灌溉渠道的設計流量計算與分析

謝博

（新疆生產建設兵團二二二團工交建商科 新疆 阜康 831505）

1 概況

新疆灌區分布于準噶爾盆地和塔里木盆地周邊，伊犁谷地及東疆盆地中，現有灌溉面積6500多萬畝，2000年地方系統列入全國大型灌區改造規劃的有34個灌區，灌溉面積達3538萬畝，占全疆總灌溉面積的54%。該區大型灌區水土資源條件好，是糧食生產的重要基地。然而，灌區都是在老灌區的基礎上經過50年的不斷擴建、改造而發展起來的，灌區內的骨干水利工程也大多修建于20世紀50、60年代，經過幾十年的運行，老化、損壞、淤積、失修現象十分嚴重，造成工程功能衰減，水資源利用率低，現狀灌溉水利用系數僅為0.45。并且在特殊的地域環境中，也使新疆的灌區存在嚴重的生態環境脆弱、惡化問題，這些問題的存在，直接制約了新疆大型灌區的經濟建設和經濟發展，所以有必要進行灌區的建設和管理。

灌溉渠道系統規劃是灌區規劃中的重要組成部分，特別是地面灌灌區規劃的核心，而灌溉渠道的設計則是渠系規劃的重點。渠道設計包括渠道的流量設計、橫斷面設計以及縱斷面設計等，本文將以渠道的流量設計為主要介紹內容。

灌溉渠道的布置主要取決于地形條件。在山區、丘陵區灌區的干支渠一般采取“長藤結瓜”式灌溉系統，具體來講有沿等高線布置和沿分水嶺布置兩種方式。在平原地區，干渠多沿等高線布置，支渠一般垂直于等高線布置。

2 基本概念

2.1 灌溉渠道的設計流量

灌溉渠道的設計流量是指灌水時期渠道需要通過的最大流量，與其灌溉面積的大小、作物組成和作物的灌溉制度等有關。它是設計渠道斷面和渠道建筑物尺寸的主要依據。在渠道設計時還涉及渠道的最小流量和加大流量，在此以設計流量。

2.2 渠道的輸水損失

在灌溉渠道輸水時，由于各種原因，如渠道滲漏、水面蒸發等，使得部分流量沿途損失掉，不能夠到達田間為作物所利用，這部分流量損失即為渠道的輸水損失。渠道滲漏通常是造成輸水損失的主要原因，水面蒸發損失一般比較少，可忽略不計。

2.3 續灌和輪灌

續灌和輪灌是兩種不同的渠道工作制度。續灌：在一次灌水延續時間內，自始至終連續輸水，這種工作方式稱之為續灌。輪灌：同一級渠道在一次灌水延續時間內輪流輸水，這種工作方式即為輪灌，可適當提高供水效率，但是在比較大的灌區，一般在斗渠以下才實行輪灌。

2.4 相關參數

渠系（道）水利用系數：灌溉渠系（道）毛流量和凈流量的比值。

灌溉水利用系數：實際灌入農田的有效水量和渠道引入水量的比值。

灌水定額：單位灌溉面積上的一次灌水量或灌水深度。

灌水模數：也稱為灌水率，系單位灌溉面積需要的灌溉凈流量。

田間水利用系數：田間水利用系數是實際灌入田間的有效水量和末級渠道放水量的比值。

還有透水系數和透水指數，可根據土壤土質查閱相關資料獲得。

3 渠道設計流量的推算方法

3.1 輪灌

由于輪灌一般在斗渠以下才實行，所以這里主要討論支渠以下的輪灌渠道的流量設計。由于輪灌渠道是由上級渠道（支渠）集中供水，其設計流量不直接由本身控制面積的大小，而決定于上級渠道的供水流量及輪灌渠道的劃分。通常是根據輪灌組劃分的情況自上而下逐級分配末級續灌渠道的田間凈流量，再自下而上逐級計入輸水損失水量，進而推算各級渠道的設計流量。

3.3.1 從上向下分配末級續灌的田間凈流量支渠的田間凈流量為：

式中，Q支田凈——為支渠的設計田間凈流量（m3/s）；

A支——為支渠的灌溉面積（100hm2）；

qd——設計灌水模數，（m3/（s·100hm2））；

由支渠分配到每條農渠的田間凈流量為：

其中Q農田凈為農渠的田間凈流量（m3/s）。

3.3.2 由下向上計算各級渠道的設計流量

計算農渠的凈流量。由農渠的田間凈流量計入田間損失水量，求的田間毛水量。

其中ηf為田間水利用系數。

式中，σ農——農渠每公里長度的水量損失（%）；

l農——為農渠平均工作長度，一般取農渠長度的1/2；

將農渠的毛流量（同時工作的k條農渠的毛流量之和）作為斗渠的凈流量，進行同樣的計算，可以得到：

同理，支渠毛流量為（n為同時工作的斗渠的數量）：

3.2 續灌

續灌設計流量的計算比較直觀，就是將下級渠道的毛流量總和作為上級渠道的凈流量，并考慮輸水損失后，即得到上級渠道的毛流量，也就是設計流量，類似于輪灌計算中第二步從下向上的計算。

4 實例分析

某灌區灌溉面積A=6500hm2，灌區有一條干渠，長15km，下設了4條支渠，各支渠的長度及灌溉面積請見圖1，灌區實行小麥、玉米輪作，設計灌水模數=0.0375（m3/（s·100hm2）），土質為中粘壤土。現結合上述方法進行干支渠設計流量計算。

農渠的設計流量。已知A三支=2500×4800/106=12，=0.0375，根據（1）式，三支渠的田間凈流量為0.45m3/s；同時工作的斗渠有3條，農渠也有3條，可知n=3，k=3，根據（2）式，農渠的田間凈流量為0.05 m3/s；取田間水利用系數 =0.90，根據（3）式，則農渠的凈流量為0.056 m3/s；根據土質查閱相關參數表，得到土壤透水系數A=1.9，土壤透水指數m=0.4，并代入經驗公式，得到農渠每公里長度輸水損失系數6.02；農渠平均工作長度取農渠的長度的一半0.4km，將以上數據代入（4）式，可以得到農渠的毛流量（設計流量）為0.057 m3/s。

斗渠的設計流量。由于斗渠內同時工作的農渠有3條，斗渠凈流量為3條農渠的毛流量總和，即為0.171 m3/s；根據斗渠的工作長度2.25km和已知A、m，由經驗公式可得到斗渠的每公里輸水損失系數為3.85，則同樣代入（5）式，算得斗渠的毛流量（設計流量）為0.186 m3/s；

三支渠的設計流量。斗渠的毛流量之和即為支渠的凈流量，同時工作的斗渠有3條，其支渠凈流量為0.558 m3/s；同上，支渠每公里輸水損失系數為2.4；支渠平均工作長度取3.2km，根據（6）式，支渠的毛流量為0.6m3/s；

由三支渠田間凈流量0.45 m3/s和設計流量0.6 m3/s，知三支渠渠系水利用系數為0.75；

按照上述方法將其用于其他支渠的設計流量的計算，得一二三支渠的設計流量分別為 0.5m3/s、0.75 m3/s、1.48 m3/s；

干渠的設計流量。BC段干渠的凈流量為三支和四支渠道毛流量之和2.08 m3/s；同樣計算干渠每公里輸水損失系數為 1.42，代入（7）式即可得到BC段干渠的毛流量。將其與二支渠毛流量之和作為AB段干渠的凈流量，以此類推，可知AB段的設計流量為 3.20 m3/s；OA為0.633 m3/s。

5 結語

合理確定渠道的設計流量，是灌區渠道良性運行，發揮灌溉效益的基礎。如果渠系設計合理，且得到完善管理，將能有效避免灌溉引水過程中因水量過小、沿程損失過大，渠系水利用系數過低的問題，它是提高灌區灌溉用水量和作物產量的基本條件，在此基礎之上才能夠進一步實現農業增產、農民增收，實現灌區水資源的合理配置。陜西水利