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库容法在灌区量水中的应用(上)

来源:作者:发表时间:2019-02-16 16:13:41

    本文中心思想是:针对当前我国大量老旧灌区尚不具备设置固定式量水设施的条件,提出采用库容法量测灌区取水量。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。结果表明:在小区试验中,与另外两种方法相比,库容法量水结果无显著差异;U形防渗渠、矩形防渗渠、梯形防渗渠以及梯形土渠的泵站取水流量分别为0.146~0.164、0.105~0.121、0.124~0.142和0.083~0.101m3/s,相对偏差依次为-2.77%~-2.79%、0.49%~-0.72%、-3.90%~-2.46%和-5.42%~-6.31%相对偏差整体优于大田验证试验0.19%~1.48%。用库容法量水方便可靠,可作为一种灌区量水技术加以推广应用。

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。

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:20190216152029.jpg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:

20190216152045.jpg

    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1065.2mm,无霜期220d。2017年进行水稻灌溉试验,参试品种“南粳9108”。试验区水稻采用旱直播方式、浅湿灌溉技术种植,播种面积84.73hm2,生育期长127~132d,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90cm,下底75cm,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。

2017 年东台东里试验区配套渠道设计及蓄水控制参数

     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0.1s)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/T21303-2017),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0.25m,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99s,3次重复,过水断面积采用钢尺(精度0.01m)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。

(4)相对偏差:采用库容法、梯形薄壁堰法和电磁流量计法分别实测得出第i次灌溉灌区取水量依次为QKi、QTi和QDi,比较库容法与另外两方法间的差异情况。以QKi-QTiQTi×100%表示第i次灌溉时,库容法与梯形薄壁堰法的相对偏差RKTi;以QKi-QDiQDi×100%表示第i次灌溉时,库容法与电磁流量计法的相对偏差RKDi。

 

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