渠系水利用系數(shù)測算方法研究

謝亨旺，羅云英，靳偉榮

(1.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201；2. 暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣州 511443；3.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

灌溉水有效利用系數(shù)是最嚴格水資源管理的指標(biāo)之一，也是農(nóng)業(yè)灌溉用水管理、灌溉技術(shù)水平評價、區(qū)域水資源配置和制定節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)參數(shù)[1]。渠系水利用系數(shù)是灌溉水有效利用系數(shù)的重要組成部分，其測算方法的研究有助于正確認識灌溉水利用系數(shù)指標(biāo)及內(nèi)涵。目前測算渠系水利用系數(shù)國外常用的經(jīng)驗公式有Davis-Wilson公式、USBR公式、Ingham公式、Molesworth公式、前蘇聯(lián)公式和Kositiakov經(jīng)驗公式等[2,3]。我國廣泛采用Kositiakov經(jīng)驗公式的改進公式[4]，對土壤透水性能經(jīng)驗常數(shù)做了細化規(guī)定，但由于各地區(qū)普遍缺少渠道狀況的實測參數(shù)資料，使該公式在實際應(yīng)用中存在較多問題。榮豐濤、江崇安等分析了現(xiàn)行渠道滲漏量計算方法的不足，如滲水量減少系數(shù)、防滲材料滲透系數(shù)等難以確定[5,6]；門寶輝、鐘玲等利用積分方法推導(dǎo)了新公式，對傳統(tǒng)渠道損失流量計算公式的不足進行了修正，提高了渠道損失流量和渠道水利用系數(shù)的計算精度[7,8]；白美健等采用回歸分析方法建立了渠道滲漏損失水量與流量間的相關(guān)關(guān)系，總結(jié)出了依據(jù)渠道流量估算渠道水利用系數(shù)的經(jīng)驗公式[9]。本文應(yīng)用渠道連續(xù)滲漏理論，對傳統(tǒng)計算渠道單位長度入滲損失系數(shù)的Kostiakov經(jīng)驗公式進行改進，并在江西省贛撫平原灌區(qū)進行驗證。改進的計算方法將渠道流量損失過程看成水在沿渠道流動方向的連續(xù)動態(tài)過程，符合水流損失規(guī)律，但相關(guān)計算精度仍然受到防滲渠道損失修正系數(shù)、地下水頂托修正系數(shù)等參數(shù)的影響。這些數(shù)據(jù)需要大量的試驗資料進行率定。

1 國內(nèi)常用的Kostiakov經(jīng)驗公式及其改進

1.1 國內(nèi)常用的Kostiakov經(jīng)驗公式

我國在計算渠道滲漏損失的時候多以Kostiakov經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，并對反映土壤透水性能的經(jīng)驗常數(shù)A、m進行了細化，也考慮了渠道襯砌方式及地下水位對渠道滲水損失的影響。常用的的經(jīng)驗公式形式為：

σ=0.01AQ-m

(1)

S=0.01γβAQ1-m

(2)

式中：σ為每公里渠道輸水損失率，%；Q為渠道流量，m3/s；A、m為渠床土壤透水參數(shù)；S為每公里渠道的渠道輸水損失流量，m3/s；σ為地下水頂托修正系數(shù)；β為采取防滲措施后渠道滲水損失修正系數(shù)。

在《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50288-99)和《農(nóng)田水利學(xué)》[4]中，式(2)中的A、m、γ、β的取值分別見表1、表2和表3。

表1 Kostiakov公式土壤透水參數(shù)A、m

表2 地下水頂托修正系數(shù)γ

表3 采取防滲措施渠道滲水損失修正系數(shù)β經(jīng)驗取值

已知某類型渠道的長度 (單位：km)、渠道毛流量為Qg、渠道凈流量為Qn。當(dāng)灌區(qū)地下水位較高時，地下水壅阻會減少渠道滲漏，用系數(shù)γ修正；當(dāng)渠道采取了防滲措施時，不同防滲措施會對渠道滲水產(chǎn)生不同程度的降低折減，用系數(shù)β進行修正。綜合考慮地下水和防滲措施的影響，渠道滲漏水量可按下式計算：

ΔQ=βγσLQn

(3)

該段渠道的渠道水利用系數(shù)為：

(4)

1.2 Kostiakov經(jīng)驗公式的改進

Kostiakov經(jīng)驗公式計算簡便，在我國應(yīng)用廣泛，但它還存在一些明顯的不足和局限性。作為估算公式，其估算精度取決于參數(shù)A、m、γ、β的取值是否合理。單位渠道輸水損失率σ是渠道流量的函數(shù)，而渠道流量沿程變化，一般按式(3)～(4)計算時，假定了σ不隨沿程渠道流量變化而變化，這使得計算渠道越長誤差越大。李淑榮通過論述多種求解渠系水利用系數(shù)思路，探索推導(dǎo)出利用系數(shù)法、損失系數(shù)法及定義法的誤差公式，在此基礎(chǔ)上揭示了誤差產(chǎn)生的原因，損失系數(shù)法在計算過程中忽略了沿程渠道流量變化[10]。

榮豐濤分析了Kostiakov經(jīng)驗公式未考慮渠道長度對計算結(jié)果的影響，用現(xiàn)行公式計算了渠道滲漏損失相對誤差小于5%時的最大允許計算渠長，結(jié)果表明，在A、m、β一定的情況下，最大允許渠長隨著設(shè)計流量Q的增加而增加；在其他參數(shù)不變的情況下，渠道防滲效果越好(β越小)，最大允許渠長越長[5]。

根據(jù)公式(2)可以發(fā)現(xiàn)，Kostiakov經(jīng)驗公式求得的每公里渠長的輸水損失是一樣的，而實際上每公里渠長上的損失流量隨流量變化，越往渠尾處流量越小，相應(yīng)的滲水損失也越小，渠首段單位渠長的流量損失一般大于渠尾段。針對這種情況，門登輝等學(xué)者提出采用積分方法對渠道設(shè)計中的流量損失計算公式進行改進[7-9]。設(shè)渠首毛流量為Qg，經(jīng)過流程L后凈流量為Qn。設(shè)渠道流量Q在經(jīng)過渠段dl后的損失流量為dQ。在dl渠段內(nèi)，單位流量在單位流程上的損失σ=dQ/(Qdl)，則：

(5)

將上式(5)在渠長L范圍內(nèi)進行積分求解得：

(6)

(7)

(8)

該計算公式將渠道流量損失過程看成水在沿渠道流動方向的連續(xù)動態(tài)過程，符合水流損失規(guī)律，會顯著提高估算精度。

2 改進公式的應(yīng)用效果

將改進的公式與一般使用的Kostiakov經(jīng)驗公式進行比較分析，求解不同情況下的相對誤差，相對誤差 用下式進行表示：

(9)

式中：ΔQ改進為積分方法改進公式推求的渠道流量損失值，m3/s；ΔQ為Kostiakov公式推求的渠道流量損失的近似值，m3/s。

取A=1.9、m=0.4，不考慮頂托和渠道防滲襯砌措施。分別采用Kostiakov經(jīng)驗公式和積分方法改進的公式計算不同流量和渠長組合情況下的渠道輸水損失量，計算結(jié)果見表4。

表4 改進前后渠道損失流量對比

由表4可知，2種公式損失流量的計算結(jié)果均與渠道凈流量和渠道長度有關(guān)，無論是Kostiakov經(jīng)驗公式計算還是積分改進公式計算，渠道流量和長度均與渠道損失流量成正相關(guān)關(guān)系。渠道凈流量一定時，2種方法的計算結(jié)果在較小的渠道長度范圍內(nèi)，相對誤差很小，計算結(jié)果都可以為工程采用。但是隨著渠道長度的增加，Kostiakov經(jīng)驗公式計算結(jié)果與積分改進公式計算結(jié)果的相對誤差逐漸增大。

3 改進經(jīng)驗公式在灌區(qū)進行驗證

3.1 改進經(jīng)驗公式與實測數(shù)據(jù)比較分析

本文采用動水測定法的實測數(shù)據(jù)對經(jīng)驗公式的適用性進行驗證。

實際測定工作在位于江西省贛撫平原灌區(qū)二干渠上進行。選擇二干二支渠、五支渠為典型支渠，二支三斗渠、五支五斗渠為典型斗渠，典型支、斗渠所處位置見圖1、圖2。對于二支三斗渠，根據(jù)《基本農(nóng)田建設(shè)設(shè)計規(guī)范》布置20條農(nóng)渠，受地形限制，每條農(nóng)渠的灌溉面積不盡相等；根據(jù)農(nóng)渠控制灌溉面積大致相等分2組輪灌(三斗渠上左、右前6條農(nóng)渠為第1輪灌組，7～10條為第2輪灌組)，渠系概化圖見圖1。在五支五斗渠上布置了20條農(nóng)渠，分2組輪灌(斗渠上左、右1～5條農(nóng)渠為一組，6～10為一組)，渠系分布情況見概化圖圖2。

圖1 二干渠二支渠概化圖

圖2 二干渠五支渠概化圖

根據(jù)實地調(diào)查，研究區(qū)干渠、支渠全部為混凝土襯砌，斗渠、農(nóng)渠一半為襯砌渠道一半為土渠，斗渠防滲形式為混凝土護面，農(nóng)渠為U形槽。計算襯砌渠道時，假設(shè)襯砌優(yōu)先從渠首位置開始。采取防滲措施的各級渠道都采用混凝土材料，參考表3可知，混凝土護面的襯砌折減系數(shù)β為0.05～0.15。本文在計算過程中，對采用防滲措施的干渠和支渠的β取中間值0.1；由于斗渠和農(nóng)渠襯砌厚度較薄且日常維護較少，所以取相應(yīng)的襯砌渠道β值為0.15。二干渠灌溉區(qū)域的渠道工作制度為干渠、支渠、斗渠續(xù)灌，農(nóng)渠輪灌。

3.1.1 農(nóng)渠渠道水利用系數(shù)

采用田間水利用系數(shù)實測結(jié)果0.917 6推算農(nóng)渠田間凈流量：

(10)

式中：A農(nóng)為農(nóng)渠灌溉面積，萬hm2；Q農(nóng)凈為農(nóng)渠供給田間的凈流量，m3/s；q設(shè)為設(shè)計凈灌水率，m3/(s·hm2)。

根據(jù)公式(6)有：

(11)

式中：Q農(nóng)凈為農(nóng)渠的凈流量，m3/s；Q農(nóng)毛為農(nóng)渠的毛流量，m3/s；研究區(qū)域土質(zhì)為輕壤土，參考表1，取A=2.65，m=0.45。

由Cropwat 8.0軟件計算得到研究區(qū)域1951-2013年騰發(fā)量ET，進而推求作物灌溉制度和灌溉定額，根據(jù)種植比例求得研究區(qū)年灌溉用水定額，由1963年灌溉用水定額排頻繪制P-Ⅲ曲線，得灌溉用水保證率為90%時設(shè)計典型年為1966年，繪制灌水率圖并修正，得設(shè)計凈灌水率為0.000 705 m3/(s·hm2)。

根據(jù)動水測定法計算得到的典型渠段上下游流量Q典1和Q典2，就可以求得典型渠段的水利用系數(shù)η典段：

η典段=Q典1/Q典2

(12)

動水測定法渠道輸水損失系數(shù)改進公式為：

(13)

由公式(12)、(13)得每條農(nóng)渠毛流量和渠道水利用系數(shù)，由控制灌溉面積加權(quán)平均得典型農(nóng)渠平均渠道水利用系數(shù)為0.933，將其視為研究區(qū)域農(nóng)渠渠道水利用系數(shù)，二支渠計算結(jié)果見表5。

3.1.2 斗渠渠道水利用系數(shù)

由于農(nóng)渠輪灌，以農(nóng)渠輪灌組最大流量值作為斗渠凈流量，二支渠三斗渠結(jié)果見表5。

表5 二支渠農(nóng)渠渠道水利用系數(shù)和三斗渠凈流量計算結(jié)果

典型斗渠長度為1.68 km，自渠首起有一半長度采用混凝土材料襯砌，根據(jù)公式(6)得斗渠毛流量為0.134 3 m3/s，最終得到斗渠渠道水利用系數(shù)為0.964 6。以斗渠控制面積的灌溉水利用系數(shù)0.794為擴大指標(biāo)來推求其他斗渠毛流量，進而得到二支渠凈流量為0.509 2 m3/s，計算結(jié)果見表6。

表6 斗渠毛流量和支渠凈流量計算結(jié)果

3.1.3 支渠渠道水利用系數(shù)。

典型支渠全部為混凝土材料襯砌，根據(jù)公式(12)求得支渠毛流量為0.516 8 m3/s，最終得到支渠渠道水利用系數(shù)為0.985 2，計算結(jié)果見表7。

表7 支渠毛流量計算結(jié)果

3.1.4 干渠渠道水利用系數(shù)

干渠全部為混凝土襯砌，以支渠控制面積的灌溉水利用系數(shù)0.782為擴大指標(biāo)來推求其他支渠毛流量，進而得到二干渠凈流量為8.683 6 m3/s，結(jié)果見表8。

求得二干渠的渠道水利用系數(shù)為0.984 3：

對于五支渠，同理推導(dǎo)得出各級渠道水利用系數(shù)，由面積加權(quán)平均得研究區(qū)域的各級渠道水利用系數(shù)和相應(yīng)的渠系水利用系數(shù)，計算結(jié)果見表9。

此外，也可以由推算得到的凈流量與毛流量的比值來計算渠系水利用系數(shù)(見表10)，二支渠和五支渠結(jié)果按面積加權(quán)平均后為0.839。

表8 二干渠流量推算結(jié)果

表9 改進經(jīng)驗公式法的渠道水利用系數(shù)計算結(jié)果

表10 由渠道凈流量與毛流量比值推求的渠系水利用系數(shù)結(jié)果

3.2 小 結(jié)

改進經(jīng)驗公式法的計算中，由公式計算的各級渠道水利用系數(shù)連乘求得的渠系水利用系數(shù)為0.873，較由級渠道凈流量與逐級推算得到的干渠渠首流量(毛流量)的比值得到的渠系水利用系數(shù)結(jié)果0.839有所不同。由于經(jīng)驗公式法計算過程中采用某級渠道的灌溉水利用系數(shù)作為擴大指標(biāo)來計算同級其他渠道流量不能真實反映整個渠系情況，較實際情況存在偏差，因此從渠系水利用系數(shù)定義出發(fā)結(jié)果0.839更合理些。同時在用改進經(jīng)驗公式計算時，考慮了襯砌和地下水影響時，混凝土襯砌材料對滲漏水量的折減比例很大(根據(jù)表1，折減了約90%)。根據(jù)實地調(diào)研，灌區(qū)渠道防滲材料遭到不同程度的破壞，渠道大多存在不同程度的漏水情況，但經(jīng)驗公式中的相關(guān)參數(shù)未及時修正，因此改進經(jīng)驗公式求得的結(jié)果反映了渠道在某種襯砌狀況下的渠系水利用系數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)為解決現(xiàn)行渠道利用系數(shù)測算工作量大、影響因素復(fù)雜、測算精度難以控制的問題，根據(jù)渠道連續(xù)滲漏理論分別對傳統(tǒng)計算渠道單位長度入滲損失系數(shù)的Kostiakov經(jīng)驗公式進行了改進，提出了改進單位長度渠道損失流量的計算公式，公式如下：

(2)以贛撫平原灌區(qū)二干渠土壤、襯砌材料等為背景，對渠道輸水凈流量為0.05～20.00 m3/s，渠道長度為0.05～40.00 km的測量和分析表明，改進Kostiakov經(jīng)驗公式與原公式相比，2者的相對誤差為0.01%～46.00%，渠道的流量越小、渠道越長，Kostiakov經(jīng)驗公式計算結(jié)果與積分改進公式計算結(jié)果的相對誤差逐漸增大。

(3)以贛撫平原灌區(qū)二干渠的實測資料為背景，改進經(jīng)驗公式計算得出渠系水利用系數(shù)為0.873，較由級渠道凈流量與逐級推算得到的干渠渠首流量(毛流量)的比值得到的渠系水利用系數(shù)結(jié)果0.839有所不同，由于改進經(jīng)驗公式法計算過程中采用某級渠道的灌溉水利用系數(shù)作為擴大指標(biāo)來計算同級其他渠道流量不能真實反映整個渠系情況，較實際情況存在偏差，因此從渠系水利用系數(shù)定義出發(fā)結(jié)果0.839更合理些。根據(jù)實地調(diào)研，灌區(qū)渠道防滲材料遭到不同程度的破壞，渠道大多存在不同程度的漏水情況，但經(jīng)驗公式中的相關(guān)參數(shù)未及時修正，因此改進經(jīng)驗公式求得的結(jié)果反映了渠道在某種襯砌狀況下的渠系水利用系數(shù)。