郭佳雯，蒲迅赤，黃瑞仙

（四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

0 引 言

【研究意義】農(nóng)作物生長(zhǎng)和發(fā)育都需要一定的環(huán)境溫度，溫度是決定農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)劣的重要條件之一[1-2]。如果在灌溉過程中水溫過低，將會(huì)降低植株的光合作用，抑制根系吸水，影響礦物質(zhì)的吸收，從而打破農(nóng)作物的發(fā)育規(guī)律，最終導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，這在國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家都有實(shí)例[3,6]。因此，必須采取一定措施提高灌溉水溫，而探究灌溉水溫的影響因素是提高灌溉水溫的前提。

【研究進(jìn)展】在我國(guó)，北方高寒水稻種植地區(qū)普遍采用井水進(jìn)行灌溉[6]，但因氣候原因，該地區(qū)井水溫度一般較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到水稻的適宜生長(zhǎng)水溫甚至最低生長(zhǎng)水溫，使水稻出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、返青慢、抽穗晚、易貪青晚熟、分蘗率低、成穗率低、結(jié)實(shí)率低、干粒質(zhì)量下降、機(jī)體發(fā)育不良、易于倒伏等不良生長(zhǎng)現(xiàn)象[7,10]，嚴(yán)重降低了種植水稻的經(jīng)濟(jì)效益。

與北方的井灌種植水稻不同，南方水稻種植地區(qū)主要利用水庫(kù)蓄水灌溉水稻—將水庫(kù)的水引入渠道，通過渠道將水引入農(nóng)田。但是大型水電工程的建設(shè)，特別是高壩大庫(kù)，改變了河道的水溫過程，在灌溉季節(jié)，受太陽(yáng)輻射、對(duì)流混合和熱量傳輸?shù)挠绊懀畮?kù)出現(xiàn)明顯的水溫分層[11,14]。而水電站出于發(fā)電目的往往設(shè)置高程較低的單層泄水口[15]，分層型水庫(kù)下層水體常年維持低溫狀態(tài)，因此造成水庫(kù)下泄水溫低于原河道天然水溫，利用這些下泄的低溫水灌溉農(nóng)田同樣會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響，如使植株光合作用減弱、吸肥能力下降、水稻成熟減緩、結(jié)實(shí)率低、產(chǎn)量下降，引發(fā)冬小麥的早熟等[16]。因此，如何提高灌溉水的溫度，從而達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)最適水溫，是一個(gè)亟待解決的工程問題。

現(xiàn)有的灌溉水增溫措施主要分為3 種：工程增溫、設(shè)備增溫和水管理增溫[2]。工程增溫方式有曬水池增溫、修筑過水子碾、升溫田和延長(zhǎng)灌溉渠道增溫[17]，其中曬水池增溫是最常用的增溫手段，即將井水先引入占地面積較大的曬水池中，利用太陽(yáng)輻射使灌溉水溫提高到一定的溫度，再將增溫后的水引入稻田以達(dá)到水稻在適宜水溫中生長(zhǎng)的目的[18]。過水子碾的增溫效果相對(duì)于延長(zhǎng)渠道增溫效果提高了6 倍，其他工程增溫設(shè)施效果不明顯[1]。設(shè)備增溫有寬淺式渠道覆膜增溫、疊水板增溫、曬水池內(nèi)鋪設(shè)曬水板增溫、霧化增溫、增溫棚增溫等，設(shè)備增溫效果明顯，增溫幅度達(dá)3～5 ℃[8,10]。水管理增溫方式通過管理灌溉水水層厚度、流量及灌溉方式等手段增溫[19,22]。在上述增溫措施中，增溫效果顯著的曬水池主要是利用太陽(yáng)輻射和熱量交換這些自然因素進(jìn)行增溫，修筑過水子碾增溫是通過延長(zhǎng)水路從而加長(zhǎng)熱交換的時(shí)間達(dá)到水體增溫的目的。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)水氣溫差和太陽(yáng)輻射對(duì)水體增溫過程有重要的影響。渠道在運(yùn)送灌溉水的過程中，水體會(huì)接收太陽(yáng)輻射，同時(shí)與空氣進(jìn)行熱交換。然而渠道寬深比、走向的不同，會(huì)導(dǎo)致水體輸運(yùn)過程中接收太陽(yáng)輻射的面積不同，因此渠道的走向和寬深比可能會(huì)影響增溫效果?！厩腥朦c(diǎn)】目前鮮有報(bào)道從渠道尺寸和走向方面研究其對(duì)灌溉水溫的影響，因此本文從水體熱量交換的基本理論出發(fā)，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究渠道走向和幾何尺寸對(duì)灌溉水自然增溫效果的影響規(guī)律和影響程度，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉水增溫措施提供一定參考。

1 模型建立

1.1 熱通量計(jì)算

熱通量計(jì)算公式參考《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過魚設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南（試行）》，包括凈太陽(yáng)短波輻射、凈長(zhǎng)波輻射、蒸發(fā)、傳導(dǎo)和固熱交換5 個(gè)方面，進(jìn)入水體的熱通量計(jì)算式為：

式中：φsn為太陽(yáng)短波輻射（W/m2）；φan為大氣長(zhǎng)波輻射（W/m2）；φbr為水體長(zhǎng)波的返回輻射（W/m2）；φe為水面蒸發(fā)熱損失（W/m2）；φc為熱傳導(dǎo)通量（W/m2）；φd為水固熱交換（W/m2）。

①水面凈吸收的太陽(yáng)短波輻射φsn計(jì)算式為：

式中：φs為到達(dá)地面的總太陽(yáng)輻射量（W/m2）；β1為太陽(yáng)輻射的表面吸收系數(shù)；γ為水面反射率，與太陽(yáng)角度和云層覆蓋率有關(guān)。

②大氣長(zhǎng)波輻射φan計(jì)算式為：

式中：σ 為Stefan-Boltaman 常數(shù)，等于5.67×10-8W/(m2·K4)；εan為大氣發(fā)射率，計(jì)算式為：

式中：Ta為水面上2 m 處的氣溫（℃）；Cr為云層覆蓋率；ea為水面上空氣的蒸發(fā)壓力（hPa），可由氣溫Ta計(jì)算：

式中：hum 為相對(duì)濕度。

③水體長(zhǎng)波的返回輻射 φbr，其強(qiáng)度可用Stefan-Boltzman 定律計(jì)算：

式中：Ts為水表面溫度（℃）；εω為水體的長(zhǎng)波發(fā)射率，一般取0.965。

④水面蒸發(fā)熱損失φe采用《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的公式計(jì)算：

式中：f（W）為風(fēng)函數(shù)（W/（m2·hPa）），反映了自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)蒸發(fā)的影響，計(jì)算式為：

式中：W 為水面上10 m 處的風(fēng)速（m/s）；ΔT 為水氣溫差（℃）；es為相應(yīng)于水面溫度Ts的緊靠水面的空氣飽和蒸發(fā)壓力（hPa），計(jì)算式為：

⑤熱傳導(dǎo)通量φc計(jì)算式為：

⑥水固熱交換φd

渠道固體邊壁的溫度與水的溫度存在一定差值，由于溫差造成熱傳導(dǎo)，屬于水固界面的熱交換。由于本試驗(yàn)中避免了試驗(yàn)裝置與四周及地面的熱交換，故在此不對(duì)水固熱交換進(jìn)行計(jì)算。

1.2 渠道表面接收太陽(yáng)輻射面積計(jì)算

渠道接收太陽(yáng)輻射面積如圖1 所示。從圖1 可以看出，假定灌溉渠道的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬為B，高為H，渠道與東西方向的夾角為β，當(dāng)水深為h，太陽(yáng)高度角為α 時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系得出渠道表面受光照面積，推導(dǎo)過程如下：

圖1 渠道接收太陽(yáng)輻射面積示意 Fig.1 Schematic diagram of solar radiation area received by channels

1.3 水表面溫差計(jì)算

對(duì)于面積為S 的水面，經(jīng)過時(shí)間間隔t，傳導(dǎo)的熱量計(jì)算式為：

而熱量的傳遞必然導(dǎo)致溫度的變化，它們之間的關(guān)系是：

式中：c 為水的比熱容（J/（kg·℃）），取4.2×103J/（kg·℃）；m 為水體質(zhì)量（kg）；T1、T2分別為初始水溫和經(jīng)過時(shí)間t 后水體的溫度（℃）。

因此，對(duì)于一個(gè)確定面積、質(zhì)量和熱通量變化的水體，理論上可在時(shí)間t 內(nèi)計(jì)算出其溫度變化量ΔT，即：

由于式（15）是基于水體表面所有面積接受光照的條件下進(jìn)行計(jì)算的，適用于天然湖泊或水庫(kù)。而對(duì)渠道來說，太陽(yáng)照射的角度和渠道的高度及水深會(huì)使水面一部分面積處于陰影中，接受太陽(yáng)輻射的水面積會(huì)減小。因此在渠道水體表面溫度變化的計(jì)算中，應(yīng)把式（14）中的水面積S 運(yùn)用到式（17）中進(jìn)行修正。

2 模型驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)裝置及儀器

1）水槽：2 個(gè)長(zhǎng)方體透明塑料水槽模擬灌溉渠道，1 號(hào)長(zhǎng)型水槽的尺寸為長(zhǎng)度220 cm、寬度20 cm、高度28 cm；2 號(hào)長(zhǎng)型水槽長(zhǎng)度200 cm，寬度20 cm，高度30 cm。為還原灌溉渠道的實(shí)際情況，用內(nèi)外墻屋面隔熱保溫?cái)D塑聚苯乙烯泡沫板包裹水槽側(cè)面及底部。

2）自動(dòng)式溫度記錄儀：用于自動(dòng)測(cè)試各個(gè)水槽24 h 的水溫，本次試驗(yàn)記錄間隔為30 min。

3）50 ℃量程溫度計(jì)：用于校正自動(dòng)溫度記錄儀。

4）PC-4 型便攜式自動(dòng)氣象站：氣象站位于四川大學(xué)水利水電學(xué)院天臺(tái)，該處日照情況良好，距四周建筑物有足夠的距離，可觀測(cè)得到準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)方案

將2 個(gè)透明的塑料水槽放置在采光良好的天臺(tái)上，槽中水體為一定體積的靜止水體，將ZDR 儀器放在水體表面以在試驗(yàn)過程中測(cè)量水面的溫度。試驗(yàn)中將渠道的走向分成4 種情況：①與東西方向成60°，②與東西方向成45°，③與東西方向成30°，④與東西方向成10°。每種情況進(jìn)行2 個(gè)日照日以上的觀測(cè)，如試驗(yàn)日云量較大或陽(yáng)光不夠充足，可增加試驗(yàn)天數(shù)，最后選取太陽(yáng)輻射較強(qiáng)、云層覆蓋率較少的時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)時(shí)，記錄水槽各個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的水深，每3 h 記錄1 次。此外，還需根據(jù)氣象站獲取每日氣象數(shù)據(jù)。最后運(yùn)用式（1）—式（17）進(jìn)行每日理論水溫溫差計(jì)算，并與實(shí)測(cè)的每日水溫溫差進(jìn)行比較。

2.3 模型系數(shù)選取

1）表面吸收系數(shù)β1。與水的濁度有關(guān)，一般在0.4～0.7 之間取值[23]，經(jīng)多次試算，取為0.7。

2）水面反射率γ。孫志方[24]曾在晴朗天氣下對(duì)較為清澈的池塘進(jìn)行研究，得出了水面反射率隨太陽(yáng)高度角變化的曲線。由于本試驗(yàn)在陽(yáng)光充足、天氣晴朗的條件下進(jìn)行，且水槽內(nèi)的水質(zhì)清澈，試驗(yàn)條件很相似，故有理由依據(jù)其水面反射率-太陽(yáng)高度角曲線進(jìn)行取值。

太陽(yáng)高度角α 計(jì)算式為：

式中：δ 表示太陽(yáng)赤緯（即太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度），太陽(yáng)赤緯與地理緯度一樣，都是以北緯為正，南緯為負(fù)；Φ表示觀測(cè)地地理緯度；ω 表示地方時(shí)（時(shí)角），以正午12:00 是0°為基準(zhǔn)，上午為負(fù)，下午為正，每個(gè)小時(shí)為15°進(jìn)行計(jì)算；N 為1 年中的日數(shù)，從每一年的1 月1 日開始起算。

試驗(yàn)地點(diǎn)的地理緯度為北緯30°37＇41″，即30.63°，則有：sinΦ=0.51，cosΦ=0.86。

由于試驗(yàn)期間，水面反射率隨天數(shù)變化非常微小，所以試驗(yàn)期間每天各個(gè)時(shí)刻的水面反射率取值相同：06:00 和18:00 的水面反射率為0.38；09:00 和15:00的水面反射率為0.08；12:00 的水面反射率為0.068。

由于各個(gè)時(shí)刻氣象條件均在發(fā)生變化，在計(jì)算某個(gè)時(shí)段的熱通量變化時(shí)，對(duì)具有連續(xù)變化的數(shù)據(jù)取該時(shí)段內(nèi)的平均值。而離散的數(shù)據(jù)以各時(shí)段初始時(shí)刻的值帶入公式計(jì)算，例如本試驗(yàn)中云層覆蓋率是根據(jù)網(wǎng)站W(wǎng)ORLD WEATHER ONLINE[25]所得，每3 h 有1 個(gè)數(shù)據(jù)，此時(shí)取初始時(shí)刻的云層覆蓋率進(jìn)行計(jì)算。

2.4 結(jié)果與分析

1 號(hào)、2 號(hào)水槽的溫差計(jì)算結(jié)果如表1 所示。從表2 可以看出，1 號(hào)水槽在試驗(yàn)期間最大計(jì)算溫差為5 月7 日的11.55 ℃，最小計(jì)算溫差為5 月1 日的1.11 ℃。最高絕對(duì)誤差為5 月2 日的5.34 ℃，最低絕對(duì)誤差為5 月7 日的-0.35 ℃，相對(duì)誤差在5.80%～60.22%之間，其中最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在5 月1 日，最小相對(duì)誤差出現(xiàn)在5 月7 日。

2 號(hào)水槽在試驗(yàn)期間最大計(jì)算溫差為5 月6 日的11.04 ℃，最小計(jì)算溫差為5 月1 日的1.01 ℃。最高絕對(duì)誤差為5 月7 日的-2.19 ℃，最低絕對(duì)誤差為4 月29 日的0.06 ℃，除了5 月1 日陰天太陽(yáng)輻射很低導(dǎo)致相對(duì)誤差高達(dá)57.93%外，其他日期的相對(duì)誤差最高為29.16%，最低相對(duì)誤差為0.63%。

表1 1 號(hào)、2 號(hào)水槽溫差計(jì)算結(jié)果 Table 1 Temperature difference calculation results of No.1 and No 2 water tank

整體來看，測(cè)量溫差較理論溫差偏高，存在一定的誤差。1 號(hào)水槽5 月7 日測(cè)量溫差值和理論溫差值基本重合，5 月1 日和5 月2 日測(cè)量值和理論值有較大偏差，但總體變化曲線和變化趨勢(shì)一致；2 號(hào)水槽理論計(jì)算溫差與實(shí)際溫差比較接近，特別是4 月29日、4 月30 日、5 月3 日、5 月4 日和5 月6 日基本重合。分析造成測(cè)量溫差和理論溫差間偏差的原因包括：①讀數(shù)因素。俯視或仰視會(huì)造成讀數(shù)的偏高或偏低；當(dāng)風(fēng)速較低，云量較多時(shí)，水蒸發(fā)較慢，水深變化不明顯，從而觀測(cè)不出讀數(shù)變化；除此之外，卷尺精確度有限，當(dāng)水位變化在1 mm 之內(nèi)，很難肉眼觀測(cè)出來。②試驗(yàn)裝置因素。試驗(yàn)中雖然用保溫隔熱的聚苯乙烯泡沫板包裹了水槽四周及底部，但泡沫厚度不夠，與空氣接觸的泡沫外側(cè)溫度較高，將熱量傳至泡沫內(nèi)側(cè)，使水槽內(nèi)水體與四周空氣及地面存在一定的熱交換，導(dǎo)致測(cè)量溫差相對(duì)于理論值偏高。③計(jì)算取值因素。試驗(yàn)中觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)與時(shí)刻對(duì)應(yīng)，而在計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算出一個(gè)時(shí)段的熱通量變化，這便需要取一個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均值進(jìn)行計(jì)算。這是造成測(cè)量溫差值與理論溫差值間誤差的重要原因。此外，氣象站的云量數(shù)據(jù)是每隔3 h 的觀測(cè)值，無法取平均值，因此只能取某一時(shí)段的初始云層覆蓋率代入公式計(jì)算，造成一定的偏差。

1 號(hào)水槽的理論溫差值與實(shí)際值之間有一定誤差，但其變化趨勢(shì)一致，2 號(hào)水槽的理論溫差與實(shí)際值較為接近且變化趨勢(shì)一致，可以證明前面的計(jì)算模型具有一定的精度，在渠道的設(shè)計(jì)中可利用此公式作為指導(dǎo)。

3 渠道走向及幾何尺寸對(duì)灌溉水增溫的影響

在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用渠道水體升溫公式討論不同的渠道走向、渠道寬深比對(duì)渠道水增溫的影響。分別以渠道寬深比、渠道走向?yàn)樽宰兞?，?jì)算在流量Q、水體質(zhì)量m、渠道開挖橫截面面積A、水體流經(jīng)距離l、渠道糙率n、渠道坡降i 一定的情況下，各個(gè)情況之間水體增溫的差別。

首先選定模型渠道流量Q 為0.08 m3/s，糙率n為0.02，渠道坡降i 為0.005，則根據(jù)水力學(xué)明渠流均勻公式[26]，有：

式中：Q 為渠道流量（m3/s）；v 為斷面平均流速（m/s）；A 為渠道過水?dāng)嗝婷娣e（m2），其中流速可用謝齊公式表示為：

式中：n 為渠道糙率；R 為水力半徑（m）；i 為水力坡降。

式中：B 為渠道寬度（m）；h 為過流斷面水深（m）。

保持渠道走向等其他條件一定，當(dāng)渠道寬深比分別為2∶1、1.5∶1、1∶1 時(shí)，根據(jù)式（20）—式（22）對(duì)渠道相關(guān)尺寸進(jìn)行取值，結(jié)果如表2 所示。

表2 各寬深比對(duì)應(yīng)量值 Table 2 Corresponding value of width depth ratio

取5 月3 日的氣象數(shù)據(jù)計(jì)算在各時(shí)段各渠道走向下不同渠道寬深比的增溫幅度。為保證各種情況只受自變量的影響，取水體質(zhì)量均為100 kg，即水體體積均為0.1 m3，流經(jīng)渠道長(zhǎng)度1 000 m，初始水溫均為5月3日上午09:00的水溫20 ℃。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3 中可以看出，同一走向中，寬深比越大，渠道的增溫效率越高。渠道寬深比為2∶1 時(shí)增溫幅度最大，其次是1.5∶1，增溫幅度最小的是寬深比為1∶1 的渠道；渠道寬深比相同時(shí)，走向不同增溫幅度也不同，東西走向的增溫幅度最大，其次是與東西方向成45°夾角時(shí)，南北走向的增溫幅度最小。

表3 渠道水增溫幅度計(jì)算結(jié)果 Table 3 Results of channel water temperature rise range ℃/km

當(dāng)渠道走向相同，寬深比不同時(shí)，比較不同寬深比對(duì)灌溉水自然增溫效果的影響。以上午09:00 為例，當(dāng)渠道走向均為南北方向時(shí)，渠道寬深比為2∶1時(shí)增溫率為0.089 ℃/km，1.5∶1時(shí)為0.061 ℃/km，1∶1 時(shí)為0.025 ℃/km，寬深比為2∶1 的渠道同樣條件下比寬深比為1∶1 的渠道增溫率高0.064 ℃，經(jīng)10 km 可高0.64 ℃，高出256%；當(dāng)渠道走向均為與東西成45°夾角時(shí)，渠道寬深比為2∶1 時(shí)增溫率為0.105 ℃/km，1.5∶1 時(shí)為0.079 ℃/km，1∶1 時(shí)為0.047 ℃/km，寬深比為2∶1 的渠道在同樣條件下比寬深比為1∶1 的渠道增溫率高0.058 ℃，經(jīng)10 km可高0.58 ℃，高出123.4%；當(dāng)渠道走向均為東西走向時(shí)，渠道寬深比為2∶1 時(shí)增溫率為0.141 ℃/km，1.5∶1 時(shí)為0.122 ℃/km，1∶1 時(shí)為0.099 ℃/km，寬深比為2∶1 的渠道同樣條件下比寬深比為1∶1 的渠道增溫率高0.042 ℃，經(jīng)10 km 可高0.42 ℃，高出42.42%。

當(dāng)渠道寬深比相同，走向不同時(shí)，比較不同走向?qū)喔人匀辉鰷匦Ч挠绊?。仍以上?9:00為例，當(dāng)渠道寬深比為2∶1 時(shí)，南北走向增溫幅度為0.089 ℃/km，與東西成45°夾角時(shí)增溫幅度為0.105 ℃/km，東西走向時(shí)增溫幅度為0.141 ℃/km，同樣條件下東西走向的渠道比南北走向的渠道增溫率高0.052 ℃/km，經(jīng)10 km 可高0.52 ℃，高出58.45%；當(dāng)渠道寬深比為1.5∶1 時(shí)，南北走向增溫幅度為0.061 ℃/km，與東西成45°夾角時(shí)增溫幅度為0.079 ℃/km，東西走向時(shí)增溫幅度為0.122 ℃/km，同樣條件下東西走向的渠道比南北走向的渠道增溫率高0.061 ℃/km，經(jīng)10 km可高0.61 ℃，高出100%；當(dāng)渠道寬深比為1∶1 時(shí)，南北走向增溫幅度為0.025 ℃/km，與東西成 45°夾角時(shí)增溫幅度為0.047 ℃/km，東西走向時(shí)增溫幅度為0.099 ℃/km，同樣條件下東西走向的渠道比南北走向的渠道增溫率高0.074 ℃/km，經(jīng)10 km可高0.74 ℃，高出296%。

3 討 論

熱通量計(jì)算公式常被用來計(jì)算水體的增溫[27-28]，但考慮到渠道比較狹窄，水面并不開闊，由于太陽(yáng)高度角的存在，渠道的尺寸和走向都將會(huì)影響灌溉水的增溫效果。因此本文對(duì)水面的受光面積做了修正，建立了適用于渠道水增溫的計(jì)算模型。試驗(yàn)結(jié)果表明模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果較為符合。此外，李根[29]運(yùn)用SEBAL 模型和SEBS 模型對(duì)南方典型低丘農(nóng)業(yè)小流域的水熱通量進(jìn)行了計(jì)算，模型的總體精度與本文模擬精度相當(dāng)；許多學(xué)者[30,32]利用熱通量板校正法估算土氣界面的水熱傳輸，發(fā)現(xiàn)估算結(jié)果與真實(shí)值存在一定偏差，但可以準(zhǔn)確得到熱通量變化的相位和方向；孫樹臣[33]利用水量平衡過程計(jì)算得到的蒸發(fā)量大于實(shí)測(cè)值，分析原因可能是此模型忽略了土壤的深層滲透，而在本文中不存在土壤深層滲透的問題，蒸發(fā)量只與風(fēng)函數(shù)、水氣溫差和靠水面的空氣飽和蒸發(fā)壓力有關(guān)，使用模型的蒸發(fā)量的計(jì)算結(jié)果比較接近事實(shí)。綜上所述，本文使用的熱通量模型的計(jì)算結(jié)果比較可靠，但也存在一定的誤差，原因可能主要有以下幾點(diǎn)：①物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楹?jiǎn)化的模型，未進(jìn)行原型觀測(cè)；②氣象條件進(jìn)行了平均化處理；③裝置周圍泡沫不能完全避免水固熱交換。

模型的計(jì)算結(jié)果顯示灌溉渠道的寬深比越大，灌溉水的增溫效果越明顯。在本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，其他條件相同的情況下，寬深比為2∶1 的渠道的增溫效率比1∶1 的渠道高42.42%～256%，這與已有的研究結(jié)果[6,18-19,34]一致。例如，閆海等[19]也發(fā)現(xiàn)渠道增溫與渠道的寬深比有關(guān)，在他的觀察模型中渠道寬深比為5∶1 時(shí)平均可增溫2.53 ℃/100 m，寬深比為3∶1時(shí)平均增溫1.71 ℃/100 m。寬深比大的渠道增溫效果更好的原因是由于太陽(yáng)高度角的存在，寬淺式渠道更有利于增加受光面積，從而吸收更多的太陽(yáng)輻射，達(dá)到更好的增溫效果。

模型的計(jì)算結(jié)果顯示渠道走向越接近于東西走向，灌溉水的增溫效果越明顯。在本試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，其他條件相同的情況下，東西走向的渠道增溫效率比南北走向的渠道高58.45%～296%。但目前的渠道設(shè)計(jì)規(guī)范中暫未考慮走向這一因素，也鮮有灌溉渠道走向?qū)喔人鰷匦Ч挠绊戇@方面的研究，但有關(guān)于渠道走向?qū)η苍鰷匦Ч念愃频难芯?，例如葉爾肯·巴合提漢[35]和程滿金等[36]通過計(jì)算證實(shí)渠道走向?qū)η赖娜照諒?qiáng)度有重要的影響；郭殿祥等[37]通過對(duì)渠道接收輻射的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)東西走向的渠道比南北走向的渠道增溫效果更佳。本文也只對(duì)灌溉渠道走向?qū)喔人鰷匦Ч挠绊懽隽顺醪降奶骄浚笮枰郊由险谑a系數(shù)綜合考慮渠道走向?qū)喔人鰷氐挠绊?。在?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)農(nóng)作物種類（所需水溫不同）、地形及經(jīng)濟(jì)因素合理布置渠道的走向，可根據(jù)實(shí)際情況通過上述模型進(jìn)行計(jì)算來分段布置渠道走向，最大限度的利用自然增溫的效果。

4 結(jié) 論

1）在熱通量公式和水體增溫公式的基礎(chǔ)上，考慮了太陽(yáng)高度角、渠道寬深比和渠道走向?qū)λ娼邮仗?yáng)輻射面積的影響，建立了適用于渠道輸水過程中灌溉水增溫的數(shù)學(xué)模型，使水體增溫公式更接近實(shí)際。

2）通過水槽試驗(yàn)?zāi)M渠道，水槽的理論溫差與測(cè)量溫差值較為接近，且變化趨勢(shì)一致，證實(shí)計(jì)算模型一定的合理性。

3）在其他條件相同的情況下，寬深比越大，渠道的增溫效果越好；越接近東西走向的渠道增溫效果越好。因此，在可能的情況下，應(yīng)使渠道走向接近東西方向并增加渠道寬深比。