鐵甲灌區渠道水利用系數的測定及計算

2022-04-13 13:25:06曹德軍

黑龍江水利科技 2022年3期

曹德軍

(法庫縣農業技術推廣與行政執法中心，遼寧法庫 110400)

1 灌區概況

鐵甲灌區位于丹東市東港市的東南沿海平原，北臨群山，南臨黃海，東起安民、西至龍態河；全區呈長方形，東北高，西南低。灌區控制面積383km2，土壤成因為鹽漬母質，在潛育化過程中逐步脫鹽發育起來的淤泥質亞黏土。pH值為5.8-8.0之間。土壤含鹽量0.1-0.8‰之間。年降雨量均值950mm，年平均氣溫8.5℃，生育期(5-9月)平均氣溫20℃以上。年平均日照2576小時，無霜期202天，地形、土壤、氣候條件均適于水稻生長的需要。

鐵甲灌區于1967年5月建成并投入使用，該地區受益的鄉鎮有9個及國有農場1個，包括71個村、586個生產組、56個單位、600多用戶組成。總耕地面積為35200hm2，除去9466.67hm2是旱田，其余是水田和葦田、菜田。

灌區渠道為土壤襯砌形式，防滲措施為土料夯實防滲。該灌區實行兩級管理體制，即干渠為灌區派出單位負責管理，支渠以下由鄉鎮水電所管理，灌溉維修工程投資有限，跑、冒、漏等現象比較嚴重。

2 灌區水文氣象特征

2.1 氣候

灌區位于黃海北岸東港平原的東側，氣候相對濕潤，年平均氣溫8 - 9℃，屬溫帶季風氣候。

2.2 降水

區域面迎鴨綠江口，水汽來源及地形條件相對優越，雨熱同季，寒暑分明，降雨量年內分配很不均勻，主要汛期7、8月徑流通常占全年徑流量的60%左右，作物生長需水量需人工調節灌溉。鐵甲灌區2020年5-9月份平均降水量為971.7mm，比多年同期均值731mm多32.9%。鐵甲灌區2020年5-9月降水量頻率計算見表1。

表1 鐵甲灌區灌溉期降水量頻率對照表

2.3 蒸發

由于瀕臨黃海，氣候相對濕潤，本區的蒸發能力不是很大，鐵甲灌區5—9月份多年蒸發量283.4mm，2020年同期蒸發量為336.0 mm，比多年平均多18.6%。

3 灌區引水特性

供水水源以鐵甲水庫為主，補充水源是以十八場提水站引鴨綠江水為主，目前有兩個渠首水源:一個是以鐵甲水庫為主的水源，設計流量為39.5m3/s;二是十八場水源，其設計流量為16.20 m3/s。鐵甲水庫位于柳林河上游，集水區面積為241km2，總庫容為2.34億m3/s，興利庫容為1.5975億m3/s。十八場水源的提水站，主要分布在柳林河、石溝河下游，提取本流域的地表水和鴨綠江的納潮水，以梯級泵站的形式向灌區干渠供水。

有干、支、斗、農四種渠道分布在該灌區，干渠1條35.54km，渠首坐標為E124°12.5′-N40°1.2′，連接一條5.50km的干渠，將干北的4個小水庫連接在一起，相互調整，共同使用，形成江、河、庫相連，溝渠相通的長藤結瓜的工程布局。既可東水西調，又可西水東援，運用自如。現有支渠為21條，5條連接渠， 10條直通都渠，總長為97km， 253條斗渠，全長為208 km;有3554條農渠，總長1627km。全灌區大小提水站30座62機組，總裝機容量4434kW，提水能力為36.55 m3/s，渠道為26條，總長46.5km。

灌區有12條大型排水溝，全長111km，直通黃海，總排水面積882km2。除排泄本灌區383km2外尚有499km2的山區客水。目前除一條干溝>10a標準，其余各干溝低于5a標準。該灌區干渠頭采用間歇式引水，除泡田期長外，每次引水天數較長，一般在3-5d。

4 渠道水利用系數的測定

根據渠道土質及輸送流量的空間分布情況，分別選取干、支、斗、農各級渠道代表性渠段，通過對代表性斷面進出水量的同步監測，定量計算了渠道斷面的損失水量，進而推導出整個渠道及渠系的用水系數。

4.1 代表渠段的選取

測試考慮鐵甲灌區整個渠段的土質、防滲措施、輸水流量、分水情況等綜合因素，選取能接近其平均水平的測試渠段。

4.1.1 干渠

該灌區有干渠一條，全長35.5km，選取長度足夠、上下段間分水口相對較少的兩條試驗渠段作為主渠，第一主干渠道的典型段跨第二支渠道，測試上斷面距渠首站3.75Km，為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土，渠段長1418.0m；第二干渠典型段在五、六兩支渠間，測試上斷面距渠首站17.4Km，為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土，渠段長1821.1m。

4.1.2 支渠

全灌區有支渠21條，平均長度3429m。測試渠道典型段選擇在二支渠和五支渠，第二次測試時因五支渠未放水，將支渠以下測試渠道典型段移至六支渠，典型段均為土壤襯砌形式。

二支渠測試段長390.0m，測試上斷面距干渠83.75m，為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土；五、六支渠測試段長均為356.0m，測試上斷面距干渠分別為600 m和700 m，均為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土。

4.1.3 斗渠

全灌區共有斗渠253條，平均長度823m。本年度在2、5、6支渠下先后選取6條典型斗渠段進行測試，渠道內土質均為亞黏土，靠岸邊兩側雜草、蘆葦叢生，水流紊亂，對測試精度影響較大。二支渠下兩條斗渠典型段長度分別為165.0m和80.0m，測試上斷面距支渠分別為10m和15m，均為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土；五、六支渠下4條斗渠典型段長度分別為64.0m、135.0m和100.0m、182.0m，測試上斷面距支渠分別為14.0m、15.0m、 18 m和25 m，均為土壤襯砌，渠道土質為亞黏土。

4.1.4 農渠

全灌區600m以上的農渠844條，平均長度458m。該灌區農渠管理較差，跑水現象普遍，嚴重影響測試精度。本次測試共選取農渠典型段5條，受條件所限，測試段無法固定，長度為50-120m。

4.2 監測時間及次數

2006年對鐵甲灌區干、支、斗、農各級渠道的基本情況進行了詳細的實地調查，并分別于6、7、8月下旬開展了三期渠系水監測。由于客觀原因耽誤，第一監測時機過遲，渠道內放水流量太小，所測數據缺乏代表性，本次未予采用；后兩期測試均為水稻生育期。

4.3 灌溉水利用系數的計算

4.3.1 渠道水利用系數η渠道

1)基本原理

渠道水利用系數計算公式為：

η計算渠段=η代表渠段L/ΔL

(1)

式中：η代表渠段為渠道水利用系數；η計算渠段為渠道水利用系數；L為計算渠段的長度；ΔL為渠段的長度。

2)代表渠段的渠道水利用系數

計算公式為：

η代表渠段=Q下/Q上

(2)

式中：η代表渠段為渠道水利用系數；Q上、Q下為上、下斷面的代表渠段流量。

當試驗河段出現分叉或發散時，可采用試驗算法求解河段單位長度的用水系數η單位，公式為:

Q上=Q下η單-△L+∑qiη單-Li

(3)

式中：η單位為渠段單位長度的渠道水利用系數；△L為測試渠段長度；Li為第個分流口到試渠段上斷面的長度；Q上、Q下及qi為測試渠段上、下斷面及分流斷面的流量[1]。

3)干、支、斗、農各級渠道的渠道水利用系數

某一渠道的渠道水利用系數可以通過渠道排放的凈水量與渠道水頭引入的總水量的比值來計算。計算公式如下:

η渠道=1/(∑αiη單-Li)

(4)

式中：Li為第i個分支對應的本級渠道長度；αi為第i個分支的分水量占本級渠道凈排水量的權重；η單為本級渠道單位長度的渠道水利用系數。

在提前得到河道內平均輸水量長度的情況下，河道用水系數η也可由下式計算:

η渠道=η代表渠段L/ΔL

(5)

或

η渠道=η單位L

(6)

式中：L為渠道的輸水均長。

4.3.2 干渠

根據公式(3)，測試渠段內含有分支、分流計算結果見表2。

4.3.3 支渠

根據公式(3)，測試渠段內含有分支、分流計算結果見表3：

表2 鐵甲灌區干渠代表段η單量化計算表

表3 鐵甲灌區支渠代表段η單量化計算表

灌區有支渠20條，平均長度為3.429 km，斗渠平均距離為450m。這樣，概化出各支渠的平均分支狀況，并根據排出凈流量與引水總流量之比計算出渠道水的有效利用系數:η渠道=1/(∑αiη單-Li)，計算結果為0.87177。

4.3.4 斗渠

根據公式(3)，測試渠段內含有分支、分流計算其計算結果見表4。

灌區共有斗渠253條，平均長度為823m，農渠平均渠距為25m，概化出各斗渠的平均分支狀況，并根據排出凈流量與引水總流量之比計算出渠道水的有效利用系數:計算結果為0.8985。

4.3.5 農渠

根據公式η單位=(Q下/Q上)1/△L，其計算結果見表5。

表4 鐵甲灌區斗渠代表段η單量化計算表

灌區共有3554條農渠，總長度1627km，平均長度為457.8m,采用其排出凈水量與渠首引進毛水量的比值進行推求渠道水有效利用系數，由于渠系大小不同，引進水口千差萬別的分布形式,采用簡化方法計算供水的平均長度，L輸=457.8/2=229m，渠道水有效利用系數的計算結果為0.9307。

4.4 渠道水有效利用系數的修正

4.4.1 干渠

鐵甲灌區干渠除部分過河渡槽外，采用土襯砌防滲形式，其防滲貫穿整個過程,由于渡槽的長度占渠道總長的比例微小，故無需修正，其有效利用系數為0.7108。

4.4.2 支渠

各支渠防滲形式均為土層襯砌，其計算后的利用系數為0.8718。

4.4.3 斗渠

各斗渠防滲形式均為土層襯砌，其計算后的利用系數為0.8985。

4.4.4 農渠

各農渠防滲形式均為土層襯砌，其計算后的利用系數為0.9307。

4.5 渠系水有效利用系數

4.5.1 渠系水有效利用系數的計算方法

渠系水有效利用系用下式計算

η渠系=η干渠η支渠η斗渠η農渠

(7)

4.5.2 渠系水有效利用系數的修正

鐵甲灌區水渠系統分布主要為干渠、支渠、斗渠和農渠固定渠，還有10個直屬溝渠。由于主干渠下的直斗渠道引入的水量不通過經過支渠；而聯干渠下的直斗渠所引入的水量既不需要經過支渠，也不需要經過主干渠。所以，在計算渠水有效利用系數η時，渠系直斗需要超級修正，整個灌區的η渠系按不同類別直斗的灌溉面積權重予以綜合，推得結果為：η渠系=0.5394[2]。

4.5.3 田間水有效利用系數

田間水有效利用系數取經驗值η田間=0.97。

4.5.4 灌溉水有效利用系數