淺談渠道水利用系數估算方法

【摘 要】渠道防滲是灌區節水改造，提高水的利用效率的重要手段之一，而渠道防滲節水效果又主要是通過渠道水利用系數來體現的；如何估算渠道水利用系數，是進行水資源供需平衡確定渠道規模的重要依據之一，也是渠道節水量的重要依據。本文引入了渠道水損失率的概念，并基于渠道損失強度的兩個基本假設從上推導出渠道水利用系數的統一估算式，并結合實例說明這一估算式具有十分廣泛的價值，且進一步了流量取值對渠道水利用系數的。

【關鍵詞】渠道防滲；渠道水利用系數；輸水損失率

On the canal water utilization coefficient estimation methods

Li Shu-jun

(Shijiazhuang City， Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute Shijiazhuang Hebei 050011)

【Abstract】Irrigation District increase water use efficiency is one important means is the channel impermeable， channels impermeable water-saving effect is reflected in water through the channel utilization factor; how to estimate the channel coefficient of water use is water resourcesthe balance between supply and demand determine the channel-scale basis， is one of the important basis of the channel water saving. This paper introduces the concept of channel water loss rate， and is based on two basic assumptions of the channel loss of intensity from the previous deduced unified estimate the type of canal water utilization factor， combined with examples of this estimate type has a very wide range of value， and further flow value of the canal water utilization factor.

【Key words】Channel seepage;Channel water utilization coefficient;Rate of loss during transportation

1. 概述

渠道防滲的研究是與灌溉過程緊密聯系的。目前我國正在進行的大型灌區的續建配套和節水改造工作都是以渠道防滲為主要工程手段進行的，而渠道防滲效果又是通過渠道水利用系數體現的，所以在實測資料的基礎上，分析渠道水利用系數經驗公式的合理性，給出統一的估算公式，具有重要的現實意義。對于渠道水利用系數的估算，實質上可以歸結為如何正確計算渠道的輸水損失，以及渠道輸水損失怎樣合理的轉化為渠道水利用系數。渠道的輸水損失計算可以采用理論或經驗公式計算。

理論計算主要是求解各種初、邊界條件下的渠道的滲流基本方程ht =α2h2x的解，理論分析的從損失機理、結果表達方面是相對精確的，但給出的初邊界條件較為嚴格，操作上較為復雜，生產上應用不多。

經驗公式計算主要通過對現場實測資料的統計分析和或專門試驗得出的。經驗公式可以分為兩大類，一類是對未襯砌渠道采用的經驗公式，一類是對襯砌渠道采用的公式。對未襯砌渠道即土質渠道的滲漏損失的公式如埃及的莫爾斯沃斯和延尼達米婭的公式 S=Clxd（C為現場采用靜水法試驗得出的渠道濕周上的滲透系數，d為水深，l為渠道長，x為濕周），以及AH考斯加可夫根據大量的實際數據的土渠輸水損失經驗公式為σ=A/Qm%（式中σ為每公里渠道輸水損失占渠道凈流量的百分數，A為渠床土壤的透水系數，m為流量指數）；對于襯砌渠道的輸水損失，主要有戴維斯和威爾遜根據印度襯砌渠道總結的公式如S=0.45C xl4×106+3650vd1/3(式中：S為各種渠床的滲漏損失，x，d，l，v分別為渠道的濕周，水深，渠長和流速，C為與襯砌材料有關的系數)。總之，這些基于實測資料上的經驗估計式，大都具有形式簡單、應用方便的特點。在有一般土質渠道輸水損失的經驗公式后，襯砌渠道的輸水損失往往根據襯砌體的形式采用了不同的折減系數進行折減估計。

從以上渠道的損失計算式的大致分類可以看出，以渠道的輸水損失率形式表達的渠道輸水損失可以方便的推出渠道水利用系數，因為從單位長度渠道損失率的定義就可以得出其與單位長度渠道水利用系數顯然存在η=1-σ的關系，有了單位長度渠道的水利用系數，知道了渠道上流量沿程如何變化，就可以依據單位長度渠道水利用系數求得全渠道的水利用系數。

2. 渠道輸水損失率

從概述當中可以看出渠道的損失對渠道水利用系數的估算是十分重要的，因此，并給出渠道輸水損失統一的、一般的、合理的公式就具有重要的意義。

水在土壤中滲流的，當地下水埋深很大，有滲流速度近似等于K，水力坡降近似等于1，則每公里渠道滲漏損失的機理表達式為S=0.01K(b+2γh1+M2) ，每公里渠道損失率可以寫成為σ= 1.16K(b+2γh1+M2) Qk(%)。

式中：S為每公里渠道損失流量（m3/s·Km）；K為渠床土壤滲透系數(m/d)； σ為每公里損失流量占渠道凈流量的百分數(%)； Qk為渠道的凈流量(m3/s)； 是考慮斷面邊坡側向毛管吸水的修正系數，決定于土壤的毛管特性，取值為1.1～1.4；b、h、M分別為渠道斷面的底寬（m）、渠深（m）、邊坡系數。

因有渠道流量Q=(β+M) h2v，而寬深比β=b/h，則渠道的水深 h=Q(B+M)v，代入渠道的損失率公式有σ= 1.16K(β+2γ1+M2) Qv(β+M) ，這一表達式經過變換后可以寫成如下更為一般的表達式： σ=KQ0.5(1.16α+2γ1+M2vα+M)(%)，若以滲透性系數A代替K(1.16α+2γ1+M2vα+M) ，同時為使Q0.5 中的0.5次方更具有統計方面的河相意義，以流量指數m表示，則渠道輸水損失率可以表達為更為簡潔的形式上更接近于AH考斯加可夫的公式即σ=A/Qm%。

由此可見AH考斯加可夫公式與從損失機理推導的公式是相通的，從推導的過程我們也更進一步了解了AH考斯加可夫公式中各參數的實質物理含義：在AH考斯加可夫公式中A為滲透性系數，是K的倍數關系，與渠道的幾何尺寸以及渠床的毛管吸水特性有關；在AH考斯加可夫公式中m為流量指數，是與渠道流量狀況有關的指數。

由于AH考斯加可夫公式是從大量實測土質渠道統計分析得出的，而從損失機理理論推導的這一公式與AH考斯加可夫公式具有如此的相似性，說明推導的這一理論公式是可以表達土質渠道的輸水損失的，只是公式對渠道水損失率計算是基于地下水埋深很大，渠床為土質渠道的情況下得出的，根據渠道的地下水情況，由于地下水對渠道存在頂托作用，計算出的渠道水損失率還需要在規范的要求內進行一定的折減。

從我們對已經防滲的渠道的渠道損失的統計資料進行分析表明，對于襯砌渠道公式所表達的形式也是一樣的，只是公式中的流量指數以及滲透性系數取值不同而已。灌區塑膜防滲和漿砌石防滲的統計分析，相關系數在0.75以上，具有較好的相關性。統計資料表明土渠存在σ=4.48Q0.59，對于塑料薄膜防滲存在σ=1.49Q0.62，而對于漿砌石渠道存在σ=3.857Q0.45的關系，可見所推導的理論公式的確具有十分廣泛的價值，對于襯砌形式不同的渠道以及土質渠道都可以得出形式上相同的表達渠道輸水損失的公式來，所得出的理論公式中參數A以及參數m所具有的不僅僅是上述的物理意義了，更多的是渠道水損失率的統計意義，不同地區或地域可以依據現有的渠道進行統計分析得出與推導的理論公式形式上相同的公式用以指導實際工作。

3. 渠道水利用系數

在渠道地質條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道上，設起始段面的流量為Q0，離該斷面樁號為x處的流量為Q(x)，我們把x點處的流量Q(x)對x的導數的負值定義為該段面的流量損失強度P(X)，P(X)=-dQ(X) dx。流量的損失強度與渠道本身的性質和流量的大小有關，可以假定，渠道某一段面的流量損失強度與該段的流量比值為常數k，k= P(X)/ Q(x)。基于以上對渠道的兩個基本假定，可以得出kQ(x) dx=-dQ(x) ，對此式進行在0～x上的積分有x0 kdx=Q(x) Q0-dQ(x) Q(x) ，積分得出流量沿程變化的基本關系式Q(x) =Q0e -kx，由此可見，沿程流量為一指數函數，k的數字反映流量消減的快慢，它是一個由渠道本身性質決定的參數。

有了渠道流量關系式，現在可以利用這一關系式推求每公里渠道水利用系數。對于前后斷面存在Q2=Q1e -kI，即k=-1 lInQ2Q1，而距離起始段面一公里處的流量為Q=Q1e-k ，把損失強度代入此式有Q=Q1e 1lInQ2Q1=Q1(Q2Q1) 1l。

因此每公里渠道水利用系數，可以表達為η=QQ1= (Q2Q1) 1l，同理對于渠道水利用系數也可進行推算即η渠道= Q凈/ Q毛=ηL，此式表明了全渠道水利用系數與單位長度水利用系數的關系。

很顯然單位渠道水利用系數η與單位渠道水損失率σ存在關系式η=1-σ，由此關系式再依據上述渠道水利用系數與單位渠道水利用系數的關系式η渠道=ηL，則有η渠道=（1-σ）L =(1-A/ Qm)L，這就是我們想要得到的渠道水利用系數的估算式。L為地質條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道長度。對于地質條件、幾何斷面及襯砌形式等條件不同的渠道可以首先劃分為不同的渠段，利用估算式分別計算不同渠段的渠道水利用系數，全渠道水利用系數顯然有η渠道= η渠段1×η渠段2×η渠段3……，在此就不加推證了。

我們對渠道水利用系數推求，具有十分廣泛的意義，主要是由于引入了單位流量損失率，而單位流量損失率具有形式簡單的特點，所有渠道均可以采用統計的方式得出這一形式。從而更廣的推求了渠道水利用系數。

4. 結論

渠道水利用系數估算式引入的渠道水損失率和渠道長度這兩個參數中，由于渠道的段長度是一定的，因而渠道水利用系數的主要參數是渠道水損失率。而渠道水損失率又是由渠道的凈流量、流量指數、滲透性系數三個參數得出的，因而渠道水利用系數最終可以歸結為對這三個參數的正確確定。在渠道的設計當中，常常采用設計流量為渠道的凈流量來計算渠道水損失率，設計流量顯然比實際渠道的平均過流量要大，這導致了渠道水的損失率計算誤差偏大，對渠道水利用系數產生較大的影響應該引起注意。就渠道水利用系數的估算過程還可以看出以設計流量取代凈流量使得渠道的水利用系數比實際的要大，這對我們確定渠道的規模以及節水效果的估計都是有影響的。從上面的分析當中還可以看出，渠道的長度可以把由于渠道的流量產生的誤差以L次方的倍數放大的作用，因而計算渠道水利用系數時渠道的分段除了依據地質條件、幾何斷面及襯砌形式外，渠道本身也要求分段不宜過長，以盡量消除由于分段過長，使得流量的誤差對渠道水利用系數產生過大的影響。

本文介紹的利用估計式η渠道=(1-A/ Qm)L對渠道的水利用系數η進行推算的具有形式簡單，易于于生產實踐的特點，而且應用范圍也十分廣泛，這一方法在本地區灌區續建配套和節水改造工程中進行了應用得到了專家的認可。