考作物騰發量，mm；rn為太陽凈輻射，以蒸發的水層深度計，mm/d，可用經驗公式計算，從有關表格中查得或用輻射平衡表直接測取；q為土壤熱通量，w/m²；γ為濕度計常數，γ＝0.66hpa/℃；t為2m高處日平均氣溫，℃；u2為2m高處風速，m/s；ea為飽和水汽壓，pa；ed為實際水汽壓，pa；δ為飽和水汽壓濕度曲線斜率。

etc＝kcet0(2)

式中：etc為作物的實際騰發量，mm；kc為作物系數

2.2根據降雨資料計算作物生育期內的降雨量p，查找降雨入滲系數α，計算生育期有效降雨量pe；

pe＝αp(3)

式中：p為降雨量，mm；α為降雨入滲系數，與一次降雨量、降雨強度、降雨延續時間、土壤性質、地面覆蓋及地形等因素有關。

2.3根據作物的實際騰發量etc、生育期有效降雨量pe、田間滲漏量s、泡田定額mo，利用水量平衡原理，計算凈灌溉定額m凈；

m凈＝etc+s+mo-pe-g(4)

式中：m凈為凈灌溉定額，mm；etc為作物的實際騰發量，mm；s為田間滲漏量，可通過試驗等方式確定，mm；mo為泡田定額，可通過試驗等方式確定，mm；pe為生育期有效降雨量，mm；g為地下水利用量，mm。

根據灌區的灌溉面積s灌計算凈灌水量w凈；

w凈＝m凈×s灌(5)

式中：w凈為凈灌水量，m³；s灌為灌溉面積，m²。

步驟3：通過塘堰水位觀測，計算整個灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘，進一步包括如下步驟：

3.1從灌區選取典型區域，若典型區域內的灌溉用水只來源于塘堰，每個塘堰均安裝水尺，記錄生育期內每天的塘堰水位；若典型區域內渠道對塘堰補充水量，則除需記錄生育期內每天的塘堰水位外，還需在塘堰進口安裝量水堰，記錄塘堰補水量w渠；

3.2通過谷歌地球測量典型區域內每個塘堰的表面積si，

在觀測典型區域塘堰水位變化過程，發現其每日水位下降幅度遠小于塘堰深度，故把塘堰容積近似當做棱柱進行計算：

vj＝si×hj(7)

式中：vj為第j天的塘堰水量，m³；hj為第j天的塘堰水位，m；si為第i個塘堰的表面積。

結合觀測的水位過程，計算區域內塘堰日均蒸發量et塘、日均滲漏量s塘和典型區域塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w典塘；

若連續n天塘堰水位緩慢下降，表明沒有發生降雨和灌溉，則塘堰減少的水量為塘堰滲漏和蒸發的水量：

et塘+s塘＝(vk-vk-n)/n(8)

式中：et塘為塘堰日均蒸發量，m³；s塘為塘堰日均滲漏量，m³；vk為塘堰水位緩慢下降階段的起始水量，m³；vk-n為連續n天塘堰水位緩慢下降的終止水量，m³；n表示這一階段的天數。式(8)右式表示在不發生降雨和灌溉階段，塘堰水位平均每天下降的水位，即為蒸發和滲漏的損失。

塘堰水位下降明顯則表明進行了灌溉，其供水量為：

wm＝vm-vm+1-(et塘+s塘)(9)

式中：wm為第m天的塘堰的供水量，m³；vm表示第m天的塘堰水量，m³；vm+1表示第m+1天的塘堰水量，m³。

若選擇的典型區域只由塘堰供水灌溉，塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量：

式中：w典塘為典型區域塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量，m³。

若選擇的典型區域有渠道對塘堰的補給，塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量：

式中：w渠為典型區域內渠道對塘堰補充的水量，m³。

3.3按照典型區域面積s典和灌區灌溉面積s灌的比值，把典型區域內塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w典塘換算成整個灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘

式中：w塘為整個灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量，m³；s典為典型區域的面積，m³；s灌為灌區灌溉面積，m³。

步驟4：整個灌區的毛灌水量w毛計算如下：

w毛＝w塘+w庫(13)

式中：w毛為整個灌區的毛灌水量，m³；w庫為整個灌區水庫的灌溉供水量，m³。

步驟5：灌區的凈灌水量與毛灌水量的比值即為灌溉水有效利用系數。

式中：η為灌溉水有效利用系數；w凈為整個灌區的凈灌水量，m³。

水平衡渠段法，見圖3，包括以下步驟：

步驟1：通過現場查勘和調查分析，收集灌區的基礎數據，基礎數據包括水庫的灌溉供水量w庫和灌區的灌溉面積s灌；

步驟2，田間水有效利用系數

2.1根據地形部位、土壤類型、灌溉制度與方法等代表性方面從灌區選擇典型田塊，生育期內進行灌溉時用水管抽水灌溉，在水管末端安裝水表，記錄每次的灌水量，累加即為整個生育期內末級渠道灌入田間的水量m；

2.2凈灌溉定額的計算以水稻為例，劃分為泡田期和生長期進行計算；

泡田期灌水定額為：

m泡田＝10³γh(ω1－ω2)+h+(e+f)t-p(15)

式中：h為犁底層平均深度，cm；γ為犁底層內的土壤容重，g/cm³；ω1為犁底層的土壤飽和含水量；ω2為犁底層泡田開始之前土壤平均含水量；h為插秧時所需的水層深度，mm；e為泡田期日均水面蒸發量，mm/d；f為泡田期日均滲漏量，mm/d；p為泡田期內降水量，mm；t為泡田天數，d；

其中，泡田期日均滲漏量的計算方法：

f＝z1-z2+p+e(16)

式中：z1為前一天水層水位，mm；z2為當天的水層水位，mm；p為時段內的降雨量，mm；e為e601蒸發皿水面蒸發量，mm。

水稻生長期的灌水定額分為灌水前有水層和無水層，

若灌水前田面有水層：

m生長1＝h1-h2(17)

式中：h1為灌水結束后田面水深，mm；h2為灌水開始時田面水深，mm；

若灌水前田面無水層：

m生長2＝h1+h2(18)

式中：h1為不考慮入滲的灌水深度，mm；h2為灌溉過程中入滲的水量。

田間水有效利用系數：

η田＝(m泡田+m生長)/m(19)

式中：η田為田間水有效利用系數；m泡田、m生長為泡田期、水稻生長期的灌水定額，mm；m為整個生育期末級渠道灌入田間的水量，mm。

步驟3：計算整個灌區塘堰攔蓄降雨和地表徑流提供的灌溉水量w塘，w塘的計算方法同上述“水平衡首尾法”步驟3內容；

根據水庫的灌溉供水量w庫計算塘堰供水比：

步驟4，灌區的渠道一般包括干渠、支渠、斗渠、農渠、毛渠等不同級別，根據灌區渠系的基本布局、渠系工程建設的基本情況、灌區的自然社會環境等，每級渠道均選擇典型渠段；在渠道放水灌溉期間，用聲學多普勒流速剖面儀(acousticdopplercurrentprofilers,簡稱adcp)測量渠段上下游斷面的流量，計算典型渠段的單位長度輸水損失率：

σ典＝[k2+(k1-1)(1-k2)]δ典/l典(21)

δ典＝1-q尾/q首

k1＝1+q尾/q首(22)

式中：σ典為典型渠道單位長度的輸水損失率；δ典為典型渠段的輸水損失率；l典為典型渠段的長度，km；k1為輸水系數；q首為渠首流量，m³/s；q尾為渠尾出流流量，m³/s；k2為分水系數，因實際分水情況復雜，為便于推廣，假定渠道是線性均勻分水，取k2＝0.5。

渠道平均單位長度輸水損失率σ渠道由典型渠道單位長度的輸水損失率σ典和各典型渠段的長度l典i加權平均得到：

式中：σ渠道為渠道平均單位長度輸水損失率；l典i為某典型渠段的長度，km。

通過調研獲得渠道放水的實際長度，計算各級渠道的渠道水利用系數：

η渠道＝1-σ渠道l渠(24)

式中：η渠道為各級渠道的渠道水利用系數；l渠為該級渠道的行水長度，考慮南方灌區渠系分布廣，一般是渠道的部分渠段通水，因此使用實際通水渠道長度進行計算，km。

各級渠道的渠道水利用系數均可通過式(24)得到，相乘即為渠系水利用系數：

η渠＝η干η支η斗η農η毛(25)

式中：η渠為渠系水利用系數，η干、η支、η斗、η農、η毛分別為干、支、斗、農、毛級渠道的渠道水利用系數。

步驟5，計算灌區的灌溉水有效利用系數，進一步包括如下步驟：

根據實地調研，南方長藤結瓜灌區的塘堰水一般通過水泵或者農渠灌入田間，農渠的渠系水利用系數在步驟4中已獲得，水泵的輸水效率可由當地調研或者實驗獲取，與田間水有效利用系數相乘，即為塘堰的灌溉效率，或者直接取經驗值0.9；水庫的灌水效率為渠系水利用系數與田間水有效利用系數的乘積；根據灌溉供水量把塘堰和水庫的灌水效率進行加權，即為整個灌區的灌溉水有效利用系數。

η＝(1-pt)η渠η田+ptη泵η田(26)

式中：η泵為水泵輸水效率。

本發明的水平衡首尾法和水平衡渠段法，從水量平衡的角度全面衡量了灌區的灌溉水有效利用系數，適用于水源復雜的長藤結瓜灌區。兩種方法的計算結果可以互為參考，提高準確性。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。