灌溉水利用系数的测定计算方法.ppt

1,灌溉水利用系数的测定计算方法,水利部农田灌溉研究所,高 峰,灌溉试验方法与新技术,研讨,2,主 要 内 容：,1、灌溉水利用系数的内涵2、田间水利用系数的测定方法3、渠系水利用系数测定计算法4、灌溉水利用系数测定计算法5、灌溉水利用系数测定方法应用实例,3,1、灌溉水利用系数的内涵,灌溉水利用系数是指在一次灌水期间被农作物利用的净水量与水源渠首处总引进水量的比值。是衡量灌溉水利用程度的一个重要指标，也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理水平的一项综合指标。灌溉水利用系数也是领导宏观决策的重要依据。在我国行业标准节水灌溉技术规范中规定：灌区的灌溉水利用系数,大型灌区不应低于0.50；中型灌区不应低于0.60；小型灌区不应低于0.70；井灌区不应低于0.80；喷灌区、微喷灌区不应低于0.85；滴灌区不应低于0.90。,4,目前许多灌区没有经常系统测定灌溉水利用系数，其主要原因是：(1)测量工作量很大 如广西自治区，在20世纪80年代初期，对全区22个重点灌区进行渠系水利用系数测试，当时投资了88万元，累计实测灌区各级渠道长5923.2km,实测渠段2640段，参加测试人员3850人。,(2)测试条件要求严格，难以保证 如稳定的流量、测渠段要有一定的长度、测流断面的规范性及测流桥等难以保证。,5,(3)要求掌握测试技术的人员较多 测量时需要大量的人员掌握测试技术，目前对于许多灌区也是难以达到的。如广西自治区在对22个灌区进行灌溉水利用系数测量时，举办了14期测流培训班，参加学习人员达560人次。,(4)灌溉水利用系数的代表性较差 目前我国灌区节水技术改造发展很快,灌溉水利用系数也随之改变，以往某次测定的灌溉水利用系数来代替所有的情况是不合适的。应简化测定方法，经常测定灌溉水利用系数。,6,灌溉水利用系数的影响因素,据河南省人民胜利渠的试验资料，渗、漏和蒸发损失所占比例为81%、17%和2%。,7,从灌区的性质方面来讲影响因素有：,（1）灌区规模的影响 大灌区渠道的级数、数量多，在输配水的过程中渗漏损失大，其有效利用系数就小。反之，灌区小，其灌溉水利用系数就大。（2）渠道级别的影响 渠道级别的影响主要反映在渠道长度和衬砌率上，渠道越长、衬砌率越低，渠道水利用系数越小。,8,（3）不同地区的影响 不同地区其水文气象及地质条件也不同，对灌溉水利用系数的影响也不同。（4）不同灌区类型的影响 一般情况下，渠系水利用系数提水工程灌区比蓄水工程的高，蓄水工程灌区比引水工程灌区高，输水渠道中挖方渠道比填方渠道的渠道水利用系数要大，面积越集中的灌区，灌溉水利用系数越大。,（5）不同灌溉技术的影响 先进的节水灌溉技术必然提高田间作物的水利用效率。,9,灌溉水利用系数可分解为渠系水利用系数和田间水利用系数二部分。可用下式计算：Wj/W0=qt(1),10,q=gzdn(2)S=QX/QS=WX/WS（3）式中：为灌区灌溉水利用系数；Wj为灌溉时能够被农作物利用的净水量；W0为渠首引入的总水量；q为渠系水利用系数；t为田间水利用系数；g、z、d、n分别为干、支、斗、农渠的加权平均渠道水利用系数；S为渠道水利用系数；QX、WX分别为该级渠道同时期放入下一级渠道的流量、水量；QS、WS分别为该级渠道首端进入的流量、水量。,11,对于井渠结合灌区应分别算出井灌水利用系数和渠灌水利用系数，然后根据井灌的地下水利用量与渠灌的渠首引水量进行加权平均：（W11+W0q）/（W1+W0）（4）式中：W1为灌溉时井灌的地下水利用量；1为井灌灌溉水利用系数。,12,田间水利用系数为灌溉水贮存到作物计划温润层中的净水量与从渠系末端进入田间水量的比值。即：t=Wj/Wt（5）式中：Wt为末级固定渠道放出进入田间的总水量，m3。,13,2田间水利用系数的测定方法,根据节水灌溉技术规范（SL207-98），田间水利用系数的测定法分为计算法和实测法。（1）计算法：t=mjAj/Wt（6）式中：mj为设计净灌水定额，m3/hm2；充分灌溉时,根据作物主要根系活动层确定不同作物不同生育期的计划湿润层深度，并据此校核设计净灌水定额。非充分灌溉时,设计净灌水定额可取实际亩均毛灌水量的90%95%，即非充分灌溉条件下的田间水利用系数可取0.9 0.95，亏缺量大时取上限，亏缺量小时取下限。Aj为末级固定渠道控制的实灌面积，hm2。,14,（2）实测法：在灌区中选择有代表性的灌溉地块,通过实测灌水前后(1-3d内)土壤含水量的变化,计算净灌水定额,用下式算出田间水利用系数:t=102（2-1）HAj/Wt（7）式中：1、2分别为灌水前后作物计划湿润层的土壤含水率(以干土重的百分数表示),%；为土的干容重,t/m3；H为作物计划湿润层深度,m。其余符号意义同前。水稻如采用旱作栽培,则田间水利用系数的计算和测定方法同上；如采用淹灌,则净灌水定额为灌后达到田面设计水层深度增加的水量与稳定渗漏量之和。,15,灌水均匀度是影响田间水利用系数的主要因素之一，但灌水均匀度的测定需要采集土样或使用专门的仪器，在生产条件下难以大范围进行。考虑到灌水均匀度往往影响田间亩均毛灌水量，低的灌水均匀度必然导致大的毛灌水量；过量灌水、径流等其他因素的影响也同样反映在毛灌水量上。故一般采用计算法确定田间水利用系数。田间水利用系数调查地块应尽可能选择在渠系水利用系数调查的典型农渠的控制范围内，以利用农渠测定的进入田块的水量作为实际毛灌水量。,16,3 渠系水利用系数测定方法,17,3.1 渠段水利用系数测定方法,渠段水利用系数测定方法分为动水测定法及静水测定法。（1）动水测定法：根据渠道沿线的水文地质条件,选择有代表性的渠段,中间无支流，其长度应满足以下要求:流量小于lm3/s时，渠道长不小于1km；流量为110 m3/s时，渠道长不小于3km；流量为1030 m3/s时，渠道长不小于5km；流量大于30 m3/s时，渠道长不小于10km。观测上、下游两个断面同时段的流量,其差值即为渠段损失水量W段损，由此计算出渠段水利用系数S。,18,（2）静水测定法：选择一段具有代表性的渠段,长度为50100m,两端堵死,渠段中间设置水位标志,然后向渠中充水,观测该渠段内水位下降过程,根据水位变化即可计算出损失水量W段损和渠段水利用系数S。渠段水利用系数S:S=1-W段损/W段首(8),19,由于动水测定法是在实际灌溉运行条件下测定，更接近于实际，而且没有较大的工程量，因此，一般采用动水测定法。测定时要求：选择具有代表性的典型渠道（包括衬砌渠道和未衬砌渠道），其平均防渗率和工程完好率接近全灌区该级渠道的防渗率和工程完好率，使灌溉水利用系数测量精度具有可信度。测流断面应选择在渠段平直、水流均匀、无旋涡或回流的地方，断面应与水流方向垂直。测流段应基本具有稳定规则的断面。应以水量为基础进行灌溉水利用系数的测定。,20,(3)测量步骤确定测量渠道数量 为减少工作量，可采取渠道抽样测量的方法，衬砌与未衬砌渠道分别进行测量:大中型灌区：总干渠 1条，干渠（含分干）2条，支渠 2条，斗渠 3条，农渠3条；小型灌区：干渠1条，支渠 2条，斗渠 2条，农渠2条。井灌区：以县域为单位，以井为单元进行抽样测定。每个县域的典型井数为6眼井，其中3眼井为已建节水灌溉工程，3眼井为未建节水灌溉工程。井的选择要有代表性，应接近县域的渠道防渗率和工程完好率；测定时井的运行状态也应具有代表性。,21,测量典型渠段长度规定如下：流量小于1m3/s时，渠段长度不小于1km；流量为110m3/s时，渠段长度不小于3km；流量为1030m3/s时，渠段长度不小于5km；流量大于30m3/s时，渠段长度不小于10km。测定准备工作全面认真检查拟测渠道，清除测水断面上及附近淤积物和石块等，保持测流断面的完整和通畅。校正水尺零点，如水尺已遭破坏应在测水前及时修复。详细检查已安装的量水设备，如发现有歪、斜、漏水、阻水等情况时应及时采取措施予以恢复。,22,测定时尽量采用流速仪表、量水建筑物测流为宜，采用其他方法时，要用流速仪来率定。测量时段内渠道（渠段）流量应尽可能保持稳定。测定时间间隔为2060分钟，各测量断面可同步测量，也可考虑水流到达各断面时间上的差异，采用非同步测量。,23,数据记录观测水尺时，先读一次，将读数记入相应表内规定的栏中，然后重读一次，以便校核，如记录需要改正时，将错误的数字用双斜线划掉，另填正确的数字。在有风浪影响的情况下，观测水位时，应将最高和最低水位的读数记下，取其平均值。在测量断面进行测流、测速和测水深的同时应记录测流断面尺寸及测量时间。记录表内规定的栏目必须全部观测、逐栏填写，若遇特殊情况无法填写观测时，应在备注栏内说明。测流资料及各种报表要妥善保存，不得损坏或遗失、随意涂抹、挖补修改原始记录。更不得伪造数据，弄虚作假。,24,有关问题的说明渠道弃水应计入管理损失，不属渠系渗漏的范畴；闸门漏水、工程漏水，可作为渠系渗漏损失，但应对漏水情况进行准确描述，作为渠系渗漏的补充说明。,25,(4)损失水量测量时段内的损失水量W损失为：（4）式中：W首测量时段内典型渠段首断面的累计水量；W尾测量时段内典型渠段尾部测量断面的累计水量；Wi测量时段内正常运行的下级渠道的累计水量；W渠测量始末典型渠段蓄水量的变化，增加时取“”号，减少时取“”号。,26,（5）典型渠段的输水损失率典段：典段W损失W首（5）（6）渠段水利用系数典段：典段=1-典段,27,3.2 渠道水利用系数S,28,(1)渠道单位长度的输水损失率渠道 影响渠道水利用系数的因素主要有流量变化情况、沿程分水情况及典型段选择的位置情况，因此，引入k1、k2、k3三个修正系数：K1为输水系数,Q0为渠首流量，Qe为渠尾流量；k2为分水系数，假定渠道沿程按线性分水，则分水系数 k2可以用渠道控制区的宽度来计算：B为渠道控制区的平均宽度；B为渠道首部与尾部控制区的宽度差。若渠道接近均匀分水，则：k20.5；k3 为典型渠段位置修正系数，k3 0.5+L1/L，L1为典型渠段中心点到典型渠道渠首的距离，L为典型渠道的长度。,29,渠道单位长度的输水损失率为：,式中：L典渠段典型渠段的长度。,（6）,30,（2）某级渠道的输水损失率渠：渠=渠道L渠式中：L渠为该级渠道的平均长度,等于该级渠道的总长 度除总条数。（3）某级渠道水利用系数渠：渠=1-渠,31,3.3 渠系水利用系数q,q=gzdn,32,4、灌溉水利用系数测定计算法,1）首尾测定法 2）典型渠段测量法,33,1）首尾测定法,首尾测定法指不必测定灌溉水输、配水过程中的损失,而直接测定灌区渠首引进的水量和最终贮存到作物计划湿润层的水量（即净灌水定额）,从而求得灌溉水利用系数。这样,可绕开测定渠系水利用系数这个难点,减少了许多测定工作量。,灌区第j次灌水的灌溉水利用系数j用式(1)计算:(1)灌区该年的灌溉水利用系数a为：(2)式中mi为灌区第i种作物的净灌水定额；Ai为第i种作物的实灌面积；Wj为第j次灌水渠首总引水量；n为灌区作物种植种类；Wa为灌区渠首年总引水量；k为灌区全年灌溉次数。,也可通过测定灌区渠首年度总引水量、种植作物年度总灌溉定额及各种作物的实灌面积计算灌区该年度的灌溉水利用系数a:(3)式中Mi为灌区某种作物的总灌溉定额。,36,首尾测定法,克服了传统测定方法工作量大等缺点，适用于各种布置形式的渠系，但不能反映渠道输水损失情况等。如，相同的灌溉水利用系数或渠系水利用系数，其渠道水利用系数的分布组合就可能不同，其节水改造效果就会不同。,37,示例如下表：,在损失比较大的渠道上防渗,不仅其节水的程度大，而且，有选择防渗材料的余地。这种情况显然用首尾测定法是分析不出来的。,38,2）典型渠段测量法,qt,39,一般情况下，分析某一级渠道的水利用系数并不困难，但如何合理确定全灌区的灌溉水利用系数则往往令人十分棘手。现行灌区规划理论是按各级渠道水利用系数与田间水利用系数连乘计算灌溉水利用系数的。在实际灌区中,普遍存在越级渠道。有越一级的，有越二级甚至三级的。如在总干渠上直接接斗渠,则跨越了干渠、支渠二级。越级则免损,不考虑越级现象的影响，则过低地估计了渠系水利用系数。因此，在灌区渠道有越级现象时，应进行修正，使计算结果更加符合实际。同时，对非等效并联的渠系及灌溉渗漏水重复利用等也应进行修正。,40,（1）渠道越级输水的修正,设直接从总干渠上取水的斗渠灌溉面积为Al；直接从总干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面积为A2；直接从干渠上取水的斗渠灌溉面积为A3；从干渠上取水的支渠所控制的斗渠灌溉面积为A4；作物净灌溉定额为M。显然A1、A2、A3、A4之和即为全灌区总灌溉面积。实际上各灌溉面积所引的毛水量W为:W=A1M总斗农田A2M总支斗农田A3M总干斗农田A4M总干支斗农田,41,实际灌溉水利用系数为：水=M（A1A2A3A4）WMA（A1M总斗农田A2M总支斗农田A3M总干斗农田A4M总干支斗农田）A（A11A22A33A44）=1（k11k22k33k44）即，一般地，有越级输水时灌溉水利用系数为：水=1/（ki/i）（4-1）式中：i为对应于不同越级形式取水控制面积Ai的灌溉水利用系数；ki为Ai占总面积的权重。,42,如某灌区存在渠道越级输水问题。渠系组成类型就有16种。该灌区渠系水利用系数计算见下表。,43,续上表,44,按传统连乘方法计算渠系水利用系数为0.42，与越级修正后计算的结果0.5522比较，差值较大。认识上大型灌区水利用系数低，没有考虑越级输水问题是主要的人为原因之一。,续上表,45,(2)渠道布置形式的修正,图4-1 等效并联渠道布置,46,图4-2 非等效并联渠道,47,串联渠道是指干、支、斗、农四级渠道首尾依次相接，中间又无分流的灌溉渠系。串联渠道的渠系水利用系数可用各级渠道水利用系数相乘的积来计算。并联渠道为几条下级渠道均由同一条上级渠道供水的组合渠道。一般灌溉面积较大的灌区，干、支渠多采用续灌，斗、农渠采用轮灌。干、支渠的联接方式通常为非等效并联渠系，而支渠控制的若干斗、农渠为等效并联渠系运行方式。等效并联的渠系水利用系数计算式符合各级渠道水利用系数连乘的计算形式。,48,设上级渠道计算参数用下标i表示，下级渠道计算参数用下标j表示，并分别用下标g和n表示渠道的毛流量和净流量。在非等效并联渠道中，同级渠道的渠道水利用系数不相等，流量也不相同。由渠系水利用系数定义知：渠系=Qjkn/Qi1g（k=1,2,3,4），由于 Qjkn=jkQjkg,49,则:渠系=Qjkn/Qi1g=(jkQjkg)/Qi1g=（Qjkg/Qi1g）（(jkQjkg)/Qjkg）=i(djjk)(k=1,2,3,4)式中，渠系为二级渠系的渠系水利用系数；dj=Qjkg/Qjkg，为下级第j条渠道的毛流量占下级渠道总毛流量的权重；i为上级渠道的渠道水利用系数。jk为第j条渠道的渠道水利用系数。一般地，若渠道为m段非等效并联，则渠道水利用系数计算式为：渠道=(djjk)(k=1,2,m).,50,(3)灌溉渗漏水重复利用的修正,考虑到水的重复利用的灌溉水利用系数是指作物整个生育期进入作物根系层的灌溉水资源量占渠首从水源引入量的百分数。用公式表示为:水=W净W总（1）W总为作物生育期从水源引入的水量之和；W净为作物生育期进入作物根系层的水量,包括各次灌水直接进入作物根系层的水量W1,渠道渗漏后经机井抽水灌溉补充给作物根系层的水量W2,渗入作物根系层以下又上升到作物根系层的水量W3和作物根系层吸收的根系层以下的水量W4,即：W净=W1W2W3W4W1W0（2）式中：W0为灌溉水的重复利用量，即除各次引水灌溉直接进入作物根系层的水量以外被作物利用的灌溉水资源量。,51,则:水=W净W总（W1W0）W总0（3）为一般概念下作物生育期内的灌溉水利用系数；0为作物生育期内灌溉水的重复利用系数。作物生育期渠首从水源引入灌区的总水量输送到田间进入作物根系层的灌溉水量为:W净 W总-（1）WD-（1）WI W总-（1）(1-渠系0)W总-（1）(1-田0)（W总-（1）WD）W总（1（1）(1-渠系0)）W总（1）(1-田0)（1-（1）(1-渠系0)）W总（1（1）(1-渠系0)）（1（1）(1-田0)）W总（渠系0(1-渠系0)）（田0(1-田0)）式中：为渠系渗漏量的重复利用系数,可通过试验确定；WI为灌溉引起的田间深层渗漏量；为大田深层渗漏量重复利用系数,可通过大田试验确定；WD为渠系渗漏量。,52,则,修正后的灌溉水有效利用系数为：水=W净W总（渠系0(1-渠系0)）（田0(1-田0)）渠系田（4）渠系0为没有考虑渠系输水损失量重复利用时的渠系水利用系数；田0为没有考虑田间深层渗漏水重复利用时的田间水利用系数；渠系为考虑渠系输水损失量重复利用时的渠系水有效利用系数；田为考虑田间深层渗漏水重复利用时的田间水利用系数。在获得了渠系输水损失量的重复利用系数和田间渗漏水的重复利用系数后,即可利用式（4）计算出考虑灌溉水资源重复利用时的灌溉水有效利用系数。,53,(4)测量计算步骤,(1)确定灌区测量渠道的数量、测量方法、典型渠段；(2)计算出典型渠段的单位长度输水损失率；(3)确定输水系数、分水系数及典型渠段位置修正系数，计算出典型渠道的单位长度输水损失率；(4)典型渠道非等效并联修正；(5)同级渠道土渠与衬砌渠道的渠道水利用系数综合计算；(6)渠道越级输水修正，计算渠系水利用系数；(7)计算田间水利用系数及灌溉水利用系数；(8)利用首尾法计算灌溉水利用系数并进行对比分析。,54,表1 典型渠道k1、k2、k3计算表,55,表2 渠道单位长度的输水损失率计算表,56,表3 非等效并联修正渠道水利用系数计算表（水量：万m3）,57,表4田间水利用系数计算表,58,表5 渠道越级输水修正灌溉水利用系数计算表,59,表6 首尾测定法灌溉水利用系数计算及比较表,60,5、灌溉水利用系数测定方法应用实例 以河套灌区为例,61,(1)河套灌区实测基本情况,河套灌区主要灌溉系统为黄河一首制引水，七级渠系布设，即总干渠1条，干渠12条，分干渠48条，支渠202条，斗农毛渠7.4万多条。现灌溉面积877万亩。灌区工程老化现象普遍，配套程度差。存在越级输配水。典型渠道选择：干渠2条，分干渠2条，支、斗、农渠各3条，毛渠2条。重复完成7次测量；计算时段水量采用连续实测流量过程线法推求。由于水流均匀平稳，渠道槽蓄水量忽略不计。,62,(2)河套灌区渠道水利用系数计算表,水量：万m3，长度：km,63,续上 表,水量：万m3，长度：km,64,水量：万m3，长度：km,续上 表,65,（3）非等效并联修正渠道水利用系数计算表,水量：万m3，,66,水量：万m3，,续上 表,67,（4）渠道越级输水修正灌溉水利用系数计算表,68,续上 表,69,（5）首尾测定法灌溉水利用系数计算对比表,面积：万亩，灌溉定额：m3/亩，耗水量：万m3,70,与首尾测定法相比，典型渠段测定法计算结果偏小。原因：本次测定时候灌区一水小麦已经浇完，总干渠和干渠运行流量偏低，为正常流量的60%左右。用近几年全渠的水量平衡资料推算，总干的渠道水利用系数为0.93，干渠的为0.80，分干渠以下变化很小。则相应的综合测定法计算的渠系水利用系数为0.476，灌溉水利用系数为0.348,与首尾测定法计算结果较为接近。,71,图片:现场测量（确定测流线）,72,现场测量（确定测流点）,73,现场测量（现场测流）,谢 谢！,