續灌、輪灌渠道設計流量計算方法探討

李江峰,戚印鑫

(新疆水利水電科學研究院,新疆烏魯木齊830049)

一般情況下,灌區的干、支渠為續灌渠道,斗、農渠為輪灌渠道,這與其工作方式、灌溉輸水功能密不可分。但是,當渠道工作長度大,為避免流量過于分散,水位偏低,造成灌溉輸水效率低,輸水損失大,支渠也可實行輪灌,以適應來水過程的不均勻性。在新疆塔里木河流域所屬灌區灌溉輸水渠道中,支渠實行輪灌方式比較常見。本文結合塔河流域某節水改造項目,從理論上探討干、支渠設計流量計算方法,以供專業技術人員參考。

1 工程概況

新疆屬于水資源緊缺地區,灌溉水利用率低,水資源浪費嚴重。大力發展節水灌溉,建立節水型農業,是解決這一問題的有效途徑[1]。

文中所介紹的灌區位于南疆某縣城以北一個鄉境內,干渠全長38 km,其中上段8.8 km為干砌卵石襯砌渠道,質量較好,斷面較完整;中段為長約8.5 km的自然輸水沖溝;下段為干砌卵石襯砌渠道,末尾約5.3 km為土渠。干渠上共分布有13座節制分水閘,控制兩岸29條支渠引水灌溉?？刂乒喔让娣e14 946.67 hm2,其中農田灌溉面積8 280 hm2,人工生態林3 333.33 hm2,干渠末端還分布有3 333.33 hm2天然生態林。在塔里木河流域近期綜合治理項目中,該項目節水改造工程改造中段(沖溝段)及下段一部分干渠,長度為17.855 km;另外29條支渠根據現狀輸水功能的完善與否采取全段防滲或分段防滲。

2 灌溉方式

渠道的設計流量與控制灌溉面積、作物組成、灌溉制度以及渠道工作方式等因素有關。當灌溉面積一定,作物組成與灌溉制度一定,決定渠道設計流量的主要因素就是工作方式了。另外,渠道輸水過程中還存在蒸發、滲漏損失,因而設計流量還應包括輸水過程中損失的流量。也就是說,這里所說的設計流量是指毛流量。

在南疆塔河流域,呈現大陸干旱性氣候特點,降雨稀少,蒸發強烈,農田灌溉以引地表水(河水)灌溉為主,配之以地下水、泉水來滿足農業生產用水。

通常所說的渠道灌溉方式,或說渠道的工作制度,就是渠道輸水方式,分為續灌和輪灌兩種[2]。

(1)續灌:在一次灌水延續時間內,自始至終連續輸水的渠道稱為續灌渠道,這種輸水工作方式稱為續灌[2]。為了各用水單位受益均衡,避免因水量過分集中而造成灌水組織和生產安排的困難,一般灌溉面積較大的灌區,干、支渠多采用續灌。

在管理運用中,有時水源不足,干、支渠也實行輪灌,以減少輸水損失,并保持渠道必要的工作水位。一般渠首引水流量低于正常設計流量的40%～50%時,干、支渠即實行輪灌。

本文介紹干渠渠線較長,專為所在鄉灌溉輸水。沿途共布置有13座節制分水閘(分布在干渠下段),兩岸布置有29條支渠,呈輻射狀向灌區輸水。文中只列出了本次項目改造的17條支渠,詳見圖1。

圖1 灌區總平面布置

結合行政單元劃分及灌區輸配水管理運用,干渠供水對象單一。支渠分布多而散,存在各大隊用水上的行政單元多樣性,現實當中常常為分水、爭水而產生不團結、不穩定因素。結合灌區來水時空分布的不均勻性,為縮短供水周期,保持渠道工作水位,減少管理方面不必要的麻煩,提高水利用效率,支渠實行輪灌,與該灌區多年來實行的灌溉工作方式是一致的。

3 設計流量

較大規模的作為續灌渠道的干渠設計流量按照《灌溉與排水工程設計規范》(GB50288-99)[3]中的公式計算確定:

式中:Qs為續灌渠道的設計流量(m3/s);qs為設計灌水率〔m3/(s?hm2)〕;As為該渠道灌溉面積(hm2);ηs為該續灌渠道至田間的灌溉水利用系數。

灌區規則、規模較小的輪灌渠道可采用規范上的設計灌水率法,即《灌溉與排水工程設計規范》(GB50288-99)中的公式計算流量:

式中:Qn為輪灌渠道的設計流量(m3/s);N為該渠道輪灌組數;qs為設計灌水率〔m3/(s?hm2)〕為該渠道輪灌組平均灌溉面積(hm2);ηn為該輪灌渠道至田間的灌溉水利用系數。

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只是公式(2)尚未完善,設計人員應用起來不很方便。筆者認為將N定義為該渠道所在輪灌組的分組數量,ηn定義為該輪灌組渠道至田間的灌溉水利用系數妥些。對于數量多、位置分散、規模大小不等的灌區內輪灌渠道,常常采用最大灌溉流量法計算設計流量,即選擇最大的田塊、灌溉制度中最大的灌水定額計算出田間凈流量從而逐級推算出渠道設計流量。

采用設計灌水率法計算渠道的設計流量先要根據灌溉制度繪制萬畝灌水率圖(已修正)(見圖2)。圖中列出了干渠灌區各種作物在一個生長期內的灌水率圖示計算結果。根據《灌溉與排水工程設計規范》(GB50288-99),修正后的灌水率圖應以累積30 d以上的最大灌水率為設計灌水率[3]。新疆屬于干旱區,圖中自6月15日至7月15日累積30 d達到最大灌水率,作為設計灌水率,圖中查得設計灌水率為5.385 m3/(s?hm2),滿足規范要求。

圖2 干渠灌區灌水率

通過分析認為設計灌水率法通常適用于大中型灌區干渠一級渠道或小型灌區中較為獨立的干、支渠;最大灌溉流量法適用于小型灌區中的斗、農渠;逆推法適用于包含干、支、斗、農各級輸水渠道的中小型灌區;加權分配法適用于灌區位置、形狀不太規則的中小型灌區。

對于續灌渠道,其設計流量可以直接根據灌區設計灌水率和灌溉面積及灌溉水利用系數進行推算。對于輪灌渠道,由于其輸水時間小于灌區的灌水延續時間,不能直接根據設計灌水率和灌溉面積自下而上的推算渠道設計流量[4],而應采用最大灌溉流量法或加權分配法。渠道工作方式確定后,就可以依據其計算渠道的設計流量。

以往的輪灌渠道分組方式有集中輪灌、分組輪灌、分組插花輪灌[5]。當上一級渠道來水流量較大時,一般多采用分組輪灌,是將臨近的幾條渠道編為一組,上級渠道按組輪流供水。支渠輪灌分組不宜過多,否則可能會影響作物生長期的需水量,該灌區將支渠分為兩組輪灌。對于渠道數量少的灌區而言,這樣分組計算出的流量變化不大,對于該灌區,若將臨近的渠道編為一組,例如將4號閘上游的14條支渠分為一組,4號閘下游的15條支渠分為一組,勢必造成4號閘之前干渠斷面過大,造成投資增加,直接影響節水改造效益。

通過分析,灌區節水改造不僅要實現工程技術上的優化,即達到最優的投資收益比,滿足節水總要求,使單方水節水投資最低,還要保證灌區規模適宜,與來水過程相適應,滿足供需水量在時空分布上的協調均衡,解決灌區缺水矛盾;另外,從運行管理角度,兼顧上下游,左右岸,與行政管理單元劃分相一致,盡量避免運行管理上的繁雜、忙亂,使整個灌區形成來水有度、用水有序、管理方便、協調一致的良性運行機制。干渠設計流量按照續灌渠道計算,各支渠設計流量按照輪灌渠道計算。輪灌組的劃分兼顧干渠分水閘口左右兩岸的支渠,使輪灌組面積盡量相等,各支渠分布盡量均勻,劃分的兩個輪灌組面積 AⅠ=5 813.33 hm2,AⅡ=5 800 hm2,兩個輪灌組面積之和等于干渠灌區控制的灌溉面積,即AⅠ+AⅡ=A干;兩個輪灌組的流量與干渠的設計流量一致,QⅠ=QⅡ=Q干。各輪灌組內的支渠按照所占輪灌組面積比例分配設計流量,即第一輪灌組各支渠 QⅠ1=AⅠ1/AⅠ×QⅠ,QⅠ2=AⅠ2/AⅠ×QⅠ,……;第二輪灌組各支渠 QⅡ1=AⅡ1/AⅡ×QⅡ,……,依此類推,計算出各支渠設計流量。此處需要注意的是,按照各個輪灌組輸水灌溉時流量遞減在干渠上進行節點分配時,在各個節點上,分別按兩個輪灌組計算流量均有差異,在0.08%～2.21%之間,這是因為兩個輪灌組面積大致相等卻有些許差異,按照輪灌組流量相等情況下分配至支渠時,輪灌組面積大的支渠計算流量偏小,輪灌組面積小的支渠計算流量偏大[6]。本次項目改造渠段為4號閘以上渠段,偏差率級數較小,可忽略不計,但干渠節點流量分配宜取較大值,雖然小的偏差可通過加大流量或延長供水時間來彌補,或利用機井多抽水,局部調整作物種植結構,但對于干渠下段,非本次改造段,個別支渠面積相差較大,反映在干渠節點上的流量偏差率級數較大,遠非通過加大流量或延長供水時間所能彌補這個偏差,此時就要按較大流量設計該段干渠斷面,使得不論哪個輪灌組灌水時都能滿足灌溉輸水要求,因這樣的情況(支渠面積偏大)在灌區中只是少數,若是多數,則需重新考慮灌溉輸水工作方式了。輪灌組劃分見表1,干、支渠設計流量以5號閘以上渠段為例,設計流量計算成果見表2。

表1列出了干渠上分布的13座節制分水閘,標明了樁號,并且列出了每座節制分水閘分水的支渠及其灌溉面積,劃分了輪灌組1、組2,并按照上述流量計算方法分別計算出了各支渠的設計流量,以供讀者對比分析。

通過計算,根據修正后的灌水率圖得設計水平年灌水率為5.385 m3/(s?hm2),由設計水平年灌溉水利用系數0.579,計算得農田和人工林草所需流量為10.82 m3/s,天然生態林草所需流量為3.97 m3/s,由此確定干渠設計流量為 10.82+3.97=14.79 m3/s,加大流量為10.82×1.25+3.97=17.49 m3/s。

以灌區中某條支渠為例,這條支渠控制灌溉面積333.33 hm2,Q支=0.5/8.72×10.82=0.59 m3/s,各支渠控制灌溉面積113.33 hm2～1 733.33 hm2不等,計算得設計流量0.2 m3/s～3.22 m3/s。

表1 支渠輪灌組劃分成果表

表2 干、支渠設計流量計算成果表

4 結 語

在獨立工作的輸水干渠灌區節水改造設計中,確定項目區干渠、支渠灌溉輸水工作方式和設計流量、規模是至關重要的,它直接關系到節水指標能否達到、節水效益能否實現,投資能否合理控制,能否解決灌區供需水矛盾。

在《水工設計手冊》第8卷(灌區建筑物)提到的支、斗、農渠全部實行輪灌情況下計算農渠凈流量,也是用面積比例分配法[7],計算原理是一致的。其公式如下:

式中:Q支田凈為不包括渠系輸水損失和田間損失在內的支渠凈流量(m3/s);A干為干渠凈面積(hm2);q為設計灌水率〔m3/(s?hm2)〕;A支為支渠凈面積(hm2);A支組為支渠輪灌組面積(hm2)。

對于這類灌區節水改造設計流量的計算需注意以下幾個問題:

(1)結合灌區來水實際,制定切實可行符合灌區實情的灌溉制度,確定渠道工作制度、灌溉輸水方式。

(2)當某級渠道按照輪灌工作方式時,要兼顧上下游、左右岸,根據渠道控制灌溉面積、分布位置,結合行政單元劃分輪灌組,盡可能使輪灌組面積大體相當[8],以便配水,使各用水戶受益均衡,便于調配勞力,便于運行管理。

(3)當按照不同輪灌組進行節點流量分配時,若計算流量偏差級數較小,一般可通過加大流量、延長供水延續時間,或結合今后作物種植結構調整,或采用機井補灌(可能情況下)來彌補偏差,且節點流量仍宜以較大值來計算設計斷面;當偏差較大,則根據實際在投資可控制情況下,按照較大流量來設計斷面仍是較為安全的方法。

(4)對于供水對象主要為農業灌溉兼有比重不大的人畜飲水、節水改造工程,實行輪灌方式計算設計流量可考慮此法,對于供水對象有工業等其他供水對象較為復雜時,則應根據實際情況進行分析論證。

本文提出的計算方法先進性在于根據灌區干、支渠分布位置并結合灌區各支渠多年來形成的灌溉方式,采取干渠續灌、支渠輪灌的灌溉方式,合理的進行了輪灌組的劃分,在滿足灌區作物灌溉制度、灌水歷時條件下,盡量縮短灌水時間,提高了灌水效率,為灌溉管理創造了有利條件。與常規的干、支渠續灌計算流量的方法相比,提高了支渠設計流量,實行集中分組輪灌,使田間作物受水均勻,提高了灌溉管理的效率,增強了灌區灌溉活動的活性,同時也避免大面積同時灌溉產生較快的蒸發、滲漏損失,起到了積極的節水作用。

[1]采取得力措施發展節水灌溉[J].水利與建筑工程學報,1996,(3):18.

[2]史海濱,田軍倉,劉慶華,等著.灌溉排水工程學[M].北京:中國水利水電出版社,2006:164-165.

[3]中華人民共和國水利部.GB50288-99.灌溉與排水工程設計規范(第一版)[S].北京:中國計劃出版社,1999:10、37-38.

[4]王莉,宣斌德.輪灌渠道設計流量計算方法的一點思考[J].吉林水利,2010,(8):35-36.

[5]郭元裕.農田水利學[M].北京:中國水利水電出版社,1997:101-103.

[6]劉煥友,李新民,吳旭春,等.支渠輪灌條件下渠道流量計算方法的探討[J].新疆水利,2007,(4):6-8.

[7]左東啟,顧兆勛,王文修.水工設計手冊[M].北京:水利電力出版社,1984:8-59.

[8]郭永昌,梁菊蓉.渠道流量計算方法初探[J].新疆水利,2009,(2):7-10.