灌溉預(yù)報灌溉制度數(shù)值模擬研究范文

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摘要：基于邢家渡灌區(qū)的天氣和土壤墑情實測數(shù)據(jù)，利用水量平衡原理，構(gòu)建起邢家渡灌區(qū)玉米田實時灌溉預(yù)報模型，以自流灌溉面積最大為主要優(yōu)化目標，對干渠分側(cè)、干渠分段以及續(xù)灌等三種不同的灌溉工作制度進行配水方案模擬分析，結(jié)果顯示干渠分段輪灌為最佳灌溉工作制度。

關(guān)鍵詞：邢家渡灌區(qū)；灌溉預(yù)報；配水方案；灌溉制度

一、灌區(qū)基本情況

邢家渡灌區(qū)始建于1973年，是山東省濟南市最大的引黃灌區(qū)，也是山東省大型引黃灌區(qū)之一，設(shè)計灌溉面積118萬畝（1畝=1/15hm2，下同），占濟南市有效灌溉面積的1/3以上，素有“省會糧倉”的美譽。灌區(qū)主干渠設(shè)計流量50m3/s，年均引用黃河水2.0億m3，為灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉、抗旱排澇、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了必要的水源和工程條件，改造了鹽堿澇洼，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。自2004年灌區(qū)被水利部列入全國大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造項目計劃，截至目前已完成總投資3.97億元，灌區(qū)工程設(shè)施、引水條件、生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)和生活條件都得到了極大改善。但是，受引水指標偏少和黃河水位逐年下降等因素制約，灌區(qū)自流灌溉面積逐年減少，而通過泵站和水泵提灌必將顯著抬高灌區(qū)灌溉成本。因此，選擇合理的灌溉模式擴大自流灌溉面積，對降低灌溉成本、促進農(nóng)民增收具有重要意義。

二、邢家渡灌區(qū)實時灌溉預(yù)報

邢家渡灌區(qū)地處黃河下游地區(qū)，灌區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物為小麥和玉米。本研究以玉米田灌溉為對象，以水量平衡原理為理論基礎(chǔ)，建立實時灌溉預(yù)報模型，為邢家渡灌區(qū)灌溉方案提供必要基礎(chǔ)。其需要的水文氣象、土壤儲水量以及作物參數(shù)等，可以通過灌區(qū)資料或田間實測獲取。1.玉米田實時灌溉預(yù)報方法由于玉米根系主要集中于地表以下1.0m以內(nèi)的土層，此區(qū)域土壤水分轉(zhuǎn)化最為活躍，因此出于預(yù)報方法的簡單性和通用性，此次研究以玉米田土壤表面以下1.0m的土層儲水情況為研究對象，對玉米生長期內(nèi)的變化特征進行監(jiān)測和預(yù)報。研究區(qū)域內(nèi)某時刻土壤表面以下1.0m土體水分狀況可視為各點的土體水分狀況的集合。因此，在確定最小分區(qū)以及各分區(qū)的代表點位置之后，通過水量平衡方程計算獲取研究區(qū)域內(nèi)某時刻1.0m土體水分狀況。鑒于研究區(qū)缺乏實測資料且實踐系列有限，研究中利用參考作物蒸發(fā)量進行計算。采用1991年AFO專家咨詢會議提出的Pemnna-Monieiht方程，利用FORTRAN語言程序快速計算獲取參考作物蒸發(fā)量。方程中的氣溫、濕度、風速、太陽輻射參數(shù)由當?shù)貙崪y資料或氣象預(yù)報資料獲取。預(yù)測過程中，針對土壤含水率低于臨界含水率的問題，利用土壤水分修正系數(shù)模型計算。其中有效降雨量與降雨強度、降雨歷時、降雨總量、土壤特性等諸多因素有關(guān)，是一個動態(tài)變化過程，研究中利用Phihp公式計算。其中降雨資料由灌區(qū)氣象觀測站或氣象部門的中長期天氣預(yù)報獲得。2.灌水日期和灌水量預(yù)報水分對農(nóng)作物生長十分重要，根系吸水層的儲水量必須要保證在適宜的范圍內(nèi)，也就是說，土壤平均含水率要介于作物允許的最低含水率和最高含水率之間。鑒于本研究以地表以下1.0m土層儲水量為研究對象，本文中最低含水率和最高含水率應(yīng)修正為1.0m土層的相應(yīng)含水率。因此，灌水量和灌水日期應(yīng)該由上述兩參數(shù)對應(yīng)的最小和最大允許儲水量作為判別標準。3.預(yù)報計算流程邢家渡灌區(qū)玉米灌溉預(yù)報計算的關(guān)鍵要點可歸結(jié)為如下幾步：①根據(jù)玉米田墑情資料或上億時段末土層的水分儲量，確定計算時段初1.0m土層土壤的水分儲量；②根據(jù)灌區(qū)氣象預(yù)報及地下水埋深等資料確定玉米的蒸發(fā)量和地下水有效補給量，然后計算出時段末的1.0m土層土壤水分儲量；③根據(jù)水分儲量計算結(jié)果以及1.0m土層土壤最大允許儲水量和最小水分儲量之間的關(guān)系確定是否需要灌溉；④如可獲取實際氣象和地下水資料，則基于實際資料數(shù)據(jù)對上一時段的玉米蒸發(fā)量以及地下水有效補給量進行逐日修正，并及時對1.0m土層土壤水分儲量計算結(jié)果進行修正；⑤通過上述計算過程輸出計算結(jié)果。

三、灌溉方案優(yōu)化

1.灌溉工作制度設(shè)計邢家渡灌區(qū)主要通過引黃河水進行灌溉，受上游來水情況影響，取水口部位的黃河水位變幅一般為21.0～23.5m。灌區(qū)灌溉水量由山東省統(tǒng)一控制，執(zhí)行限額計劃供水制度。一般6月底至7月限50m3/s，8月限35m3/s，9月限30m3/s。基于此，本研究以玉米青苗期、拔節(jié)期以及灌漿期的6月下旬、7月上旬以及7月下旬，黃河水位22.5m情況下的某次灌溉為例，設(shè)計分側(cè)輪灌、分段輪灌以及續(xù)灌等三種不同灌溉方式，基于灌溉預(yù)報成果，結(jié)合山東省關(guān)于邢家渡灌區(qū)的計劃供水要求，對灌區(qū)具體配水方案進行數(shù)值模擬研究。（1）干渠分側(cè)灌溉邢家渡灌區(qū)通過對各干渠的分水閘實行兩側(cè)干渠的分組輪灌。其中東側(cè)兩個輪灌組根據(jù)各自控制區(qū)的灌溉預(yù)報結(jié)果計算灌水量，并結(jié)合初步擬定的輪灌時間計算確定輪灌流量，也就是邢家渡灌區(qū)渠首引黃閘的引水流量。結(jié)合山東省下達給邢家渡灌區(qū)的限額用水計劃，確定實際引水流量，進而對干渠下的支渠和斗渠流量進行計算和分配，并對灌水時間進行必要調(diào)整。在渠首不同黃河水位條件下，根據(jù)邢家渡引黃閘的水位-流量-閘門開啟度之間的關(guān)系，確定閘門的具體開度與閘下水位。最后，以渠首水位為依據(jù)，利用恒定非均勻流理論對沿線水位和自流灌溉面積進行推算。（2）干渠分段輪灌干渠分段輪灌與分側(cè)輪灌類似，按照總干渠上的主要節(jié)制閘干渠分三段進行輪灌，其中第一段為渠首至楊寨閘，第二段為楊寨閘以下至范屯閘，第三段為范屯閘以下。采用分側(cè)輪灌中提出的方法，基于分段控制區(qū)的灌溉預(yù)報結(jié)果，計算確定邢家渡引黃閘實際引水流量、閘門的具體開度、閘下水位、沿線水位和自流灌溉面積。（3）續(xù)灌續(xù)灌是在灌區(qū)的一次灌水時段內(nèi)，各級渠道始終連續(xù)供水。對邢家渡灌區(qū)而言，就是主干渠及以下各級渠道的所有閘門全開。引黃閘實際引水流量、閘門的具體開度、閘下水位、沿線水位和自流灌溉面積計算方法與上述兩種灌溉工作制度一致。2.配水方案分析比選基于灌溉預(yù)報，同時結(jié)合山東省關(guān)于邢家渡灌區(qū)的計劃供水配額及相關(guān)要求，選擇玉米青苗期、拔節(jié)期以及灌漿期進行不同灌溉工作制度下的配水方案分析，結(jié)果如表1~表3所示。由計算結(jié)果可知，通過閘門開啟度的有效調(diào)節(jié)，在渠首引水閘黃河水位保持不變的情況下，引黃閘的引水流量越小，越可以有效提高閘下水位，增大自流灌溉面積。因此，拔節(jié)期和灌漿期的自流灌溉面積大于青苗期的自流灌溉面積。由表1可知，玉米青苗期的定額計算未考慮降雨因素的實際影響，因此不同工作制度下的渠首引黃閘引水流量比較接近。在渠首引黃閘黃河水位保持不變的情況下，渠首引黃閘下的水位也相差不大，此時自流灌溉面積主要和各干渠渠首閘的開啟高度有關(guān)。因此，青苗期續(xù)灌和分段輪灌的自流灌溉面積要小于分側(cè)輪灌的自流灌溉面積。由表2和表3可知，基于灌溉預(yù)報和山東省關(guān)于邢家渡灌區(qū)限額計劃供水的實際要求，玉米的拔節(jié)期和灌漿期在不同灌溉工作制度下的渠首引黃閘引水流量差異較大，閘下水位差距也較大，一般在10～20cm。在黃河水位保持不變的情況下，自流灌溉面積與渠首閘的開啟高度有關(guān)。各種灌溉制度下的自流灌溉面積相差不大，分側(cè)灌溉稍有優(yōu)勢。但是考慮到續(xù)灌和分側(cè)灌溉均需要控制主干渠沿線主要控制閘門的高度，難度相對較大，而分段輪灌具有管理方便、矛盾較少且容易解決的優(yōu)勢，因此推薦分段輪灌為渠道最佳工作制度。

四、結(jié)論與建議

1.研究結(jié)論基于灌區(qū)天氣和土壤墑情實測數(shù)據(jù)，利用水量平衡原理，構(gòu)建起邢家渡灌區(qū)玉米田實時灌溉預(yù)報模型，為灌區(qū)的配水優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐；基于構(gòu)建的邢家渡灌區(qū)灌溉預(yù)報模型，根據(jù)山東省關(guān)于邢家渡灌區(qū)的用水限額以及渠首黃河水位，設(shè)計了干渠分側(cè)、干渠分段以及續(xù)灌等三種不同的灌溉工作制度；以自流灌溉面積最大為主要優(yōu)化目標，通過灌區(qū)配水方案模擬分析，結(jié)果顯示干渠分段輪灌為最佳灌溉工作制度。2.實施效果邢家渡灌區(qū)于2017年起采用上述灌溉工作制度進行灌溉管理，兩年的應(yīng)用實踐顯示，采取干渠分段灌溉工作制度之后，灌區(qū)的自流灌溉面積顯著增加，特別是在2018年黃河上游來水總體偏少的情況下，采用該灌溉制度比傳統(tǒng)灌溉制度自流灌溉面積增加了6.77％，取得了顯著的工程和經(jīng)濟效益。3.啟示和建議目前，我國華北地區(qū)地表水資源嚴重短缺，本研究結(jié)論對類似平原灌區(qū)具有重要的借鑒意義。當然，灌區(qū)管理制度變革是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅涉及灌水方式的變革，也涉及水價、水權(quán)、小型農(nóng)田水利工程、水管單位組織制度調(diào)整等方方面面，更涉及各方面的利益調(diào)整，其中很多內(nèi)容難以定義和模擬。因此在今后的研究中，需要對政府、水管單位及農(nóng)戶等相關(guān)群體之間的相互作用行為進行深入剖析，從而作出更深入和全面的評價。

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作者：陳曉燕 陳振軍 張厚芹 李濤 單位：山東省濟南市邢家渡引黃灌溉管理處