龚贻螣1，王建东2，赵月芬3，张彦群2
（1.北京中冠保尔国际灌溉设备工程有限公司，北京100054；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京100048；3.北京中水科工程总公司，北京100048）
摘 要：目前灌溉田间水池的设计按照轮灌制度进行，但实际灌溉中普遍存在农户集中用水现象。针对该矛盾，通过理论推求，给出了上午和下午2个梯形高峰集中用水过程下调节容积的计算方法，对比分析了完全轮灌和考虑集中用水情况下的田间水池调节容积大小。结果表明，考虑集中用水情况下所需的田间水池调节容积大于完全轮灌情况，应用示例中，和完全轮灌相比，典型梯形用水过程下水池调节容积增加了14.82%。在灌溉系统水池调节容量设计时应充分考虑随机用水情况，以保障正常灌溉作业。
关键词：灌溉设计；田间水池；轮灌；集中用水
灌溉系统通常由输水系统、配水系统、田间灌溉系统构成。输配水系统一般为供水主导型，即灌区按用水计划组织供水，水经由干管、调蓄水池、分干管进入田间灌溉设施，可全天供水。但实际生产中田间灌溉系统用水是不连续的，日灌水时间一般为16～20 h。为平衡供用水，同时考虑田间施肥、施药等零星用水要求，工程设计时可在田间设置田间水池。目前关于灌溉蓄水工程有一定研究[1]，但田间水池容积研究较少[2]，设计时田间水池容积普遍按照完全轮灌计算，但实际灌溉作业中，田间灌溉并不完全轮灌，经常处于一种随机用水过程，一段时间内用水流量增加，这使得田间水池调节容积与用水过程密切相关。在此背景下，充分考虑这种变化的用水过程，针对集中用水情况下田间水池调节容积展开研究。
灌溉系统按照完全轮灌设计时，灌溉流量按式（1）[3]或式（2）[4]计算：
式中：Q0为完全按轮灌制度实施的灌水流量（m3/h）；A为灌溉面积（hm2）；m为毛灌水量（mm）；T为灌水周期（d）；t0为日灌水时间（h）。
式中：Ea为日耗水强度（mm/d）；η为灌溉水利用系数；其余符号意义同前。
对于设施农业、园艺、蔬菜等种植比例较大的灌区，根据已有经验和灌水习惯，1 d中往往在某时段灌水较为集中。如日本灌溉统计显示10:00和16:00为1 d灌溉的2个高峰期，如果完全按照式（1）或式（2）计算的轮灌流量实施灌水，则系统完全没有富余量来满足集中需水要求，会造成供水流量和压力满足不了需求[5]。为在一定程度上满足集中需水要求，系统必须有一定富余程度，为此，定义了田间灌溉用水集中度的概念，用完全轮灌时灌溉流量的倍数表示，即：
式中：Qf为考虑田间灌溉用水集中度下的灌溉流量；f为田间灌溉用水集中度，该用水集中度也关系到田间水池容积的大小，应同时考虑系统投资和灌水高峰时期供水保障程度。
结合上述概念，可知每天灌溉用水量为：
式中：W为每天灌溉用水量（m3）；其余符号意义同前。
设计日灌水时间t0通常考虑农民日最大可能的作业时间，设计日灌水时间t0宜按文献[3]取值，详见表1。
表1 喷灌设计日灌水时间
《微灌工程技术规范》（GB/T50485—2009）规定微灌系统设计日工作时间t0不应大于22 h。设骨干工程往田间水池的日供水时间为T0，等水量供水，则根据供用水水量平衡，供水流量为：
式中：T0为骨干工程往田间水池的日供水时间（h）；Qin为骨干工程往田间水池的供水流量（m3/h）。
为保证系统的经济性，通常骨干工程往田间水池的日供水时间大于田间实际灌水时间，供水时间甚至
可以达到24 h，这样二者的时间差需要由田间水池调整，故供水流量一般小于灌溉流量，其水池水量变化过程可概化为图1所示。
图1 水池水量变化过程示意图
则水池水量最大值Vm为：
将式（1）—式（5）带入式（6），则调整灌溉时间与供水时间差的水池调节容积VF1为：
式中：VF1为调整供、用水时间差的水池调节容积（m3）。
如果考虑非严格轮灌条件下田间灌溉用水集中度，则水池容积应根据用水高峰状况确定。假定1 d内上午和下午各1次用水高峰，高峰期用水过程如图2所示。
图2高峰期用水过程示意图
图2 中，T0-t0代表管网往水池供水而不灌水时间段；tG代表田间用水高峰的稳定时间；t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8分别为梯形灌溉用水过程的其他关键时间节点，其他符号意义同前。
根据供用水水量平衡原则，有：
由假定的2个用水过程相同，即t4-t1=t8-t5，带入即可得：
由于时间t8灌溉结束，由此，根据式（9）及梯形几何关系可得各个时间关系为：
水池容积为进出水量之差，即：
设水池进水流量Qin为定值，结合梯形用水过程图用水流量Q的几何关系，可得不同时间水池水量为：
水池水量变化关系如图3所示。图3中，VA代表调节容积最大值,VD代表调节容积最小值；tA对应为达到调节容积最大值时的时间节点；tD对应为达到调节容积最小值时的时间节点；t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8分别对应水池调节容积变化过程中的其他关键时间节点，其他符号意义同前。
图3 梯形用水过程水池调节容积变化示意图
式（13）中分段函数（t1≤t≤t2）求导，令其等于0，可得水池水量V最大的时间点和对应的水池容积为：
同理，对式（13）中分段函数（t7≤t≤t8）求导，并令其等于0，可得水池水量V最小的时间点和对应的水池容积为：
由于VD≤0，故梯形灌溉过程满足一定自由度的水池调节容积应为：
此时，与完全轮灌水池容积计算式（7）相比，调节容积增加值为：
某滴灌工程设计灌溉面积20 hm2，设计供水时间T0=24 h，田间日耗水强度Ea=5 mm/d，设计日灌水时间t0=15 h，灌溉水利用系数η=0.95，则：
1）完全轮灌情况下水池调节容积
根据式（1）和式（7）可得完全轮灌情况下灌溉流量和水池调节容积为：
2）考虑灌溉集中用水时调节用水高峰的水池调节容积
根据统计，在06:00—20:00用水较为集中，特别在08:00—11:00、15:00—20:00用水最集中，06:00—8:00及13:00—15:00缓慢增加、11:00—13:00及06:00—10:00缓慢降低，基本符合梯形用水过程，则时间参数为：
由式（9）可得自由度为：
故此时水池调节容积由式（17）计算为：
可知，与完全轮灌相比调节容积有所增加，增加幅度为14.82%。
定义了田间灌溉用水集中度概念，建立了上午和下午2个梯形高峰集中用水过程下调节容积的计算方法，比较分析了完全轮灌和考虑集中用水情况下的田间水池调节容积大小。研究结论如下：
1）考虑随机用水情况下集中供水时所需的田间水池调节容积要大于完全轮灌情况，灌溉系统的设计应充分考虑随机用水情况下水池调节容量的变化，以保障灌溉系统运行的安全与可靠。
2）随着现代农业的发展，灌溉用水随机性越来越强，因此，应在充分分析当地用水习惯及系统设计的经济性基础上把握灌溉用水过程，基于需水要素来指导灌溉系统的优化设计。
参考文献：
[1]刘学军,顾靖超,陆立国,等.宁夏高效节水灌溉配套蓄水池建设规模确定方法研究[J].中国农村水利水电，2016(6):1-4.
[2]尹正杰,王小林,胡铁松，等.灌区田间灌溉蓄水工程的规模优选[J].农业工程学报，2006，22(1):53-57.
[3]GB/T 50085—2007，喷灌工程技术规范[S].
[4]GB/T 50485—2009，微灌工程技术规范[S].
[5]農業土木ハンドブック（改訂六版）[M]，日本：農業土木学会，2000：536-541.
Calculating the Volume of Regulating Field Water Pool under Intensive Irrigation at Specific Time Periods
GONG Yiteng1,WANG Jiandong2,ZHAO Yuefen3,ZHANG Yanqun2
(1.Beijing Zhongguan International Paul Irrigation Equipment Engineering Co.Ltd,Beijing 100054,China;2.Department of Irrigation and Drainage,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100048,China; 3.Beijing IWHR Corporation,Beijing 100048,China）
Abstract:Current design of regulating-water pool in the field assumed the irrigation is rotational,while in realityfarmers often use the water during some specific time periods.In order to resolve this dilemma between design and use,this paper presented a new method to calculate how to adjust the pool volume assuming the daily change of intensive water use with time was two trapezoidal shapes,one in the morning and one in the afternoon.We compared the pool sizes calculated considering both normal rotational irrigation and intensive irrigations at specific times.The results showed that the pool volume for intensive irrigation was larger than that for rotational irrigation,and for a typical trapezoidal shape of water-use process,the pool volume needed to be enlarged by 14.82%. Hence,in designing the water pool,its volume should be calculated based on the real demand for irrigation to ensure safe and reliable operation of the irrigation system.
Key words:irrigation design;field water pool;rotational irrigation;peak water consumption
中图分类号：S275
文献标志码：A < class="emphasis_bold">doi：1
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.08.010
责任编辑：赵宇龙
龚贻螣，王建东，赵月芬，等.考虑灌溉用水集中度下田间水池调节容积分析[J].灌溉排水学报，2017，36（8）：59-64.
收稿日期：2017-02-13
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划课题（2014BAD12B06,2014BAD12B05）；中国水科院团队建设类项目（节基本科研KY1788）
作者简介：龚贻螣（1987-），男，湖北天门人。助理工程师，主要从事节水灌溉技术研究与推广。E-mail:gongyiteng@sina.com
通信作者：王建东（1978-），男，湖南茶陵人。高级工程师，博士，主要从事节水灌溉理论及技术研究。E-mail:wangjd@iwhr.com