基于EM的灌溉渠道是否存在渗漏损失的验证分析

时圣民

(山东省单县时楼镇人民政府，山东 菏泽 274300)

1 概 述

农业是中国最大用水者，约占总用水量的60%。此外，由于全球变暖，未来灌溉用水可能会增加。如果不对水资源进行适当的管理，农业和其他部门之间的竞争有可能加剧缺水危机[1]。而衬砌渠道可以减少60%～80%的损失，尽管由于土壤的低导水率，一些土制渠道的渗水率已经很低了[2]，但减少渠道损失将提高灌溉系统的效率[3-4]，可减少用于灌溉的分流水量。因此，需要一种快速、廉价和易于使用的方法来检测灌溉渠道的渗漏，以定位水损失并确定必须衬砌的渠道[5]。

确定灌溉渠道损失的两种最著名方法是流入-流出法及积水试验法。流入-流出法的主要优点是可在渠道正常运行条件下测量损失，而主要缺点是需要随着时间的推移进行大量精确测量，并且无法确定局部损失。积水试验法是用水填充封闭的部分渠道，并测量自由水面的下降率。虽然这种方法可准确测量，但不能用于大型灌溉渠道、多分支渠道或高边坡渠道以及正常运行条件不能中断的缺点。电磁感应(EM)方法被证明是测量土壤含水量的一种快速工具，被用于评估渗透损失。其他仪器也可以用来更精确地测量土壤含水量，如时域反射仪(TDR)。为排除其他可能干扰损失评估的因素，本文采用EM和TDR的联合应用的方法，提供电导率和土壤含水量的数据，以检测灌渠渗漏损失的可能性。

2 设备及方法

山东菏泽引黄灌区一些渠道已被证实存在水流失的现象。本项研究的重点是比较电磁与其他传统技术(声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计获得的流量测量)测量的渗流损失，并收集通过TDR测量的土壤含水量值，以验证电磁测量的可靠性。

2.1 电磁设备

使用电磁感应仪器(EM)测量土壤表观电导率(ECa)，以mS/m表示，并将传感器下方的土壤视为均匀和各向同性的。每个仪器有两个线圈(一个发射器和一个接收器)，它们以固定或可变的距离放置。仪器可在土壤中感应电流，穿透深度由线圈的间距和电流频率决定。电导率受土壤含盐量和类型、黏土含量和类型、矿物类型、基岩深度、土壤含水量、有机质和温度的影响。信号到达深度由土壤的均匀性决定。如果土壤在地表附近具有很强的导电性，那么信号就会消散，不会深入。

在本研究中，使用GEM-2型设备获取电磁数据。GEM-2的线圈间距为1.66 m，带宽范围为300 Hz至48 kHz，可以传输包含多个频率的任意波形；能够通过脉宽调制技术发送和接收任何数字合成波形。由于其波形的任意性和高速数字化，传感器可以在频域模式或时域模式下工作。其内置的操作软件允许测量员在1.5 m的线间距下每小时覆盖约4 000 m2。

2.2 TDR(时域反射仪)设备

为了评估电磁测量的可靠性，有必要验证电导率的降低是由于渠道的渗透损失，而不是土壤含水量的减少。对灌渠两边的土壤含水量进行监测，以验证在渠道内有水和无水的情况下土壤含水量保持不变。为了测量灌渠周围土壤的含水量，使用时域反射仪将长0.75 m的探头垂直插入土壤中。TDR探头、土壤采样点和EM样带见图1。

图1 采样方案注：实线表示灌渠底部；平行于灌渠方向的虚线表示EM测量样线；圆点代表TDR探针和土壤采样位置。

2.3 流量测量设备

用声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计测量流量，并记录对比结果，进行分析研究。

2.4 电磁测量和TDR测量的采样方案

TDR测量网格并没有完全应用于每条被调查的渠道，因为特定的场地限制探针插入。缺失的测量值将在后文列出。

2.5 试验场地

2.5.1 引黄灌区抽样渠道Q1

灌渠Q1宽3 m，深约1 m。对渠道中的不同水位，测量3个周期。在测试的第一天(2020.4.26)，渠道水位为13 cm；在测试的第二天(2020.6.24)，渠道的水位为27 cm。第三次测量是通过干渠进行的(2020.9.14)。选择沿渠道相距500 m的两个横截面，用声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计对流量进行测量。右岸的TDR测量是在距离渠道边缘1 m的地点进行的，每个位置都用字母标记(图1)。同时在距离渠道边缘1、2和3 m处的左岸进行TDR测量。由于土壤的石质，无法在前两个地点(A和B)安装TDR探头。电磁测量是沿着平行于渠道两岸的线路，距渠道边缘1、2.5和4 m处进行测量。

2.5.2 引黄灌区抽样渠道Q2

调查的渠道Q2宽2 m，深约1.5 m，此抽样渠道的测量活动分为两个阶段：第一阶段灌渠水位36 cm (2020.4.21)，第二阶段灌渠无水(2020.5.2)。确定沿渠道彼此相距460 m的两个横截面，使用两个声学多普勒剖面仪和两个螺旋桨流量计进行测量。在距离渠道边缘1、2和3 m的地点进行TDR测量。TDR测量是沿着两个横断面的11个点进行的。一个样带位于距离渠道左岸0.5 m处，另一个位于距离渠道右岸0.5 m处。尽管渠道已经干了几天，两个样带的第一站(A)仍然被水覆盖，因此没有进行TDR测量。

2.5.3 引黄灌区抽样渠道Q3

抽样调查的渠道Q3宽为4 m，深超过1.5 m。此渠道分两次测量：第一次测量(2020.4.27)的渠道水位为57 cm，第二个断面的水位从上游的0.10 m到下游的0.22 m不等。第二次测量(2020.5.5)的水位是可达到的最低水平，因为河道拦截了上层地下水位。用声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计在相距300 m的两个横截面上进行流量测量。

因为左岸陡峭，TDR测量仅在渠道右岸进行。沿3个横断面的11个点测量渠道内的TDR数值。3个样带位分别位于渠道左岸0.5 m处，右岸0.5 m处及两侧1.5 m处。

3 实验结果

3.1 流量测量-螺旋桨流量计

测量结果见表1。

表1 螺旋桨流量计的流量测量结果

由表1可知，使用螺旋桨流量计现场测定的渠道Q2的流量损失约为15%，渠道Q1的流量损失约为 22%。在渠道Q3，下游横截面处的流量比上游横截面处测得的流量大11%。

3.2 流量测量-声学多普勒剖面仪

测量结果见表2。

表2 声学多普勒剖面仪的流量测量结果

由表2可知，根据对Q1现场测得的流量平均值的分析(以10 min为间隔进行计算)，估计损失为0.017 m3/s，相当于渠道上游横截面测得流量的11%。对Q2现场测得的流量值进行相同的分析，得出水损失估计为0.203 m3/s(初始流量的23%)。在渠道Q3现场，下游横截面处测得的流量大于在上游横截面处的流量，流速增加等于上游部分流速的25%。数据不同是因为多普勒剖面仪测得的数据与平均10 h相关，而螺旋桨流量计得到的数据是瞬时的。

3.3 电导率与土壤含水量的关系

3.3.1 引黄灌区抽样渠道Q1

在Q1收集的数据表明，当渠道自由表面高度降低时，电导率值会增加。当电导率值增加时，平均土壤含水量没有任何显着变化。见图2。

观察图2可知，当自由水面高度为36 cm时，土壤含水量的平均值为0.269 m3/m3(标准偏差为0.071 m3/m3)；自由水面高度为13 cm时，含水量平均值为0.278 m3/m3(标准偏差为0.094 m3/m3)；当渠道中没有水，即自由水面高度为0 cm时，土壤含水量的平均值为0.231 m3/m3(标准偏差0.034 m3/m3)。

图2 实验地点Q1用TDR测量的土壤含水量与以5和20 kHz频率测量的土壤电导率之间的关系

同时研究发现，在5 kHz频率下进行测量时，电导率值的平均增幅为130 mS/m；在20 kHz频率下进行测量时，电导率值的平均增幅为20 mS/m。

3.3.2 引黄灌区抽样渠道Q2

从实验场地Q2获得的数据与在Q1场地收集的数据一致，表明渠道干燥时电导率值增加。研究发现，电导率值的增加不是由土壤含水量的变化引起的。

分析实验结果知，当自由水面高度为36 cm时，土壤含水量的平均值为0.226 m3/m3(标准偏差为0.078 m3/m3);当渠内无水时，土壤含水量的平均值为0.259 m3/m3(标准偏差为0.089 m3/m3)。

图3显示了与土壤含水量数据相关的电导率值，以验证在恒定含水量下是否存在电导率差异。事实上，以往研究结果表明[6]，在含水量恒定的条件下，土壤中的水流会导致电导率降低。

图3 实验地点Q2用TDR测量的土壤含水量与以5和20 kHz频率测量的土壤电导率之间的关系

在频率为5 kHz时，两次测量的电导率平均值分别为250和70 mS/m。确定在20 kHz频率下两次测量之间的平均电导率差异比较困难。在此频率下，电导率差异最大可减小至20 mS/m，在某些情况下可以忽略不计。

3.3.3 引黄灌区抽样渠道Q3

与从Q1和Q2实验点获得的数据相反，来自Q3实验点的数据并未显示出干渠时电导率值的系统性增加。当自由水面高度为57 cm时，土壤含水量的平均值为0.075 m3/m3(标准偏差为0.021 m3/m3);当自由水面高度为22 cm时，土壤含水量的平均值为0.072 m3/m3(标准偏差为0.011 m3/m3)。

图4表明，在两个不同水位高度(22和57 cm)下测得的电导率值没有明显的差异。在以20 kHz频率进行的测量中，检测到最小的电导率差异。这种电导率的变化是由于在测量过程中渠道的低水位之前的几天里有降雨，这使土壤的水分含量略有增加。

图4 实验地点Q3用TDR测量的土壤含水量与以5和20 kHz频率测量的土壤电导率之间的关系

3.4 水位与电导率之间的关系

图5为平均电导率值与渠道内水位的平均高度之间的关系。在Q1和Q2收集的数据表明，电导率的增加与水位高度的降低有关。根据Akbar[6]等研究表明，电导率降低表明水流流过渠道两岸。通过使用声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计进行的流量测量，可以确认Q1和Q2渠道的水损失。在Q3现场收集的数据显示出不同的现象：两个非常不同的水头测得的电导率没有显着差异。这表明Q3渠道段没有明显失水的假设成立。

图5 渠道内水位与电导率的关系

关于Q3渠道，从含水量和电导率之间的关系获得的数据没有显示出含水量或电导率的变化。无水流损失假说也得到了与电导率测量同时进行的调查的支持。

4 结 论

本文研究了电磁感应系统(EM)的适用性，以确定存在的水损失的灌渠。为此，在菏泽市引黄灌区选择了3条最常见的代表渠道，使用电磁设备收集的电导率值，与传统技术测量的数据进行了比较，如流入-流出(声学多普勒剖面仪和螺旋桨流量计)，并结合土壤水分测量(TDR-时域反射仪)。对3条渠道中两条(Q1和Q2)的流量测量表明存在渗流损失:在相同的两条渠道中，可以确定电导率的降低与水头的增加有关。在Q3中，没有检测到电导率的降低，与未显示明显渗漏损失的流量值一致。

相对于传统的流入-流出方法，用于检测渗漏损失的EM系统的主要优点是：①可沿监测区域定位泄漏地点；②可延伸检查泄漏区域；③可确定损失是发生在渠道的一侧还是两侧。与积水试验法相比，使用EM也有优势，它可以在渠道的正常运行条件下进行测量。必须指出的是，在5 kHz进行的测量更能区分渗透损失对电导率的影响。