張金鳳，徐志俠，楊國瑞

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.灤平縣水務(wù)局 河北 灤平 068250)

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，夏季炎熱，降水稀少，屬典型的干旱荒漠性氣候，年均降水量約16.6 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)2 845 mm以上，屬資源性缺水與結(jié)構(gòu)性缺水并存地區(qū)[1]。摸清吐魯番市灌區(qū)渠系水利用現(xiàn)狀，科學(xué)分析節(jié)水潛力，對吐魯番市水資源管理、灌區(qū)建設(shè)以及用水效率的提高具有重要意義。

2013年，申佩佩等[2]提出了根據(jù)首尾測算法和分段測算法來測定灌溉水有效利用系數(shù)，并得出首尾法工作量小，但只能反映整個(gè)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；分段法工作量大，但可以反映灌區(qū)渠系用水情況。周永德等[3]以遼陽灌區(qū)為例，選定典型渠道，利用傳統(tǒng)動水測算法，計(jì)算出渠道水利用系數(shù)的平均值，然后依據(jù)灌區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行系數(shù)修正，最后得到全灌區(qū)渠系水利用系數(shù)。2016年6月，吐魯番市水利局采用綜合測驗(yàn)法和首尾測算法對吐魯番市高昌區(qū)煤窯溝大型灌區(qū)、鄯善縣柯柯亞大型灌區(qū)、托克遜縣阿拉溝大型灌區(qū)開展灌溉水利用系數(shù)測定[4]，綜合測驗(yàn)法即分段測算法。結(jié)果表明，綜合測驗(yàn)法測定吐魯番市灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)0.615，反映了灌區(qū)灌溉水利用效率現(xiàn)狀，但干、支渠采用流速儀施測，斗、農(nóng)渠流量小采用梯形量水堰觀測，需大量的人力物力進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)觀測，精度高但耗時(shí)長，需統(tǒng)籌安排；而首尾測算法指的是整個(gè)灌區(qū)田間灌溉用水量與水源引輸水量之比，反映灌溉系統(tǒng)整體引輸水利用效率，缺少對每一級別渠道進(jìn)行水利用系數(shù)測量。

目前，對灌區(qū)水有效利用系數(shù)監(jiān)測、計(jì)算方法的研究成果不少，但實(shí)際在吐魯番市應(yīng)用、耗時(shí)短且取得良好效果的方法基本沒有，現(xiàn)狀吐魯番市渠系水有效利用系數(shù)的計(jì)算采用的是統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算結(jié)果精度差。

由于吐魯番市斗渠以上干、支渠道已有監(jiān)測，且鑒于前期研究經(jīng)驗(yàn)，本文采用無人機(jī)對吐魯番市柯柯亞灌區(qū)斗渠以下渠系水有效利用系數(shù)的監(jiān)測方法進(jìn)行改進(jìn)研究，提高監(jiān)測效率，對是合理評價(jià)灌區(qū)節(jié)水改造成效和分析節(jié)水潛力的重要依據(jù)，對于水資源科學(xué)管理、提高灌區(qū)建設(shè)和管理水平具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)的選擇應(yīng)能代表吐魯番市灌溉水有效利用系數(shù)的平均水平。通過對吐魯番市各類灌區(qū)調(diào)研，從灌區(qū)規(guī)模、種植結(jié)構(gòu)、灌區(qū)灌溉工程建設(shè)情況等多個(gè)方面考慮，確定柯柯亞灌區(qū)為研究區(qū)域?？驴聛喒鄥^(qū)位于吐魯番市鄯善縣，灌區(qū)位于北緯42°48′～43°06′、東經(jīng)90°05′～90°31′之間，主要以柯柯亞水庫為水源，于2016年被自治區(qū)列為全疆四個(gè)現(xiàn)代化灌區(qū)示范區(qū)之一，設(shè)計(jì)灌溉面積35.25萬畝[4]，有效灌溉面積33.34萬畝。骨干灌溉工程包括：渠首工程3處、骨干渠道28條、總長度422.92 km，渠系建筑物755座，主要作物為葡萄和哈密瓜，灌區(qū)的氣候條件對葡萄的生長發(fā)育極為有利。在柯柯亞灌區(qū)現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合考慮灌區(qū)規(guī)模、渠系情況，在不影響監(jiān)測精度的原則下，選取柯柯亞灌區(qū)飛機(jī)場作為典型研究區(qū)，以便監(jiān)測工作更高效的開展。典型研究區(qū)飛機(jī)場位于柯柯亞灌區(qū)中部，渠道以襯砌為主，面積約400畝，全部種植葡萄，種植結(jié)構(gòu)為畦田分布。

2 改進(jìn)霍夫變換的渠系提取

飛機(jī)場典型研究區(qū)位于柯柯亞灌區(qū)中部，渠道以襯砌為主，面積約400畝，全部種植葡萄，種植結(jié)構(gòu)為畦田分布。

本次研究數(shù)據(jù)來源于2018年7月，從研究區(qū)中選擇 3 塊包含渠系的區(qū)域(圖1)，其中測試區(qū) 1 僅有渠系信息，測試區(qū) 2 包含房屋以及渠系信息，測試區(qū) 3 包含農(nóng)田、道路及渠系信息。

圖1 典型研究區(qū)影像及位置

2.1 渠系提取計(jì)算

本次渠系提取主要以無人機(jī)航空攝影測量獲得的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)，主要流程包括坡度轉(zhuǎn)換、坡度數(shù)據(jù)灰度處理、二值化、去噪、膨脹、邊緣檢測和改進(jìn)的霍夫變換等步驟(圖2)。

圖2 xy空間到參數(shù)空間的映射關(guān)系

霍夫變換是數(shù)字圖像處理中從圖像中識別幾何形狀的基本方法之一，它最初只用于對二值圖像進(jìn)行直線檢測，后來擴(kuò)充可以檢測任意給定形狀?；舴蜃儞Q優(yōu)點(diǎn)在于算法穩(wěn)定性好，抗噪性能好?；舴蜃儞Q圖像識別過程采用圖像空間到參數(shù)空間的映射關(guān)系，直線表達(dá)式為：

y=kx+b

由于該表達(dá)式無法表示垂直于軸的直線，因此本次引入極坐標(biāo)表達(dá)方式：

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

式中：θ為線與x軸的夾角，ρ 為直線到原點(diǎn)的距離。霍夫變換即為在參數(shù)空間中計(jì)算累計(jì)結(jié)果的局部最大值，從而得到符合條件的集合。

2.2 方法改進(jìn)

針對本灌區(qū)，基本霍夫變換渠系提取后存在2個(gè)問題: 渠系間存在相交現(xiàn)象；渠系出水點(diǎn)過多，有1 000多個(gè)，出水點(diǎn)過多將大幅增加計(jì)量儀器費(fèi)用，需適量縮減。對此提出以下解決辦法：

2.2.1 渠系相交改進(jìn)

渠系間存在相交是由于數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣檢測和圖像膨脹操作之后存在多像素連接的帶狀區(qū)域以及坡度數(shù)據(jù)的4個(gè)峰值變化。本文采用幾何方法對該問題進(jìn)行處理。

本研究區(qū)渠系存在兩種相交情況:一條渠系的兩端分別位于另外一條渠系兩側(cè)(圖3a); 第二種為一條渠系一端位于另外一條渠系中間(圖3b)。根據(jù)代數(shù)幾何，已知直線的 2個(gè)端點(diǎn) P1(x1，y1)和P2(x2，y2)，直線的表達(dá)式表示為

圖3 渠系相交情況

此時(shí)x2≠x1且y2≠y1，上式可寫為：

(y-y1)(x2-x1)-(x-x1)(y2-y1)=0

在y2-y1以及x2-x1固定情況下，若另外一條渠系的兩端分別在一條渠系的兩側(cè)，或者其中一點(diǎn)在該渠系上，那么上式的結(jié)果則一個(gè)≥0，一個(gè)≤0，即兩者乘積小于等于零，如果兩條渠系滿足相交情況并且斜率之差的絕對值在某個(gè)閾值范圍內(nèi)，則可認(rèn)為這兩條渠系提取的是同一個(gè)區(qū)域。

采用

計(jì)算兩條渠系的長度，且選取較長的一條作為該區(qū)域的代表渠系。

2.2.2 出水點(diǎn)數(shù)量改進(jìn)

本次研究為應(yīng)用研究，考慮吐魯番市預(yù)算出水口計(jì)量儀器費(fèi)用有限，需大幅削減出水點(diǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場考察，飛機(jī)場區(qū)域葡萄種植結(jié)構(gòu)規(guī)范，為畦田分布，每一塊葡萄地有多畦，每一畦兩邊開挖小渠道進(jìn)行灌溉。每一塊葡萄地之間的分支渠道上，5～6 m的間隔有一個(gè)出水口(見圖4)，由此出水口對每一畦葡萄地進(jìn)行灌溉，這樣的出水口有1 000多個(gè)。

圖4 飛機(jī)場區(qū)域末端出水口圖

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，將分支渠道兩側(cè)農(nóng)田區(qū)域內(nèi)植株的臨界間距設(shè)定為3 m，即植株間距L≤3 m以內(nèi)時(shí)，這兩塊農(nóng)田作為一個(gè)區(qū)域，分支渠道當(dāng)作田間渠道，分支渠道上的出水點(diǎn)不作為計(jì)量點(diǎn)；當(dāng)L>3 m時(shí)，作為兩個(gè)獨(dú)立的田塊。按照上述方法處理后，出水點(diǎn)計(jì)量點(diǎn)大大減少，由1 000多個(gè)減少到13個(gè)，出水口計(jì)量點(diǎn)標(biāo)記為計(jì)量點(diǎn)1～13，具體位置見圖5。

圖5 飛機(jī)場斗渠出水口計(jì)量點(diǎn)

3 渠系水利用系數(shù)測算方法

本次根據(jù)提取的渠系分布設(shè)置進(jìn)出水口，并采用首尾測算分析法對飛機(jī)場典型區(qū)的渠系水利用系數(shù)進(jìn)行測算。本文的首尾測算分析法是指，直接灌入田間可被植物吸收利用的水量(末端渠系出水口)與灌區(qū)從進(jìn)水口取用的灌溉總水量的比值來計(jì)算渠系水利用系數(shù)。

3.1 進(jìn)、出水口計(jì)量點(diǎn)位置選擇

進(jìn)、出水口計(jì)量點(diǎn)的選擇直接影響渠系水利用系數(shù)測定的工作量及精度。飛機(jī)場區(qū)域的作物灌溉由一條斗渠引水，考慮引水斗渠進(jìn)水口的水流狀態(tài)、水量監(jiān)測設(shè)備安裝條件，進(jìn)水口計(jì)量點(diǎn)選在斗渠進(jìn)水口附近的順直渠道(流態(tài)近似為恒定均勻流)上，進(jìn)水口計(jì)量點(diǎn)標(biāo)記為A點(diǎn)，具體位置見圖6。

圖6 飛機(jī)場斗渠進(jìn)水口監(jiān)測點(diǎn)A

3.2 計(jì)量設(shè)施選擇

目前灌區(qū)渠道的計(jì)量設(shè)施種類很多，包括浮子式水位計(jì)、壓力水位計(jì)、超聲水位計(jì)、雷達(dá)和激光水位計(jì)、巴歇爾槽等。浮子式水位計(jì)[9]適用能修建專用靜水測井的水位測站，前期土建工程建設(shè)投資較大；壓力水位計(jì)探頭設(shè)置于水下，易受雷電干擾，且對氣壓、溫度零漂等影響要有完善的補(bǔ)償措施；氣介式超聲水位計(jì)是將超聲波探頭安裝在水面上，超聲波垂直向下發(fā)射，通過水面反射后計(jì)算超聲波探頭距水面距離推算出水位；雷達(dá)和激光水位計(jì)是從測距儀演變而來，利用電波反射測距原理制成，工作頻率約為2 GHz，測量量程大，精度較高，但對于渠道寬度<1 m的渠道測量精度不高；巴歇爾槽有著水頭損失小、水中即使有固態(tài)物質(zhì)也幾乎不沉淀、接近流速的影響小、對下流側(cè)的水位影響比較小等優(yōu)點(diǎn)。

飛機(jī)場斗渠進(jìn)水口計(jì)量點(diǎn)A寬度約1 m，出水口計(jì)量點(diǎn)所在的渠道均寬度不大，約0.5 m。灌溉時(shí)，渠道水流流速和水位變幅小。根據(jù)進(jìn)、出水口計(jì)量點(diǎn)的監(jiān)測設(shè)備安裝環(huán)境、水流狀態(tài)、水位變幅，另考慮監(jiān)測設(shè)備特性，渠道寬度大于等于1m采用非接觸式的雷達(dá)水位計(jì)，渠道寬度小于1m采用巴歇爾槽，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出水口處的水量監(jiān)測。

3.2.1 雷達(dá)水位計(jì)

雷達(dá)水位計(jì)[9]是一種采用快速脈沖雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水位測量的水位儀器，測量時(shí)不受溫度梯度、水流流速、流水含沙、水中污染物及沉淀物的影響，具有完全非接觸的特點(diǎn)。雷達(dá)水位計(jì)到水面距離的計(jì)算公式為：

H=CT/2

(2)

式中：H為雷達(dá)水位計(jì)到水面的距離；C為光速；T為電磁波經(jīng)歷的時(shí)間。

雷達(dá)水位計(jì)安裝時(shí)，水位計(jì)中心距岸邊的距離必須大于發(fā)射波束的半徑?？紤]到雷達(dá)水位計(jì)不適用于小河道，本研究在1 m以上河寬的渠道上使用雷達(dá)水位計(jì)。

3.2.2 巴歇爾槽流量計(jì)

巴歇爾槽流量計(jì)的原型是文丘里水槽[10]，常被用來測量農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水等液體的流量。巴歇爾槽由上游收縮段、短直喉道和下游擴(kuò)散段三部分組成。使用巴歇爾槽時(shí)要注意：

(1)巴歇爾槽的中心線要與渠道的中心線重合，使水流進(jìn)入巴歇爾槽不出現(xiàn)偏流。

(2)巴歇爾槽通水后，水的流態(tài)要自由流。

(3)巴歇爾槽的淹沒度要小于規(guī)定的臨界淹沒度。

巴歇爾槽適合渠道坡降小、水中雜質(zhì)多、流量為1.5 L/s～93 m3/s的明渠排水流量測量[10]?？紤]到河道流量越大、河道越寬，巴歇爾槽越大，制作成本越高，本研究考慮河寬在1m以下(含1 m)渠道使用巴歇爾槽。巴歇爾槽結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 巴歇爾槽結(jié)構(gòu)圖

3.3 渠系水利用系數(shù)計(jì)算

基于水量均衡定理，用出水口水量計(jì)算進(jìn)入田間的灌溉用水量，進(jìn)水口水量為毛灌溉用水量，末端渠系水利用系數(shù)是區(qū)域內(nèi)各出水口水量Wj之和與進(jìn)水口水量Wa之比。

(3)

式中：η為末端渠系水利用系數(shù)；n為出水口個(gè)數(shù)，n=13；Wj為出水口水量；Wa為進(jìn)水口水量

4 討論

本研究典型區(qū)的選擇考慮了柯柯亞灌區(qū)主要種植葡萄以及地區(qū)土壤、地質(zhì)條件、防滲襯砌長度等灌區(qū)條件的不同，并與當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T溝通，選取能代表地區(qū)平均渠系水利用程度的典型區(qū)，計(jì)量結(jié)果更切合灌區(qū)當(dāng)前工程狀況和管理水平。通過對典型區(qū)進(jìn)出水的計(jì)量和控制，能夠較精確的得出典型區(qū)末端渠系水利用系數(shù)，符合地區(qū)管理需要和國家2019年“加強(qiáng)用水計(jì)量統(tǒng)計(jì)”[11]的政策導(dǎo)向。

本研究假定當(dāng)分支渠道兩側(cè)的農(nóng)田區(qū)域植株之間棵間距離小于3m時(shí)，將這兩個(gè)農(nóng)田作為一個(gè)田間區(qū)域，不設(shè)置計(jì)量設(shè)施。此方法減少了末端渠系水利用系數(shù)的計(jì)量設(shè)施，能在經(jīng)費(fèi)有限的情況下較精確的計(jì)量斗渠以下渠系水利用系數(shù)，為地方政府計(jì)量斗渠以下渠系水利用系數(shù)作出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

(1)吐魯番市屬嚴(yán)重缺水地區(qū)，開展渠系水利用系數(shù)計(jì)量及節(jié)水措施尤為重要。渠系水利用系數(shù)的測算研究，提高了灌區(qū)用水的管理水平，為灌區(qū)開展大面積的節(jié)水措施、分配灌溉水量、制定水費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)及技術(shù)支撐，亦符合國家2019年 “加強(qiáng)用水計(jì)量統(tǒng)計(jì)”政策。

(2)本研究假定當(dāng)分支渠道兩側(cè)的農(nóng)田區(qū)域植株之間棵間距離小于3 m時(shí)，不設(shè)置計(jì)量設(shè)施。此方法減少了末端渠系水利用系數(shù)的計(jì)量設(shè)施，降低了末端渠系水利用系數(shù)的計(jì)量精度。如何用更科學(xué)的方法精確計(jì)量末端渠系水利用系數(shù)，且不過量增加研究經(jīng)費(fèi)，這是下一步亟待解決的問題，需開展深層次研究。但末端渠系水利用系數(shù)的計(jì)量是必然趨勢，它為改善渠道用水管理狀況、提高灌區(qū)的節(jié)水水平做出貢獻(xiàn)。