渠道襯砌狀況對(duì)渠系水利用系數(shù)的影響分析

周玉琴，石 佳，萬(wàn) 昕

（1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢430072；2.湖北省節(jié)水研究中心，武漢430072；3.武昌理工學(xué)院，武漢430223）

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)[1,2]。渠道襯砌是灌區(qū)節(jié)水改造、提升渠道水利用系數(shù)的主要措施，現(xiàn)有的研究主要是基于試驗(yàn)對(duì)比得到襯砌的防滲效果，再將其應(yīng)用直接擴(kuò)大到整個(gè)灌區(qū)的節(jié)水量計(jì)算，沒(méi)有考慮到各渠道土質(zhì)、襯砌狀況等不同因素的影響。因此，如何方便快捷地估算出灌區(qū)內(nèi)多種情景下的渠系水利用系數(shù)是生產(chǎn)實(shí)踐中需要解決的問(wèn)題?！扒邓孟禂?shù)軟件v1.0”基于修正的考斯加科夫公式，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(jì)算方便，在信息化程度較高的灌區(qū)可以實(shí)現(xiàn)渠系水利用系數(shù)的快速估算[3,4]，充分提高灌區(qū)渠系水利用效率與水系管理水平。

目前渠系水利用系數(shù)的研究主要側(cè)重于渠道滲漏損失的測(cè)算方法、水面蒸發(fā)量的計(jì)算方法、灌溉水利用系數(shù)的計(jì)算方法等[5,6]，對(duì)于襯砌渠道對(duì)灌溉水利用系數(shù)的研究較少，本文基于渠系水利用系數(shù)測(cè)算軟件及石門水庫(kù)灌區(qū)現(xiàn)狀，研究不同襯砌狀況下的渠道和不同因素組合對(duì)于整個(gè)灌區(qū)的渠系水利用系數(shù)影響，研究成果對(duì)于選擇襯砌方案和襯砌效果的評(píng)估具有參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以湖北省石門水庫(kù)灌區(qū)（112°40′～113°5′E，31°6′40″～31°7′30″N）為研究對(duì)象，石門水庫(kù)位于湖北省鐘祥市東南隅，是湖北省興建的第一座大型水庫(kù)，始建于1954年10月，1957年10月竣工。研究區(qū)屬亞熱帶氣候，全年溫和多雨，四季分明。灌區(qū)多年平均氣溫16 ℃，無(wú)霜期258 d，多年平均日照2 240 h，盛夏（7-8月）高溫炎熱；多年平均蒸發(fā)量為1 101 mm，多年平均降雨量為1 009 mm，年內(nèi)降雨分布不均，主要降雨集中在4-9月，多以暴雨形式出現(xiàn)，占全年降雨量的75.2%，多年平均徑流量為0.8 億m3，汛期常引發(fā)山洪和下游平原區(qū)洪澇，冬春季雨少，夏季伏旱頻繁。灌區(qū)地勢(shì)大體為東北高、西南低，依灌區(qū)沿線可分成兩個(gè)地貌單元，灌區(qū)長(zhǎng)灘鎮(zhèn)上游為低山丘陵區(qū)，地表高程55～98 m，地表起伏較大，溝谷河谷發(fā)育；灌區(qū)中、下游緊鄰漢江，位于漢江凹陷沖積平原之上，地表高程35～55 m，為廣闊的沖洪積平地。灌區(qū)南北長(zhǎng)約68 km，東西寬約15 km，總土地面積為831 km2，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積23 200 hm2，有效灌溉面積16 533 hm2，現(xiàn)有耕地面積34 067 hm2，人均耕地0.114 hm2；種植作物有水稻、小麥、棉花、油菜、花生、沙梨等，復(fù)種指數(shù)為1.81。

1.2 渠系水利用系數(shù)的計(jì)算方法

1.2.1 渠道水量損失

渠道在輸水過(guò)程中存在水量損失[7]：

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(jì)算中常忽略不計(jì)。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(guò)加強(qiáng)灌區(qū)管理工作予以控制，在計(jì)算渠道流量時(shí)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[7–9]

對(duì)于渠道長(zhǎng)度為L(zhǎng)的渠段，常用下式計(jì)算渠道輸水損失流量[7]：

式中：σ為每公里渠道輸水損失系數(shù)，km-1；L為渠道長(zhǎng)度，km。

常用考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗(yàn)公式估算σ[8]：

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(shí)測(cè)資料分析確定。在缺乏實(shí)測(cè)資料的情況下，文獻(xiàn)[8]推薦了針對(duì)不同土壤質(zhì)地的參考值，研究區(qū)內(nèi)土壤多為輕黏土，A和m分別取2.65和0.45。

1.2.2 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及渠道襯砌影響條件下、根據(jù)渠床天然土壤透水性計(jì)算出來(lái)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(duì)以上計(jì)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)[7,10]：

1.2.3 計(jì)算流程

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

1.3 計(jì)算參數(shù)與情景設(shè)置

當(dāng)渠道輸水流量和地下水埋深等條件不發(fā)生變化時(shí)，渠道襯砌能顯著減小渠床滲漏損失，從而提高渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)。為探究渠道襯砌對(duì)渠系水利用系數(shù)的影響，本文根據(jù)襯砌率和襯砌位置擬定了多種情景，計(jì)算了相應(yīng)的各級(jí)渠道水利用系數(shù)和渠系水利用系數(shù)，并分析了它們隨襯砌情況不同而變化的規(guī)律。

1.3.1 計(jì)算基本參數(shù)

石門水庫(kù)灌區(qū)干渠總長(zhǎng)64.7 km，支渠總長(zhǎng)12.72 km。由于斗農(nóng)渠缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用典型擴(kuò)大指標(biāo)估算，其方法為：對(duì)渠長(zhǎng)、控制面積具有一定代表意義的四支渠、七支渠和爛泥湖支渠三條典型支渠進(jìn)行斗農(nóng)渠的布設(shè)與斷面設(shè)計(jì)，用得到的三條典型支渠的斗（農(nóng)）渠總長(zhǎng)度除以這三條支渠的總灌溉面積，得到單位灌溉面積上的斗（農(nóng)）渠長(zhǎng)度。以此為指標(biāo)，得到其他支渠的斗農(nóng)渠長(zhǎng)度。灌區(qū)內(nèi)地下水位取灌區(qū)內(nèi)的平均值3 m。設(shè)計(jì)灌水模數(shù)與田間水利用系數(shù)：取設(shè)計(jì)灌水模數(shù)為6 m3/（s·萬(wàn)hm2），田間水利用系數(shù)為0.93[11]。根據(jù)上述參數(shù)和現(xiàn)狀各級(jí)渠道的襯砌狀況，計(jì)算得出現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)為0.713。

1.3.2 不同襯砌率的情景設(shè)置

假設(shè)在土渠的基礎(chǔ)上進(jìn)行襯砌，各級(jí)渠道的襯砌率相同，且均從渠首開始連續(xù)襯砌。計(jì)算各級(jí)渠道距渠首襯砌率分別為0、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)的渠系水利用系數(shù)。

1.3.3 不同襯砌組合的情景設(shè)置

渠道襯砌能有效降低渠道輸配水過(guò)程中的渠床滲漏損失，減小干渠從水源地引入渠系的水量。當(dāng)用于提高渠道襯砌率的混凝土總量（或用于購(gòu)買混凝土的資金）一定時(shí)，分析各級(jí)渠道襯砌后的節(jié)水效果，從而確定應(yīng)優(yōu)先襯砌的渠道級(jí)別。

本設(shè)計(jì)中，石門水庫(kù)灌區(qū)有干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠道，根據(jù)各級(jí)渠道是否襯砌進(jìn)行組合，共有16 種方式，如表1所示。

表1 四級(jí)渠道是否襯砌的襯砌組合Tab.1 Whether the four-level channel lining lining combination

1.3.4 不同襯砌位置的情景設(shè)置

假設(shè)各級(jí)渠道的襯砌率均為60%且襯砌連續(xù)，襯砌部分在渠道上的相對(duì)位置相同。設(shè)x為各渠道襯砌段首端距該渠道進(jìn)水口的距離，L為渠道長(zhǎng)度。如圖1所示。共設(shè)置x/L=0、10%、20%、30%、40%等5種襯砌位置的情景。

圖1 各渠道襯砌部分連續(xù)時(shí)的計(jì)算示意圖Fig.1 The calculation diagram when the lining part of each channel is continuous

2 結(jié)果與分析

2.1 不同襯砌率對(duì)渠系水利用系數(shù)的影響

根據(jù)1.3.2 節(jié)中設(shè)置的情景計(jì)算各級(jí)渠道的渠道水利用系數(shù)以及整個(gè)灌區(qū)的渠系水利用系數(shù)，并繪制渠系水利用系數(shù)與各級(jí)渠道襯砌率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 各級(jí)渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)與襯砌率的關(guān)系曲線Fig.2 The relation curve between the water utilization coefficient of various channels and the water utilization coefficient of canal system and lining rate

由圖2可知，隨著渠道襯砌率的提高，各級(jí)渠道的渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)均近似呈線性增長(zhǎng)。其中渠系水利用系數(shù)增長(zhǎng)速度最快，當(dāng)襯砌率為0（即不襯砌）時(shí)，渠系水利用系數(shù)為0.604 4，當(dāng)全部襯砌時(shí)，渠系水利用系數(shù)為0.969 4。

需要指出的是，由于軟件在計(jì)算中只計(jì)入了渠床滲漏損失，未考慮渠道因跑水、退水等損失的水量，得到的與實(shí)際情況相比，渠道毛流量偏小、渠道水利用系數(shù)偏大。

2.2 不同襯砌組合的結(jié)果分析

2.2.1 不同襯砌組合的渠系水利用系數(shù)和年節(jié)水量

若各襯砌組合的年總引水量用Wi（i=1，2，…，16）表示。經(jīng)計(jì)算可知，第1種襯砌組合（干支斗農(nóng)均不襯砌）對(duì)應(yīng)的總引水量W1最大；第16 種襯砌組合（干支斗農(nóng)全部襯砌）對(duì)應(yīng)的總引水量W16最小。

以干支斗農(nóng)均不襯砌的節(jié)水量為基礎(chǔ)，計(jì)算第i種（i=2，3，…，16）襯砌組合的節(jié)水量為：

計(jì)算各襯砌組合的年總引水量、年節(jié)水量及渠系水利用系數(shù)，如表3所示。由表3 可知，節(jié)水量隨著襯砌級(jí)數(shù)的增多而增加，如果只襯砌某一級(jí)渠道，節(jié)水量從大到小的順序?yàn)椋阂r砌農(nóng)渠>襯砌干渠>襯砌斗渠>襯砌支渠。

表3 各襯砌組合的總引水量及節(jié)水量匯總表Tab.3 Summary of total water diversion and water saving of each lining combination

2.2.2 單位體積混凝土的年節(jié)水量

根據(jù)渠道的斷面、襯砌厚度和襯砌渠道的總長(zhǎng)度得到干渠、支渠、斗渠和農(nóng)渠分別襯砌時(shí)需要使用的混凝土量為9.03、8.49、8.42 和11.14 萬(wàn)m3，同時(shí)得到各襯砌組合下的混凝土使用量。各情景的年節(jié)水量除以混凝土總使用量即為各情景的單位混凝土年節(jié)水量，結(jié)果見(jiàn)表4，可知：

表4 各襯砌組合的混凝土使用量表Tab.4 Concrete usage scale for each lining combination

（1）每立方米混凝土的年節(jié)水量的變化范圍是70.47～157.40 m3，平均值為114.10 m3。

（2）當(dāng)只有農(nóng)渠襯砌時(shí)，單位體積混凝土的年節(jié)水量最大；當(dāng)干農(nóng)襯砌時(shí)，單位體積混凝土的年節(jié)水量最小。

（3）組合2（只有農(nóng)渠襯砌）、組合4（斗農(nóng)渠襯砌）、組合8（支斗農(nóng)渠襯砌）、組合16（干支斗農(nóng)渠全部襯砌）的每立方米混凝土的年節(jié)水量分別為157.40、143.12、120.46、112.48 m3。

由此可見(jiàn)隨著襯砌的渠道級(jí)別數(shù)目增多，單位體積混凝土的年節(jié)水量逐漸減小。這說(shuō)明對(duì)石門水庫(kù)灌區(qū)而言，當(dāng)混凝土使用量一定時(shí)，優(yōu)先襯砌農(nóng)渠所獲得的節(jié)水量最大。

2.3 不同襯砌位置對(duì)渠系水利用系數(shù)的影響

根據(jù)1.3.4 節(jié)中設(shè)置的情景，各級(jí)渠道襯砌率為60%且連續(xù)襯砌段時(shí)，不同襯砌位置各級(jí)渠道水利用系數(shù)和渠系水利用系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同襯砌位置各級(jí)渠道水利用系數(shù)和渠系水利用系數(shù)Tab.5 The water utilization coefficient of channel and canal system at different lining positions

綜合分析表5中結(jié)果可知：

（1）除x/L=10%的兩條渠道外，大部分渠道隨著各渠道襯砌部分的位置向渠道尾部移動(dòng)（即x/L逐漸增大），渠系水利用系數(shù)逐漸減小。當(dāng)各級(jí)渠道均從渠首開始襯砌時(shí)，渠系水利用系數(shù)最大，為0.816 5；當(dāng)各級(jí)渠道襯砌部分的尾端與渠道的尾端重合時(shí)，渠系水利用系數(shù)最小，為0.771 0。

（2）隨著各渠道襯砌段的位置逐漸后移，干渠的渠道水利用系數(shù)逐漸減小，支、斗兩級(jí)的渠道水利用系數(shù)先增大再減小，農(nóng)渠的渠道水利用系數(shù)基本不變。

3 結(jié)論

渠道襯砌可以顯著減少渠道滲漏量，提高渠道水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)。本文利用“渠系水利用系數(shù)軟件v1.0”，計(jì)算了各種渠道襯砌狀態(tài)下的渠系水利用系數(shù)，得到以下結(jié)論：

隨著渠道襯砌率的提高，各級(jí)渠道的渠道水利用系數(shù)及渠系水利用系數(shù)均近似呈線性增長(zhǎng)。單位混凝土襯砌對(duì)于渠道水利用系數(shù)的影響，與渠道的斷面，長(zhǎng)度，控制的灌溉面積等有關(guān)。在石門水庫(kù)灌區(qū)，每立方米混凝土的年節(jié)水量的變化范圍是70.47～157.40 m3，平均值為114.10 m3；當(dāng)混凝土使用量一定時(shí)，將混凝土優(yōu)先用于襯砌農(nóng)渠，所獲得的節(jié)水量最大。對(duì)于同一渠道而言，襯砌時(shí)應(yīng)首先選擇渠首位置。

需要指出的是，渠系水滲漏損失包括跑水、漏水、滲水、泄水；本文只是利用渠道滲漏公式計(jì)算了滲水，此外，渠系水滲漏損失計(jì)算時(shí)，采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50288-2018）上的襯砌折減系數(shù)是襯砌施工后初期值，此時(shí)襯砌防滲效果最好，實(shí)際上隨著襯砌混凝土使用年限的增加，折減系數(shù)會(huì)減少，渠系水利用系數(shù)會(huì)降低?；谏鲜鲈颍疚乃?jì)算的渠系水滲漏損失偏小，渠系水利用系數(shù)偏大，因此本文所得數(shù)據(jù)更多的反映了在不同襯砌狀況的情況下，渠系水利用系數(shù)的變化趨勢(shì)，通過(guò)相互比較，確定灌區(qū)范圍內(nèi)多種情景下的渠系最佳襯砌方式，同時(shí)本文計(jì)算所得出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)灌區(qū)實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證后方具有實(shí)際意義。