受防滲標準影響的渠系水利用系數計算問題探討

廖文平

(南昌市水利電力建設公司，南昌 330000)

0 引 言

灌溉渠道凈流量和毛流量之比即為渠系水利用系數，當灌溉水從水源引出后直至進入田間被農作物吸收利用，這一過程中必然發生水量損失，該系數取值可以綜合體現出灌區各級灌溉渠道運行情況及管理水平。當前國內科研單位對于河網流域自然運行狀態下水資源利用程度研究較多，而對灌區渠系等人工灌溉網絡水資源利用情況并未展開深入研究。近年來，部分學者應用Horton定律進行國內部分大型灌區渠系水利用程度的表征，并借助自組織分形理論進行了渠系分位數計算區間的構建，以求確定渠系水利用系數的準確取值[1]。該方法是在假定渠系水利用系數滿足河系定律發展規則的基礎上進行分析研究，但這一假設條件在很多情況下無法滿足，結果的合理性和準確性也難保證。為此，文章引入防滲標準，并試圖構建新型的渠系水利用系數計算模型，并對結果和真實性和有效性進行試驗論證。

1 渠系水等級劃分

為構建新型的渠系水利用系數計算模型，首先必須在考慮防滲標準的基礎上，以防滲標準參數為依據進行渠系水等級劃分。防滲標準參數可從側面反映渠道輸水損失程度及渠系水利用程度，可按照以下公式計算：

(1)

式中：W為防滲標準參數；q為渠道輸水周期均值；ri為渠系水資源波峰利用率；ui為渠系水資源波谷利用率；E為渠系水資源極限利用率參考值；i為渠系水資源利用率波峰、波谷點坐標參數。

防滲標準參數可以通過等級渠頻數進行引申解釋，對渠系水等級劃分存在一定影響。等級渠頻數的確定過程也就是在確保灌區渠系管道、灌溉網絡均嚴格按照自然規律變化的基礎上，應用水資源利用系數分析技術確定渠系水體變動趨勢，并最終確定出等級渠頻數，達到渠系水等級的劃分。公式如下：

(2)

式中：p為等級渠頻數；yl為渠系水利用系數；t為周期變化系數；d為渠系水應用趨勢；S為渠系水參量目標值；S0為渠系水參量初始值；k為渠系水等級執行劃分基量。

2 渠系水利用系數計算

在基于防滲標準下劃分渠系水等級的基礎上進行渠系水利用系數計算時，必須區分等效并聯利用系數和非等效并聯利用系數兩種情況。

2.1 等效并聯利用系數

所謂等效并聯是指從下級渠道向不同的上級渠道供水的方式，這種供水方式所連通的灌溉渠系面積有限，且忽略其余影響因素的基礎上，上下級渠道渠系水利用系數始終為λ，在渠系關聯參數為ξ的情況下，可以用下式表示等效并聯利用系數：

(3)

式中：F1為渠系水等效并聯利用系數；mb為渠系水灌溉條件實值；x為灌溉渠道關聯值積分下限；ω為灌溉渠道供水能力實值；T為渠系水利用系數冪次項積分。

2.2 非等效并聯利用系數

所謂非等效并聯是下級渠道向同一條上級渠道供水的方式，此方式下所連接的灌溉面積較大，并能實現支渠、干渠混合連通，并且各支流渠系水不與其余支流渠系水發生直接關聯；干渠渠渠道水利用系數基本處于穩定狀態，受支流渠系水利用系數的影響不大[2]。

在得到以上兩種利用系數后，通過與等級渠頻數聯合的方式計算渠系水利用系數，基于式(2)和式(3)，關聯規則表示如下：

(4)

式中：R為關聯標準系數；F2為渠系水非等效并聯利用系數；ε為關聯周期下限；Q為渠系水利用極限系數；φ為渠頻數混合周期；σ為渠頻數回歸周期。在充分考慮關聯規則的情況下，進行渠系水利用系數受防滲標準影響的研究。

3 工程實例

3.1 工程概況

樂平市統籌整合資金推進高標準農田建設項目19標段主要涉及樂平市雙田鎮龍廟村、德明村、雙華村、金童許村，主要建設內容包括管網埋設、渠系防滲、水工建筑物、輸變電線路建設、高標準農田建設等工程。項目區包含灌排渠系、耕地、荒地、道路等不同土地形式，其中耕地在灌區總面積中占比47%。結合該高標準農田建設項目主要渠道規劃圖，通過Google earth衛星影像進行工程區內斗渠分布情況的補充描繪，并在2021年末進行該項目現場踏勘，應用GPS對工程區各渠道起點終點、主要建筑物位置等進行定位，最終完成渠系分布圖的繪制，并標記出襯砌材料、施工時間、損毀程度等詳細資料。將以上所得到經緯度坐標參考Google earth衛星影像進行項目區渠系分布點繪，并確定出渠道起始點；結合渠道沿程實際高程，確定出農渠具體的灌溉范圍，為渠系水利用系數的測算提供數據基礎[3]。

3.2 計算結果及分析

3.2.1 與河系定律發展規則吻合程度

為進行防滲標準下新型渠系水利用系數計算方法和現有技術手段的比較，必須采用相同的試驗參數進行兩種手段試驗結果的記錄和比較，以保證試驗結果的真實性和可比性。兩種計算方法下防滲標準參數均為0.84，試驗歷時均為35min，目標吻合度均為74.32%，渠系水利用極限均為96.75%。

在35min的試驗歷時中，應用新型渠系水利用系數計算方法和現有技術手段所得到的渠系水利用系數和河系定律發展規則吻合程度的比較具體見圖1。根據圖中結果，當試驗歷時在10-15min以內時，兩種方法所得到的渠系水利用系數及河系發展規則吻合程度均出現最大值，且兩者之間存在35.31%的差值，新型渠系水利用系數計算方法對應的試驗結果明顯高于現有技術；此后兩者變動趨勢趨于一致。

圖1 河系定律發展規則吻合程度比較

3.2.2 渠系水利用系數測算結果

根據計算結果，該高標準農田建設項目農渠渠系水利用系數取值在0.479-1.000之間，均值為0.761；斗渠渠系水利用系數取值在0.678-0.989之間，均值0.953。為研究不同防滲標準對渠系水利用系數的影響，在進行不同襯砌背景設置的基礎上計算渠系水利用系數，并分析各級渠道從不設置防滲標準到現狀防滲標準的情況下渠系水利用系數變動趨勢，比較防滲標準對渠系水利用系數的影響和貢獻。具體而言，設置四種防滲情景：方案1為全部渠道均不設置防滲標準；方案2為支渠全部采用現狀防滲標準，但斗渠和農渠均不設置防滲標準；方案3為支渠、斗渠全部采用現狀防滲標準，但農渠不設置防滲標準；方案4為全部灌溉渠道均采用現狀防滲標準。根據分析，隨著防滲標準的提高，襯砌輸水渠道等級增加，輸水損失流量也持續減小，渠系水利用系數隨之增大。具體見圖2。

圖2 同級別渠道渠系水利用系數

3.2.3 襯砌防滲位置的影響

在防滲標準一致的情況下，襯砌位置也對渠系水利用系數存在一定影響。假定各級渠道長度中60%均采用混凝土襯砌護面，襯砌段起始位置分別為與渠首相距0、10%、20%、30%和40%的位置，對應著5種襯砌方案，具體見圖3。圖中渠道長度為L，各方案下的黑色粗線表示實際襯砌段，黑色細線則表示未襯砌段。在設計灌水率為5.2×10-4m3/(s·hm2)，地下水埋深為2.0m的情況下所得到的5種方案渠系水利用系數結果匯總至表1。

4 結 論

綜上所述，文章所提出的新型渠系水利用系數計算方法所得出的結果和河系定律發展規則的吻合程度較高，且該方法計算過程簡單，隨著灌溉渠道防滲標準的提高，渠系水利用程度也穩步提升。分析結果還表明，提升防滲標準并采取有效的防滲措施是提升農田渠系水利用系數的可行之策，對于渠段部分襯砌的情況下，在渠首和渠尾分別預留出10%和30%的長度不襯砌時，渠系水利用系數的取值最大。值得注意的是，文章借助理論分析進行高標準農田渠系水利用系數測算，并將渠床滲漏損失量近似視為輸水總損失量，忽略了渠道退水、閘門漏水、水面蒸發損失，所得到的渠系水利用系數值必定高于實際值，應在應用中注意。

圖3 襯砌位置設置

表1 渠系水利用系數結果匯總

由表1結果可知，不同襯砌方案下各級灌溉渠道渠系水利用系數取值差異較大，其中農渠渠道不同方案差異不明顯，而支渠和斗渠渠系水利用系數方案2和方案3最大，方案5最小。這意味著在對灌溉渠道實施部分襯砌的情況下，必須先從渠首偏中部位置開始襯砌，利于渠系水利用系數的提升。