灌溉預報灌溉制度數值模擬研究范文

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

關鍵詞：邢家渡灌區；灌溉預報；配水方案；灌溉制度

一、灌區基本情況

邢家渡灌區始建于1973年，是山東省濟南市最大的引黃灌區，也是山東省大型引黃灌區之一，設計灌溉面積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。灌區主干渠設計流量50m3/s，年均引用黃河水2.0億m3，為灌區內農田灌溉、抗旱排澇、農業生產提供了必要的水源和工程條件，改造了鹽堿澇洼，取得了顯著的經濟、社會和生態效益。自2004年灌區被水利部列入全國大型灌區續建配套和節水改造項目計劃，截至目前已完成總投資3.97億元，灌區工程設施、引水條件、生態環境、生產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、促進農民增收具有重要意義。

二、邢家渡灌區實時灌溉預報

邢家渡灌區地處黃河下游地區，灌區內主要農作物為小麥和玉米。本研究以玉米田灌溉為對象，以水量平衡原理為理論基礎，建立實時灌溉預報模型，為邢家渡灌區灌溉方案提供必要基礎。其需要的水文氣象、土壤儲水量以及作物參數等，可以通過灌區資料或田間實測獲取。1.玉米田實時灌溉預報方法由于玉米根系主要集中于地表以下1.0m以內的土層，此區域土壤水分轉化最為活躍，因此出于預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，對玉米生長期內的變化特征進行監測和預報。研究區域內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，在確定最小分區以及各分區的代表點位置之后，通過水量平衡方程計算獲取研究區域內某時刻1.0m土體水分狀況。鑒于研究區缺乏實測資料且實踐系列有限，研究中利用參考作物蒸發量進行計算。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量。方程中的氣溫、濕度、風速、太陽輻射參數由當地實測資料或氣象預報資料獲取。預測過程中，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，是一個動態變化過程，研究中利用Phihp公式計算。其中降雨資料由灌區氣象觀測站或氣象部門的中長期天氣預報獲得。2.灌水日期和灌水量預報水分對農作物生長十分重要，根系吸水層的儲水量必須要保證在適宜的范圍內，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修正為1.0m土層的相應含水率。因此，灌水量和灌水日期應該由上述兩參數對應的最小和最大允許儲水量作為判別標準。3.預報計算流程邢家渡灌區玉米灌溉預報計算的關鍵要點可歸結為如下幾步：①根據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根據灌區氣象預報及地下水埋深等資料確定玉米的蒸發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根據水分儲量計算結果以及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，則基于實際資料數據對上一時段的玉米蒸發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果進行修正；⑤通過上述計算過程輸出計算結果。

三、灌溉方案優化

1.灌溉工作制度設計邢家渡灌區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。灌區灌溉水量由山東省統一控制，執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，設計分側輪灌、分段輪灌以及續灌等三種不同灌溉方式，基于灌溉預報成果，結合山東省關于邢家渡灌區的計劃供水要求，對灌區具體配水方案進行數值模擬研究。（1）干渠分側灌溉邢家渡灌區通過對各干渠的分水閘實行兩側干渠的分組輪灌。其中東側兩個輪灌組根據各自控制區的灌溉預報結果計算灌水量，并結合初步擬定的輪灌時間計算確定輪灌流量，也就是邢家渡灌區渠首引黃閘的引水流量。結合山東省下達給邢家渡灌區的限額用水計劃，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整。在渠首不同黃河水位條件下，根據邢家渡引黃閘的水位-流量-閘門開啟度之間的關系，確定閘門的具體開度與閘下水位。最后，以渠首水位為依據，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輪灌類似，按照總干渠上的主要節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。采用分側輪灌中提出的方法，基于分段控制區的灌溉預報結果，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）續灌續灌是在灌區的一次灌水時段內，各級渠道始終連續供水。對邢家渡灌區而言，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報，同時結合山東省關于邢家渡灌區的計劃供水配額及相關要求，選擇玉米青苗期、拔節期以及灌漿期進行不同灌溉工作制度下的配水方案分析，結果如表1~表3所示。由計算結果可知，通過閘門開啟度的有效調節，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。因此，青苗期續灌和分段輪灌的自流灌溉面積要小于分側輪灌的自流灌溉面積。由表2和表3可知，基于灌溉預報和山東省關于邢家渡灌區限額計劃供水的實際要求，玉米的拔節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。各種灌溉制度下的自流灌溉面積相差不大，分側灌溉稍有優勢。但是考慮到續灌和分側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勢，因此推薦分段輪灌為渠道最佳工作制度。

四、結論與建議

1.研究結論基于灌區天氣和土壤墑情實測數據，利用水量平衡原理，構建起邢家渡灌區玉米田實時灌溉預報模型，為灌區的配水優化提供數據支撐；基于構建的邢家渡灌區灌溉預報模型，根據山東省關于邢家渡灌區的用水限額以及渠首黃河水位，設計了干渠分側、干渠分段以及續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化目標，通過灌區配水方案模擬分析，結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于2017年起采用上述灌溉工作制度進行灌溉管理，兩年的應用實踐顯示，采取干渠分段灌溉工作制度之后，灌區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濟效益。3.啟示和建議目前，我國華北地區地表水資源嚴重短缺，本研究結論對類似平原灌區具有重要的借鑒意義。當然，灌區管理制度變革是一項復雜的系統工程，不僅涉及灌水方式的變革，也涉及水價、水權、小型農田水利工程、水管單位組織制度調整等方方面面，更涉及各方面的利益調整，其中很多內容難以定義和模擬。因此在今后的研究中，需要對政府、水管單位及農戶等相關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