基于滲漏損失的渠系水利用系數(shù)分析

趙瑞玨，王修貴，韓旭東，楊麗清，常志富，付 峰，毛德強

(1.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟南 250061；3.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局 義長灌域管理局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015100)

0 引 言

渠系水利用系數(shù)是衡量渠系工程狀況和輸水效率的重要指標(biāo)，現(xiàn)行規(guī)范推薦的測定渠系水利用系數(shù)的首尾測算法和典型渠段法測定工作量大，要求水位、流量等測量工具具有較高的精度，因此，如何方便快捷地估算出渠系水利用系數(shù)是生產(chǎn)實踐中需要解決的問題。而估算渠系水利用系數(shù)的經(jīng)驗公式法以渠道土質(zhì)、襯砌狀況、渠道流量等特征參數(shù)為輸入條件，輸入?yún)?shù)少、計算方便，在信息化程度較高的灌區(qū)可以實現(xiàn)渠系水利用系數(shù)的快速估算[1-5]。灌溉渠道水量損失主要來源于渠床滲漏，選擇準(zhǔn)確的滲漏損失估算方法，獲取準(zhǔn)確的估算參數(shù)，是快速估算渠系水利用系數(shù)的關(guān)鍵[6-9]。實踐經(jīng)驗表明，采取襯砌防滲措施是減少渠道輸水水量損失、提高渠系水利用系數(shù)行之有效的方法。本文基于渠床滲漏損失的經(jīng)驗公式，以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)義長灌域皂火干渠人民支渠控制范圍為研究區(qū)，在全面調(diào)查渠系分布和襯砌狀況的基礎(chǔ)上，探討了考斯加科夫渠道滲漏損失經(jīng)驗公式在渠系水利用系數(shù)估算和分析中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)義長灌域皂火干渠人民支渠控制范圍為研究區(qū)，該區(qū)位于巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)永聯(lián)村，南北長約12 km，東西寬平均約3 km，地勢自南向北逐漸降低，地面坡度平均約1/3 300。區(qū)域南邊有皂火干渠經(jīng)過，人民支渠貫穿其中，共有25條斗渠沿人民支渠兩側(cè)向農(nóng)田輸水，并經(jīng)農(nóng)渠分配至田間。研究區(qū)的北邊為六排干溝，東西分別為永什分干溝、乃永分干溝。研究區(qū)涵蓋了如耕地、荒地、海子、村莊、道路、灌排渠系等不同的土地利用類型，土地總面積約28.76 km2(合2 876 hm2)，其中耕地面積約1 347 hm2，約占土地總面積的47%[10-12]。

1.2 研究區(qū)渠系分布及其襯砌狀況

根據(jù)人民支渠主要渠道規(guī)劃圖，利用Google Earth的衛(wèi)星影像，補充描繪出區(qū)域內(nèi)的斗渠分布，并于2018年4月到現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，根據(jù)GPS定位各渠道的起點、拐點、終點、部分渠系建筑物的位置等，從而完成渠系分布圖的繪制工作，并對襯砌狀況如襯砌段材料、施工年份、損毀程度做出詳細(xì)標(biāo)注。繼而在91衛(wèi)圖助手中將現(xiàn)場記錄的經(jīng)緯度坐標(biāo)參考Google Earth的衛(wèi)星影像，一一對應(yīng)點繪出研究區(qū)的渠系分布，校正渠道沿程高程變化，確定渠道的起始點，根據(jù)田塊中高程的變化，確定每一條農(nóng)渠的灌溉范圍，為渠系水利用系數(shù)的分析推算工作提供真實可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如每條渠道長度及控制的灌溉面積等。結(jié)果表明，人民支渠總長12 083 m，全部采用混凝土護(hù)面防滲措施；25條斗渠總長30 846 m，其中混凝土襯砌段累計長21 361 m，襯砌率為69%；338條農(nóng)渠總長141 216 m，全部不襯砌。研究區(qū)的斗渠及以上的渠系分布見圖1。

圖1 研究區(qū)主要渠系示意圖

1.3 渠系水利用系數(shù)的計算方法

1.3.1 渠道水量損失

渠道在輸水過程中存在水量損失[13]：

Ql=Qg-Qn

(1)

式中：Ql為渠道輸水損失流量，m3/s；Qg為渠道毛流量，m3/s；Qn為渠道凈流量，m3/s。

渠道的水量損失包括渠道水面蒸發(fā)損失、渠床滲漏損失、閘門漏水和渠道退水等。水面蒸發(fā)損失一般不足渠床滲漏損失的5%，在渠道流量計算中常忽略不計。閘門漏水和渠道退水取決于工程質(zhì)量和用水管理水平，可以通過加強灌區(qū)管理工作予以控制，在計算渠道流量時不予考慮。故把渠床滲漏損失水量近似地看作總輸水損失水量[13-15]。

對于渠道長度為L的渠段，常用下式計算渠道輸水損失流量[13]：

Ql=σLQn

(2)

式中：σ為每公里渠道輸水損失系數(shù)，km-1；L為渠道長度，km。

常用考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式估算σ[14]：

(3)

式中：A為渠床土壤透水系數(shù)；m為渠床土壤透水指數(shù)。

土壤透水性參數(shù)A和m應(yīng)根據(jù)實測資料分析確定，在缺乏實測資料的情況下，文獻(xiàn)[13]推薦了針對不同土壤質(zhì)地的參考值。

1.3.2 地下水頂托修正系數(shù)和渠道襯砌折減系數(shù)

公式(2)是在不受地下水頂托影響條件下、根據(jù)渠床天然土壤透水性計算出來的渠道輸水損失流量。如灌區(qū)地下水位較高，渠道滲漏受地下水壅阻影響，或者在采取渠道襯砌護(hù)面防滲措施的情況下，需對以上計算結(jié)果分別乘以地下水頂托修正系數(shù)和渠道襯砌折減系數(shù)[13]：

(4)

1.3.3 計算流程

為方便編程計算，假設(shè)人民支渠和所屬各斗渠、農(nóng)渠均為續(xù)灌，自下而上逐級計入輸水損失流量，推算出各級渠道的毛流量、凈流量，進(jìn)一步求得各級渠道水利用系數(shù)、渠系水利用系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)公式測算

田間水利用系數(shù)取經(jīng)驗值0.9，設(shè)計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，灌溉季節(jié)地下水埋深取2 m[16]。研究區(qū)渠床土壤類型為砂壤土及輕砂壤土，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，公式(3)中A=3.4，m=0.5。計算結(jié)果表明，338條農(nóng)渠的渠道水利用系數(shù)在0.488～1之間，平均值為0.754，農(nóng)渠級別的渠道水利用系數(shù)為0.784；25條斗渠的渠道水利用系數(shù)在0.685～0.996之間，平均值為0.951，斗渠級別的渠道水利用系數(shù)為0.946。斗渠流量及渠道水利用系數(shù)結(jié)果匯總見表1。人民支渠毛流量(渠首流量)為1.110 m3/s，凈流量(渠尾流量)為1.089 m3/s，渠道水利用系數(shù)為0.981，渠系水利用系數(shù)為0.728，從人民支渠進(jìn)口算起的灌溉區(qū)內(nèi)灌溉水利用系數(shù)為0.655。

表1 斗渠流量及渠道水利用系數(shù)匯總表

續(xù)表1 斗渠流量及渠道水利用系數(shù)匯總表

2.2 襯砌狀況對渠系水利用系數(shù)的影響分析

為研究不同的襯砌狀況對渠系水利用系數(shù)的影響，通過設(shè)置不同的襯砌情景，借助渠系水利用系數(shù)測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數(shù)，分析研究區(qū)內(nèi)各級渠道從全部不襯砌過渡到全部襯砌時渠系水利用系數(shù)的變化過程，比較各級渠道的襯砌狀況對渠系水利用系數(shù)的貢獻(xiàn)，襯砌情景設(shè)置方案見表2。設(shè)計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2) ，地下水埋深取2 m[16]。

表2 襯砌情景設(shè)置方案

計算結(jié)果表明，隨著全部襯砌渠道級別的增加，輸水損失流量減小，同一級別渠道總毛流量減小，渠系水利用系數(shù)增加。人民支渠毛流量由1.425 m3/s逐漸減小過渡至0.865 m3/s；渠系水利用系數(shù)由0.567逐漸增加至0.934，見圖2。

圖2 方案1～4同一級別渠道的渠道水利用系數(shù)分析

2.3 襯砌位置對渠系水利用系數(shù)的影響分析

為研究不同的襯砌位置對渠系水利用系數(shù)的影響，通過設(shè)置不同的襯砌位置，借助渠系水利用系數(shù)測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數(shù)。假定各級各條渠道長度的60%采用混凝土護(hù)面，且襯砌段連續(xù)，襯砌段的起始位置分別從距離渠首0、10%、20%、30%、40%(占整個渠長)開始(見表3)。表3中渠道長度為L，黑色粗線表示襯砌段，灰色細(xì)線表示土渠段。設(shè)計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，地下水埋深取2 m[16]。計算得出的5個方案同一級別渠道利用系數(shù)結(jié)果匯總見表4。

表3 襯砌位置設(shè)置方案

表4 方案1～5同一級別渠道利用系數(shù)匯總表

計算結(jié)果表明，各方案所得出的不同級別的渠道水利用系數(shù)的大小順序有所差異，其中農(nóng)渠各方案的差異不明顯，斗渠、支渠的渠道水利用系數(shù)和研究區(qū)的渠系水利用系數(shù)以方案2或方案3最大，方案5最小。表明在渠道只能部分襯砌的情況下，優(yōu)先從渠道的首端偏中部開始襯砌，對于提高渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)更為有利。

2.4 渠道流量對渠系水利用系數(shù)的影響分析

為研究不同的渠道流量對渠系水利用系數(shù)的影響，襯砌狀況維持現(xiàn)狀，地下水埋深取2 m，在原有灌水率的基礎(chǔ)上分別增減20%和40%構(gòu)成5個不同的渠道流量方案(見表5)，借助渠系水利用系數(shù)測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數(shù)。

表5 渠道流量設(shè)置方案

計算結(jié)果表明(見圖3)，隨著灌水率的減小，渠道流量逐漸減小，渠系水利用系數(shù)逐漸減小且減小的幅度逐漸增大。人民支渠毛流量由1.485 m3/s逐漸減小過渡至0.724 m3/s；渠系水利用系數(shù)由0.762逐漸減小過渡至0.670。

圖3 方案1～5同一級別渠道的渠道水利用系數(shù)分析

2.5 地下水埋深對渠系水利用系數(shù)的影響分析

為研究不同的地下水埋深對渠系水利用系數(shù)的影響，根據(jù)研究區(qū)的地下水埋深在2～3 m的實際情況，設(shè)置2 m和3 m兩個方案(見表6)，襯砌狀況維持現(xiàn)狀，設(shè)計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)[16]。計算結(jié)果表明，隨著地下水埋深的增加，滲漏量有所增加，各級渠道水利用系數(shù)減小，但變化不大。

表6 方案1、2同一級別渠道的渠道水利用系數(shù)匯總表

3 結(jié)論與討論

根據(jù)本文的分析論證，可以得出以下幾點結(jié)論：

(1)渠道采取防滲措施是提高渠系水利用系數(shù)行之有效的方法，現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)為0.728；若渠道不采取防滲措施，渠系水利用系數(shù)僅為0.567；若全部渠道均設(shè)有混凝土襯砌，渠系水利用系數(shù)可達(dá)到0.934。

(2)在部分渠段襯砌的情況下，襯砌段從渠首移動到渠尾，渠系水利用系數(shù)先逐漸增加達(dá)到峰值后緩慢下降。渠首、渠尾分別預(yù)留渠道總長的10%、30%無襯砌段時，渠系水利用系數(shù)達(dá)到峰值0.781；渠首預(yù)留渠道總長的40%無襯砌段時，即襯砌段置于渠尾時，渠系水利用系數(shù)最小，其值為0.741。表明在渠道只能部分襯砌的情況下，優(yōu)先從渠道的首端偏中部開始襯砌，對于提高渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)更為有利。

(3)隨著渠道輸水流量的增加，渠系水利用系數(shù)會逐漸增加，但增加的幅度是遞減。渠道流量從設(shè)計流量的0.6倍逐漸提高到1.4倍時，渠系水利用系數(shù)從0.670提高至0.762，其中，設(shè)計流量條件下對應(yīng)的渠系水利用系數(shù)為0.728。

(4)隨著地下水位的升高，渠道滲漏受地下水頂托的影響會減小，渠系水利用系數(shù)增加。本文的分析表明，地下水埋深由3 m升高至2 m時，渠系水利用系數(shù)從0.723提高至0.728，提高的幅度不大。

需要說明的是，本文運用經(jīng)驗公式法測算研究區(qū)的渠系水利用系數(shù)時，把渠床滲漏損失水量近似地看作總輸水損失水量，忽略渠道水面蒸發(fā)損失、閘門漏水和渠道退水，計算出的渠系水利用系數(shù)會高于實際值。同時，渠道襯砌折減系數(shù)采用了文獻(xiàn)的經(jīng)驗值，實際上，襯砌材料的使用年限和養(yǎng)護(hù)狀況對折減系數(shù)的取值會有很大的影響，這些都是后期需要深入研究的問題。

致謝：陳博華、王夢彤、董澤陽以及義長灌域管理局永聯(lián)試驗基地的工作人員參與了資料的收集工作。