吐鲁番市斗渠以下渠系水利用系数监测方法研究

张金凤，徐志侠，杨国瑞

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.滦平县水务局 河北 滦平 068250)

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区中部，夏季炎热，降水稀少，属典型的干旱荒漠性气候，年均降水量约16.6 mm，年蒸发量高达2 845 mm以上，属资源性缺水与结构性缺水并存地区[1]。摸清吐鲁番市灌区渠系水利用现状，科学分析节水潜力，对吐鲁番市水资源管理、灌区建设以及用水效率的提高具有重要意义。

2013年，申佩佩等[2]提出了根据首尾测算法和分段测算法来测定灌溉水有效利用系数，并得出首尾法工作量小，但只能反映整个灌区的灌溉水有效利用系数；分段法工作量大，但可以反映灌区渠系用水情况。周永德等[3]以辽阳灌区为例，选定典型渠道，利用传统动水测算法，计算出渠道水利用系数的平均值，然后依据灌区实际情况进行系数修正，最后得到全灌区渠系水利用系数。2016年6月，吐鲁番市水利局采用综合测验法和首尾测算法对吐鲁番市高昌区煤窑沟大型灌区、鄯善县柯柯亚大型灌区、托克逊县阿拉沟大型灌区开展灌溉水利用系数测定[4]，综合测验法即分段测算法。结果表明，综合测验法测定吐鲁番市灌区灌溉水利用系数0.615，反映了灌区灌溉水利用效率现状，但干、支渠采用流速仪施测，斗、农渠流量小采用梯形量水堰观测，需大量的人力物力进行统筹协调观测，精度高但耗时长，需统筹安排；而首尾测算法指的是整个灌区田间灌溉用水量与水源引输水量之比，反映灌溉系统整体引输水利用效率，缺少对每一级别渠道进行水利用系数测量。

目前，对灌区水有效利用系数监测、计算方法的研究成果不少，但实际在吐鲁番市应用、耗时短且取得良好效果的方法基本没有，现状吐鲁番市渠系水有效利用系数的计算采用的是统计方法，计算结果精度差。

由于吐鲁番市斗渠以上干、支渠道已有监测，且鉴于前期研究经验，本文采用无人机对吐鲁番市柯柯亚灌区斗渠以下渠系水有效利用系数的监测方法进行改进研究，提高监测效率，对是合理评价灌区节水改造成效和分析节水潜力的重要依据，对于水资源科学管理、提高灌区建设和管理水平具有重要意义。

1 研究区概况

研究区的选择应能代表吐鲁番市灌溉水有效利用系数的平均水平。通过对吐鲁番市各类灌区调研，从灌区规模、种植结构、灌区灌溉工程建设情况等多个方面考虑，确定柯柯亚灌区为研究区域。柯柯亚灌区位于吐鲁番市鄯善县，灌区位于北纬42°48′～43°06′、东经90°05′～90°31′之间，主要以柯柯亚水库为水源，于2016年被自治区列为全疆四个现代化灌区示范区之一，设计灌溉面积35.25万亩[4]，有效灌溉面积33.34万亩。骨干灌溉工程包括：渠首工程3处、骨干渠道28条、总长度422.92 km，渠系建筑物755座，主要作物为葡萄和哈密瓜，灌区的气候条件对葡萄的生长发育极为有利。在柯柯亚灌区现场调研的基础上，综合考虑灌区规模、渠系情况，在不影响监测精度的原则下，选取柯柯亚灌区飞机场作为典型研究区，以便监测工作更高效的开展。典型研究区飞机场位于柯柯亚灌区中部，渠道以衬砌为主，面积约400亩，全部种植葡萄，种植结构为畦田分布。

2 改进霍夫变换的渠系提取

飞机场典型研究区位于柯柯亚灌区中部，渠道以衬砌为主，面积约400亩，全部种植葡萄，种植结构为畦田分布。

本次研究数据来源于2018年7月，从研究区中选择 3 块包含渠系的区域(图1)，其中测试区 1 仅有渠系信息，测试区 2 包含房屋以及渠系信息，测试区 3 包含农田、道路及渠系信息。

图1 典型研究区影像及位置

2.1 渠系提取计算

本次渠系提取主要以无人机航空摄影测量获得的数字高程模型(DEM)为基础，主要流程包括坡度转换、坡度数据灰度处理、二值化、去噪、膨胀、边缘检测和改进的霍夫变换等步骤(图2)。

图2 xy空间到参数空间的映射关系

霍夫变换是数字图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法之一，它最初只用于对二值图像进行直线检测，后来扩充可以检测任意给定形状。霍夫变换优点在于算法稳定性好，抗噪性能好。霍夫变换图像识别过程采用图像空间到参数空间的映射关系，直线表达式为：

y=kx+b

由于该表达式无法表示垂直于轴的直线，因此本次引入极坐标表达方式：

ρ=xcosθ+ysinθ

(1)

式中：θ为线与x轴的夹角，ρ 为直线到原点的距离。霍夫变换即为在参数空间中计算累计结果的局部最大值，从而得到符合条件的集合。

2.2 方法改进

针对本灌区，基本霍夫变换渠系提取后存在2个问题: 渠系间存在相交现象；渠系出水点过多，有1 000多个，出水点过多将大幅增加计量仪器费用，需适量缩减。对此提出以下解决办法：

2.2.1 渠系相交改进

渠系间存在相交是由于数据经过边缘检测和图像膨胀操作之后存在多像素连接的带状区域以及坡度数据的4个峰值变化。本文采用几何方法对该问题进行处理。

本研究区渠系存在两种相交情况:一条渠系的两端分别位于另外一条渠系两侧(图3a); 第二种为一条渠系一端位于另外一条渠系中间(图3b)。根据代数几何，已知直线的 2个端点 P1(x1，y1)和P2(x2，y2)，直线的表达式表示为

图3 渠系相交情况

此时x2≠x1且y2≠y1，上式可写为：

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

在y2-y1以及x2-x1固定情况下，若另外一条渠系的两端分别在一条渠系的两侧，或者其中一点在该渠系上，那么上式的结果则一个≥0，一个≤0，即两者乘积小于等于零，如果两条渠系满足相交情况并且斜率之差的绝对值在某个阈值范围内，则可认为这两条渠系提取的是同一个区域。

采用

计算两条渠系的长度，且选取较长的一条作为该区域的代表渠系。

2.2.2 出水点数量改进

本次研究为应用研究，考虑吐鲁番市预算出水口计量仪器费用有限，需大幅削减出水点。经过现场考察，飞机场区域葡萄种植结构规范，为畦田分布，每一块葡萄地有多畦，每一畦两边开挖小渠道进行灌溉。每一块葡萄地之间的分支渠道上，5～6 m的间隔有一个出水口(见图4)，由此出水口对每一畦葡萄地进行灌溉，这样的出水口有1 000多个。

图4 飞机场区域末端出水口图

根据调研结果，将分支渠道两侧农田区域内植株的临界间距设定为3 m，即植株间距L≤3 m以内时，这两块农田作为一个区域，分支渠道当作田间渠道，分支渠道上的出水点不作为计量点；当L>3 m时，作为两个独立的田块。按照上述方法处理后，出水点计量点大大减少，由1 000多个减少到13个，出水口计量点标记为计量点1～13，具体位置见图5。

图5 飞机场斗渠出水口计量点

3 渠系水利用系数测算方法

本次根据提取的渠系分布设置进出水口，并采用首尾测算分析法对飞机场典型区的渠系水利用系数进行测算。本文的首尾测算分析法是指，直接灌入田间可被植物吸收利用的水量(末端渠系出水口)与灌区从进水口取用的灌溉总水量的比值来计算渠系水利用系数。

3.1 进、出水口计量点位置选择

进、出水口计量点的选择直接影响渠系水利用系数测定的工作量及精度。飞机场区域的作物灌溉由一条斗渠引水，考虑引水斗渠进水口的水流状态、水量监测设备安装条件，进水口计量点选在斗渠进水口附近的顺直渠道(流态近似为恒定均匀流)上，进水口计量点标记为A点，具体位置见图6。

图6 飞机场斗渠进水口监测点A

3.2 计量设施选择

目前灌区渠道的计量设施种类很多，包括浮子式水位计、压力水位计、超声水位计、雷达和激光水位计、巴歇尔槽等。浮子式水位计[9]适用能修建专用静水测井的水位测站，前期土建工程建设投资较大；压力水位计探头设置于水下，易受雷电干扰，且对气压、温度零漂等影响要有完善的补偿措施；气介式超声水位计是将超声波探头安装在水面上，超声波垂直向下发射，通过水面反射后计算超声波探头距水面距离推算出水位；雷达和激光水位计是从测距仪演变而来，利用电波反射测距原理制成，工作频率约为2 GHz，测量量程大，精度较高，但对于渠道宽度<1 m的渠道测量精度不高；巴歇尔槽有着水头损失小、水中即使有固态物质也几乎不沉淀、接近流速的影响小、对下流侧的水位影响比较小等优点。

飞机场斗渠进水口计量点A宽度约1 m，出水口计量点所在的渠道均宽度不大，约0.5 m。灌溉时，渠道水流流速和水位变幅小。根据进、出水口计量点的监测设备安装环境、水流状态、水位变幅，另考虑监测设备特性，渠道宽度大于等于1m采用非接触式的雷达水位计，渠道宽度小于1m采用巴歇尔槽，从而实现进、出水口处的水量监测。

3.2.1 雷达水位计

雷达水位计[9]是一种采用快速脉冲雷达技术实现水位测量的水位仪器，测量时不受温度梯度、水流流速、流水含沙、水中污染物及沉淀物的影响，具有完全非接触的特点。雷达水位计到水面距离的计算公式为：

H=CT/2

(2)

式中：H为雷达水位计到水面的距离；C为光速；T为电磁波经历的时间。

雷达水位计安装时，水位计中心距岸边的距离必须大于发射波束的半径。考虑到雷达水位计不适用于小河道，本研究在1 m以上河宽的渠道上使用雷达水位计。

3.2.2 巴歇尔槽流量计

巴歇尔槽流量计的原型是文丘里水槽[10]，常被用来测量农业用水、工业用水等液体的流量。巴歇尔槽由上游收缩段、短直喉道和下游扩散段三部分组成。使用巴歇尔槽时要注意：

(1)巴歇尔槽的中心线要与渠道的中心线重合，使水流进入巴歇尔槽不出现偏流。

(2)巴歇尔槽通水后，水的流态要自由流。

(3)巴歇尔槽的淹没度要小于规定的临界淹没度。

巴歇尔槽适合渠道坡降小、水中杂质多、流量为1.5 L/s～93 m3/s的明渠排水流量测量[10]。考虑到河道流量越大、河道越宽，巴歇尔槽越大，制作成本越高，本研究考虑河宽在1m以下(含1 m)渠道使用巴歇尔槽。巴歇尔槽结构见图7。

图7 巴歇尔槽结构图

3.3 渠系水利用系数计算

基于水量均衡定理，用出水口水量计算进入田间的灌溉用水量，进水口水量为毛灌溉用水量，末端渠系水利用系数是区域内各出水口水量Wj之和与进水口水量Wa之比。

(3)

式中：η为末端渠系水利用系数；n为出水口个数，n=13；Wj为出水口水量；Wa为进水口水量

4 讨论

本研究典型区的选择考虑了柯柯亚灌区主要种植葡萄以及地区土壤、地质条件、防渗衬砌长度等灌区条件的不同，并与当地水行政主管部门沟通，选取能代表地区平均渠系水利用程度的典型区，计量结果更切合灌区当前工程状况和管理水平。通过对典型区进出水的计量和控制，能够较精确的得出典型区末端渠系水利用系数，符合地区管理需要和国家2019年“加强用水计量统计”[11]的政策导向。

本研究假定当分支渠道两侧的农田区域植株之间棵间距离小于3m时，将这两个农田作为一个田间区域，不设置计量设施。此方法减少了末端渠系水利用系数的计量设施，能在经费有限的情况下较精确的计量斗渠以下渠系水利用系数，为地方政府计量斗渠以下渠系水利用系数作出贡献。

5 结语

(1)吐鲁番市属严重缺水地区，开展渠系水利用系数计量及节水措施尤为重要。渠系水利用系数的测算研究，提高了灌区用水的管理水平，为灌区开展大面积的节水措施、分配灌溉水量、制定水费标准提供依据及技术支撑，亦符合国家2019年 “加强用水计量统计”政策。

(2)本研究假定当分支渠道两侧的农田区域植株之间棵间距离小于3 m时，不设置计量设施。此方法减少了末端渠系水利用系数的计量设施，降低了末端渠系水利用系数的计量精度。如何用更科学的方法精确计量末端渠系水利用系数，且不过量增加研究经费，这是下一步亟待解决的问题，需开展深层次研究。但末端渠系水利用系数的计量是必然趋势，它为改善渠道用水管理状况、提高灌区的节水水平做出贡献。