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灌溉预报灌溉制度数值模拟研究

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摘要:基于邢家渡灌区的天气和土壤墒情实测数据,利用水量平衡原理,构建起邢家渡灌区玉米田实时灌溉预报模型,以自流灌溉面积最大为主要优化目标,对干渠分侧、干渠分段以及续灌等三种不同的灌溉工作制度进行配水方案模拟分析,结果显示干渠分段轮灌为最佳灌溉工作制度。

关键词:邢家渡灌区;灌溉预报;配水方案;灌溉制度

一、灌区基本情况

邢家渡灌区始建于1973年,是山东省济南市最大的引黄灌区,也是山东省大型引黄灌区之一,设计灌溉面积118万亩(1亩=1/15hm2,下同),占济南市有效灌溉面积的1/3以上,素有“省会粮仓”的美誉。灌区主干渠设计流量50m3/s,年均引用黄河水2.0亿m3,为灌区内农田灌溉、抗旱排涝、农业生产提供了必要的水源和工程条件,改造了盐碱涝洼,取得了显著的经济、社会和生态效益。自2004年灌区被水利部列入全国大型灌区续建配套和节水改造项目计划,截至目前已完成总投资3.97亿元,灌区工程设施、引水条件、生态环境、生产和生活条件都得到了极大改善。但是,受引水指标偏少和黄河水位逐年下降等因素制约,灌区自流灌溉面积逐年减少,而通过泵站和水泵提灌必将显著抬高灌区灌溉成本。因此,选择合理的灌溉模式扩大自流灌溉面积,对降低灌溉成本、促进农民增收具有重要意义。

二、邢家渡灌区实时灌溉预报

邢家渡灌区地处黄河下游地区,灌区内主要农作物为小麦和玉米。本研究以玉米田灌溉为对象,以水量平衡原理为理论基础,建立实时灌溉预报模型,为邢家渡灌区灌溉方案提供必要基础。其需要的水文气象、土壤储水量以及作物参数等,可以通过灌区资料或田间实测获取。1.玉米田实时灌溉预报方法由于玉米根系主要集中于地表以下1.0m以内的土层,此区域土壤水分转化最为活跃,因此出于预报方法的简单性和通用性,此次研究以玉米田土壤表面以下1.0m的土层储水情况为研究对象,对玉米生长期内的变化特征进行监测和预报。研究区域内某时刻土壤表面以下1.0m土体水分状况可视为各点的土体水分状况的集合。因此,在确定最小分区以及各分区的代表点位置之后,通过水量平衡方程计算获取研究区域内某时刻1.0m土体水分状况。鉴于研究区缺乏实测资料且实践系列有限,研究中利用参考作物蒸发量进行计算。采用1991年AFO专家咨询会议提出的Pemnna-Monieiht方程,利用FORTRAN语言程序快速计算获取参考作物蒸发量。方程中的气温、湿度、风速、太阳辐射参数由当地实测资料或气象预报资料获取。预测过程中,针对土壤含水率低于临界含水率的问题,利用土壤水分修正系数模型计算。其中有效降雨量与降雨强度、降雨历时、降雨总量、土壤特性等诸多因素有关,是一个动态变化过程,研究中利用Phihp公式计算。其中降雨资料由灌区气象观测站或气象部门的中长期天气预报获得。2.灌水日期和灌水量预报水分对农作物生长十分重要,根系吸水层的储水量必须要保证在适宜的范围内,也就是说,土壤平均含水率要介于作物允许的最低含水率和最高含水率之间。鉴于本研究以地表以下1.0m土层储水量为研究对象,本文中最低含水率和最高含水率应修正为1.0m土层的相应含水率。因此,灌水量和灌水日期应该由上述两参数对应的最小和最大允许储水量作为判别标准。3.预报计算流程邢家渡灌区玉米灌溉预报计算的关键要点可归结为如下几步:①根据玉米田墒情资料或上亿时段末土层的水分储量,确定计算时段初1.0m土层土壤的水分储量;②根据灌区气象预报及地下水埋深等资料确定玉米的蒸发量和地下水有效补给量,然后计算出时段末的1.0m土层土壤水分储量;③根据水分储量计算结果以及1.0m土层土壤最大允许储水量和最小水分储量之间的关系确定是否需要灌溉;④如可获取实际气象和地下水资料,则基于实际资料数据对上一时段的玉米蒸发量以及地下水有效补给量进行逐日修正,并及时对1.0m土层土壤水分储量计算结果进行修正;⑤通过上述计算过程输出计算结果。

三、灌溉方案优化

1.灌溉工作制度设计邢家渡灌区主要通过引黄河水进行灌溉,受上游来水情况影响,取水口部位的黄河水位变幅一般为21.0~23.5m。灌区灌溉水量由山东省统一控制,执行限额计划供水制度。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、拔节期以及灌浆期的6月下旬、7月上旬以及7月下旬,黄河水位22.5m情况下的某次灌溉为例,设计分侧轮灌、分段轮灌以及续灌等三种不同灌溉方式,基于灌溉预报成果,结合山东省关于邢家渡灌区的计划供水要求,对灌区具体配水方案进行数值模拟研究。(1)干渠分侧灌溉邢家渡灌区通过对各干渠的分水闸实行两侧干渠的分组轮灌。其中东侧两个轮灌组根据各自控制区的灌溉预报结果计算灌水量,并结合初步拟定的轮灌时间计算确定轮灌流量,也就是邢家渡灌区渠首引黄闸的引水流量。结合山东省下达给邢家渡灌区的限额用水计划,确定实际引水流量,进而对干渠下的支渠和斗渠流量进行计算和分配,并对灌水时间进行必要调整。在渠首不同黄河水位条件下,根据邢家渡引黄闸的水位-流量-闸门开启度之间的关系,确定闸门的具体开度与闸下水位。最后,以渠首水位为依据,利用恒定非均匀流理论对沿线水位和自流灌溉面积进行推算。(2)干渠分段轮灌干渠分段轮灌与分侧轮灌类似,按照总干渠上的主要节制闸干渠分三段进行轮灌,其中第一段为渠首至杨寨闸,第二段为杨寨闸以下至范屯闸,第三段为范屯闸以下。采用分侧轮灌中提出的方法,基于分段控制区的灌溉预报结果,计算确定邢家渡引黄闸实际引水流量、闸门的具体开度、闸下水位、沿线水位和自流灌溉面积。(3)续灌续灌是在灌区的一次灌水时段内,各级渠道始终连续供水。对邢家渡灌区而言,就是主干渠及以下各级渠道的所有闸门全开。引黄闸实际引水流量、闸门的具体开度、闸下水位、沿线水位和自流灌溉面积计算方法与上述两种灌溉工作制度一致。2.配水方案分析比选基于灌溉预报,同时结合山东省关于邢家渡灌区的计划供水配额及相关要求,选择玉米青苗期、拔节期以及灌浆期进行不同灌溉工作制度下的配水方案分析,结果如表1~表3所示。由计算结果可知,通过闸门开启度的有效调节,在渠首引水闸黄河水位保持不变的情况下,引黄闸的引水流量越小,越可以有效提高闸下水位,增大自流灌溉面积。因此,拔节期和灌浆期的自流灌溉面积大于青苗期的自流灌溉面积。由表1可知,玉米青苗期的定额计算未考虑降雨因素的实际影响,因此不同工作制度下的渠首引黄闸引水流量比较接近。在渠首引黄闸黄河水位保持不变的情况下,渠首引黄闸下的水位也相差不大,此时自流灌溉面积主要和各干渠渠首闸的开启高度有关。因此,青苗期续灌和分段轮灌的自流灌溉面积要小于分侧轮灌的自流灌溉面积。由表2和表3可知,基于灌溉预报和山东省关于邢家渡灌区限额计划供水的实际要求,玉米的拔节期和灌浆期在不同灌溉工作制度下的渠首引黄闸引水流量差异较大,闸下水位差距也较大,一般在10~20cm。在黄河水位保持不变的情况下,自流灌溉面积与渠首闸的开启高度有关。各种灌溉制度下的自流灌溉面积相差不大,分侧灌溉稍有优势。但是考虑到续灌和分侧灌溉均需要控制主干渠沿线主要控制闸门的高度,难度相对较大,而分段轮灌具有管理方便、矛盾较少且容易解决的优势,因此推荐分段轮灌为渠道最佳工作制度。

四、结论与建议

1.研究结论基于灌区天气和土壤墒情实测数据,利用水量平衡原理,构建起邢家渡灌区玉米田实时灌溉预报模型,为灌区的配水优化提供数据支撑;基于构建的邢家渡灌区灌溉预报模型,根据山东省关于邢家渡灌区的用水限额以及渠首黄河水位,设计了干渠分侧、干渠分段以及续灌等三种不同的灌溉工作制度;以自流灌溉面积最大为主要优化目标,通过灌区配水方案模拟分析,结果显示干渠分段轮灌为最佳灌溉工作制度。2.实施效果邢家渡灌区于2017年起采用上述灌溉工作制度进行灌溉管理,两年的应用实践显示,采取干渠分段灌溉工作制度之后,灌区的自流灌溉面积显著增加,特别是在2018年黄河上游来水总体偏少的情况下,采用该灌溉制度比传统灌溉制度自流灌溉面积增加了6.77%,取得了显著的工程和经济效益。3.启示和建议目前,我国华北地区地表水资源严重短缺,本研究结论对类似平原灌区具有重要的借鉴意义。当然,灌区管理制度变革是一项复杂的系统工程,不仅涉及灌水方式的变革,也涉及水价、水权、小型农田水利工程、水管单位组织制度调整等方方面面,更涉及各方面的利益调整,其中很多内容难以定义和模拟。因此在今后的研究中,需要对政府、水管单位及农户等相关群体之间的相互作用行为进行深入剖析,从而作出更深入和全面的评价。

参考文献:

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[3]王学军,靖庆生,娄谦.山东省邢家渡灌区规范管理促和谐[J].中国水利,2011(1).

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[6]张晓涛,康绍忠.利用蒸发计估测参考作物蒸发蒸腾量的试验研究[J].水利水电科技进展,2007(1).

[7]廉娟.干旱区棉田土壤含水率时空变异研究[J].水利技术监督,2016,24(5).

作者:陈晓燕 陈振军 张厚芹 李涛 单位:山东省济南市邢家渡引黄灌溉管理处

灌溉预报灌溉制度数值模拟研究责任编辑:张雨    阅读:人次
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