基于滲漏損失的渠系水利用系數分析

趙瑞玨，王修貴，韓旭東，楊麗清，常志富，付 峰，毛德強

(1.武漢大學 水利水電學院，武漢 430072；2.山東大學 土建與水利學院，濟南 250061；3.內蒙古河套灌區管理總局 義長灌域管理局，內蒙古 巴彥淖爾 015100)

0 引 言

渠系水利用系數是衡量渠系工程狀況和輸水效率的重要指標，現行規范推薦的測定渠系水利用系數的首尾測算法和典型渠段法測定工作量大，要求水位、流量等測量工具具有較高的精度，因此，如何方便快捷地估算出渠系水利用系數是生產實踐中需要解決的問題。而估算渠系水利用系數的經驗公式法以渠道土質、襯砌狀況、渠道流量等特征參數為輸入條件，輸入參數少、計算方便，在信息化程度較高的灌區可以實現渠系水利用系數的快速估算[1-5]。灌溉渠道水量損失主要來源于渠床滲漏，選擇準確的滲漏損失估算方法，獲取準確的估算參數，是快速估算渠系水利用系數的關鍵[6-9]。實踐經驗表明，采取襯砌防滲措施是減少渠道輸水水量損失、提高渠系水利用系數行之有效的方法。本文基于渠床滲漏損失的經驗公式，以內蒙古河套灌區義長灌域皂火干渠人民支渠控制范圍為研究區，在全面調查渠系分布和襯砌狀況的基礎上，探討了考斯加科夫渠道滲漏損失經驗公式在渠系水利用系數估算和分析中的應用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本文以內蒙古河套灌區義長灌域皂火干渠人民支渠控制范圍為研究區，該區位于巴彥淖爾市五原縣新公中鎮永聯村，南北長約12 km，東西寬平均約3 km，地勢自南向北逐漸降低，地面坡度平均約1/3 300。區域南邊有皂火干渠經過，人民支渠貫穿其中，共有25條斗渠沿人民支渠兩側向農田輸水，并經農渠分配至田間。研究區的北邊為六排干溝，東西分別為永什分干溝、乃永分干溝。研究區涵蓋了如耕地、荒地、海子、村莊、道路、灌排渠系等不同的土地利用類型，土地總面積約28.76 km2(合2 876 hm2)，其中耕地面積約1 347 hm2，約占土地總面積的47%[10-12]。

1.2 研究區渠系分布及其襯砌狀況

根據人民支渠主要渠道規劃圖，利用Google Earth的衛星影像，補充描繪出區域內的斗渠分布，并于2018年4月到現場進行踏勘，根據GPS定位各渠道的起點、拐點、終點、部分渠系建筑物的位置等，從而完成渠系分布圖的繪制工作，并對襯砌狀況如襯砌段材料、施工年份、損毀程度做出詳細標注。繼而在91衛圖助手中將現場記錄的經緯度坐標參考Google Earth的衛星影像，一一對應點繪出研究區的渠系分布，校正渠道沿程高程變化，確定渠道的起始點，根據田塊中高程的變化，確定每一條農渠的灌溉范圍，為渠系水利用系數的分析推算工作提供真實可靠基礎數據，如每條渠道長度及控制的灌溉面積等。結果表明，人民支渠總長12 083 m，全部采用混凝土護面防滲措施；25條斗渠總長30 846 m，其中混凝土襯砌段累計長21 361 m，襯砌率為69%；338條農渠總長141 216 m，全部不襯砌。研究區的斗渠及以上的渠系分布見圖1。

圖1 研究區主要渠系示意圖

1.3 渠系水利用系數的計算方法

1.3.1 渠道水量損失

渠道在輸水過程中存在水量損失[13]：

Ql=Qg-Qn

(1)

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損失、渠床滲漏損失、閘門漏水和渠道退水等。水面蒸發損失一般不足渠床滲漏損失的5%，在渠道流量計算中常忽略不計。閘門漏水和渠道退水取決于工程質量和用水管理水平，可以通過加強灌區管理工作予以控制，在計算渠道流量時不予考慮。故把渠床滲漏損失水量近似地看作總輸水損失水量[13-15]。

對于渠道長度為L的渠段，常用下式計算渠道輸水損失流量[13]：

Ql=σLQn

(2)

式中：σ為每公里渠道輸水損失系數，km-1；L為渠道長度，km。

常用考斯加科夫渠道滲漏經驗公式估算σ[14]：

(3)

式中：A為渠床土壤透水系數；m為渠床土壤透水指數。

土壤透水性參數A和m應根據實測資料分析確定，在缺乏實測資料的情況下，文獻[13]推薦了針對不同土壤質地的參考值。

1.3.2 地下水頂托修正系數和渠道襯砌折減系數

公式(2)是在不受地下水頂托影響條件下、根據渠床天然土壤透水性計算出來的渠道輸水損失流量。如灌區地下水位較高，渠道滲漏受地下水壅阻影響，或者在采取渠道襯砌護面防滲措施的情況下，需對以上計算結果分別乘以地下水頂托修正系數和渠道襯砌折減系數[13]：

(4)

1.3.3 計算流程

為方便編程計算，假設人民支渠和所屬各斗渠、農渠均為續灌，自下而上逐級計入輸水損失流量，推算出各級渠道的毛流量、凈流量，進一步求得各級渠道水利用系數、渠系水利用系數。

2 結果與分析

2.1 現狀渠系水利用系數公式測算

田間水利用系數取經驗值0.9，設計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，灌溉季節地下水埋深取2 m[16]。研究區渠床土壤類型為砂壤土及輕砂壤土，根據文獻[13]，公式(3)中A=3.4，m=0.5。計算結果表明，338條農渠的渠道水利用系數在0.488～1之間，平均值為0.754，農渠級別的渠道水利用系數為0.784；25條斗渠的渠道水利用系數在0.685～0.996之間，平均值為0.951，斗渠級別的渠道水利用系數為0.946。斗渠流量及渠道水利用系數結果匯總見表1。人民支渠毛流量(渠首流量)為1.110 m3/s，凈流量(渠尾流量)為1.089 m3/s，渠道水利用系數為0.981，渠系水利用系數為0.728，從人民支渠進口算起的灌溉區內灌溉水利用系數為0.655。

表1 斗渠流量及渠道水利用系數匯總表

續表1 斗渠流量及渠道水利用系數匯總表

2.2 襯砌狀況對渠系水利用系數的影響分析

為研究不同的襯砌狀況對渠系水利用系數的影響，通過設置不同的襯砌情景，借助渠系水利用系數測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數，分析研究區內各級渠道從全部不襯砌過渡到全部襯砌時渠系水利用系數的變化過程，比較各級渠道的襯砌狀況對渠系水利用系數的貢獻，襯砌情景設置方案見表2。設計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2) ，地下水埋深取2 m[16]。

表2 襯砌情景設置方案

計算結果表明，隨著全部襯砌渠道級別的增加，輸水損失流量減小，同一級別渠道總毛流量減小，渠系水利用系數增加。人民支渠毛流量由1.425 m3/s逐漸減小過渡至0.865 m3/s；渠系水利用系數由0.567逐漸增加至0.934，見圖2。

圖2 方案1～4同一級別渠道的渠道水利用系數分析

2.3 襯砌位置對渠系水利用系數的影響分析

為研究不同的襯砌位置對渠系水利用系數的影響，通過設置不同的襯砌位置，借助渠系水利用系數測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數。假定各級各條渠道長度的60%采用混凝土護面，且襯砌段連續，襯砌段的起始位置分別從距離渠首0、10%、20%、30%、40%(占整個渠長)開始(見表3)。表3中渠道長度為L，黑色粗線表示襯砌段，灰色細線表示土渠段。設計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，地下水埋深取2 m[16]。計算得出的5個方案同一級別渠道利用系數結果匯總見表4。

表3 襯砌位置設置方案

表4 方案1～5同一級別渠道利用系數匯總表

計算結果表明，各方案所得出的不同級別的渠道水利用系數的大小順序有所差異，其中農渠各方案的差異不明顯，斗渠、支渠的渠道水利用系數和研究區的渠系水利用系數以方案2或方案3最大，方案5最小。表明在渠道只能部分襯砌的情況下，優先從渠道的首端偏中部開始襯砌，對于提高渠道水利用系數及渠系水利用系數更為有利。

2.4 渠道流量對渠系水利用系數的影響分析

為研究不同的渠道流量對渠系水利用系數的影響，襯砌狀況維持現狀，地下水埋深取2 m，在原有灌水率的基礎上分別增減20%和40%構成5個不同的渠道流量方案(見表5)，借助渠系水利用系數測算軟件，計算各種方案下的渠系水利用系數。

表5 渠道流量設置方案

計算結果表明(見圖3)，隨著灌水率的減小，渠道流量逐漸減小，渠系水利用系數逐漸減小且減小的幅度逐漸增大。人民支渠毛流量由1.485 m3/s逐漸減小過渡至0.724 m3/s；渠系水利用系數由0.762逐漸減小過渡至0.670。

圖3 方案1～5同一級別渠道的渠道水利用系數分析

2.5 地下水埋深對渠系水利用系數的影響分析

為研究不同的地下水埋深對渠系水利用系數的影響，根據研究區的地下水埋深在2～3 m的實際情況，設置2 m和3 m兩個方案(見表6)，襯砌狀況維持現狀，設計灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)[16]。計算結果表明，隨著地下水埋深的增加，滲漏量有所增加，各級渠道水利用系數減小，但變化不大。

表6 方案1、2同一級別渠道的渠道水利用系數匯總表

3 結論與討論

根據本文的分析論證，可以得出以下幾點結論：

(1)渠道采取防滲措施是提高渠系水利用系數行之有效的方法，現狀渠系水利用系數為0.728；若渠道不采取防滲措施，渠系水利用系數僅為0.567；若全部渠道均設有混凝土襯砌，渠系水利用系數可達到0.934。

(2)在部分渠段襯砌的情況下，襯砌段從渠首移動到渠尾，渠系水利用系數先逐漸增加達到峰值后緩慢下降。渠首、渠尾分別預留渠道總長的10%、30%無襯砌段時，渠系水利用系數達到峰值0.781；渠首預留渠道總長的40%無襯砌段時，即襯砌段置于渠尾時，渠系水利用系數最小，其值為0.741。表明在渠道只能部分襯砌的情況下，優先從渠道的首端偏中部開始襯砌，對于提高渠道水利用系數及渠系水利用系數更為有利。

(3)隨著渠道輸水流量的增加，渠系水利用系數會逐漸增加，但增加的幅度是遞減。渠道流量從設計流量的0.6倍逐漸提高到1.4倍時，渠系水利用系數從0.670提高至0.762，其中，設計流量條件下對應的渠系水利用系數為0.728。

(4)隨著地下水位的升高，渠道滲漏受地下水頂托的影響會減小，渠系水利用系數增加。本文的分析表明，地下水埋深由3 m升高至2 m時，渠系水利用系數從0.723提高至0.728，提高的幅度不大。

需要說明的是，本文運用經驗公式法測算研究區的渠系水利用系數時，把渠床滲漏損失水量近似地看作總輸水損失水量，忽略渠道水面蒸發損失、閘門漏水和渠道退水，計算出的渠系水利用系數會高于實際值。同時，渠道襯砌折減系數采用了文獻的經驗值，實際上，襯砌材料的使用年限和養護狀況對折減系數的取值會有很大的影響，這些都是后期需要深入研究的問題。

致謝：陳博華、王夢彤、董澤陽以及義長灌域管理局永聯試驗基地的工作人員參與了資料的收集工作。