基于渗漏损失的渠系水利用系数分析

赵瑞珏，王修贵，韩旭东，杨丽清，常志富，付 峰，毛德强

(1.武汉大学 水利水电学院，武汉 430072；2.山东大学 土建与水利学院，济南 250061；3.内蒙古河套灌区管理总局 义长灌域管理局，内蒙古 巴彦淖尔 015100)

0 引 言

渠系水利用系数是衡量渠系工程状况和输水效率的重要指标，现行规范推荐的测定渠系水利用系数的首尾测算法和典型渠段法测定工作量大，要求水位、流量等测量工具具有较高的精度，因此，如何方便快捷地估算出渠系水利用系数是生产实践中需要解决的问题。而估算渠系水利用系数的经验公式法以渠道土质、衬砌状况、渠道流量等特征参数为输入条件，输入参数少、计算方便，在信息化程度较高的灌区可以实现渠系水利用系数的快速估算[1-5]。灌溉渠道水量损失主要来源于渠床渗漏，选择准确的渗漏损失估算方法，获取准确的估算参数，是快速估算渠系水利用系数的关键[6-9]。实践经验表明，采取衬砌防渗措施是减少渠道输水水量损失、提高渠系水利用系数行之有效的方法。本文基于渠床渗漏损失的经验公式，以内蒙古河套灌区义长灌域皂火干渠人民支渠控制范围为研究区，在全面调查渠系分布和衬砌状况的基础上，探讨了考斯加科夫渠道渗漏损失经验公式在渠系水利用系数估算和分析中的应用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文以内蒙古河套灌区义长灌域皂火干渠人民支渠控制范围为研究区，该区位于巴彦淖尔市五原县新公中镇永联村，南北长约12 km，东西宽平均约3 km，地势自南向北逐渐降低，地面坡度平均约1/3 300。区域南边有皂火干渠经过，人民支渠贯穿其中，共有25条斗渠沿人民支渠两侧向农田输水，并经农渠分配至田间。研究区的北边为六排干沟，东西分别为永什分干沟、乃永分干沟。研究区涵盖了如耕地、荒地、海子、村庄、道路、灌排渠系等不同的土地利用类型，土地总面积约28.76 km2(合2 876 hm2)，其中耕地面积约1 347 hm2，约占土地总面积的47%[10-12]。

1.2 研究区渠系分布及其衬砌状况

根据人民支渠主要渠道规划图，利用Google Earth的卫星影像，补充描绘出区域内的斗渠分布，并于2018年4月到现场进行踏勘，根据GPS定位各渠道的起点、拐点、终点、部分渠系建筑物的位置等，从而完成渠系分布图的绘制工作，并对衬砌状况如衬砌段材料、施工年份、损毁程度做出详细标注。继而在91卫图助手中将现场记录的经纬度坐标参考Google Earth的卫星影像，一一对应点绘出研究区的渠系分布，校正渠道沿程高程变化，确定渠道的起始点，根据田块中高程的变化，确定每一条农渠的灌溉范围，为渠系水利用系数的分析推算工作提供真实可靠基础数据，如每条渠道长度及控制的灌溉面积等。结果表明，人民支渠总长12 083 m，全部采用混凝土护面防渗措施；25条斗渠总长30 846 m，其中混凝土衬砌段累计长21 361 m，衬砌率为69%；338条农渠总长141 216 m，全部不衬砌。研究区的斗渠及以上的渠系分布见图1。

图1 研究区主要渠系示意图

1.3 渠系水利用系数的计算方法

1.3.1 渠道水量损失

渠道在输水过程中存在水量损失[13]：

Ql=Qg-Qn

(1)

式中：Ql为渠道输水损失流量，m3/s；Qg为渠道毛流量，m3/s；Qn为渠道净流量，m3/s。

渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失一般不足渠床渗漏损失的5%，在渠道流量计算中常忽略不计。闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平，可以通过加强灌区管理工作予以控制，在计算渠道流量时不予考虑。故把渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量[13-15]。

对于渠道长度为L的渠段，常用下式计算渠道输水损失流量[13]：

Ql=σLQn

(2)

式中：σ为每公里渠道输水损失系数，km-1；L为渠道长度，km。

常用考斯加科夫渠道渗漏经验公式估算σ[14]：

(3)

式中：A为渠床土壤透水系数；m为渠床土壤透水指数。

土壤透水性参数A和m应根据实测资料分析确定，在缺乏实测资料的情况下，文献[13]推荐了针对不同土壤质地的参考值。

1.3.2 地下水顶托修正系数和渠道衬砌折减系数

公式(2)是在不受地下水顶托影响条件下、根据渠床天然土壤透水性计算出来的渠道输水损失流量。如灌区地下水位较高，渠道渗漏受地下水壅阻影响，或者在采取渠道衬砌护面防渗措施的情况下，需对以上计算结果分别乘以地下水顶托修正系数和渠道衬砌折减系数[13]：

(4)

1.3.3 计算流程

为方便编程计算，假设人民支渠和所属各斗渠、农渠均为续灌，自下而上逐级计入输水损失流量，推算出各级渠道的毛流量、净流量，进一步求得各级渠道水利用系数、渠系水利用系数。

2 结果与分析

2.1 现状渠系水利用系数公式测算

田间水利用系数取经验值0.9，设计灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，灌溉季节地下水埋深取2 m[16]。研究区渠床土壤类型为砂壤土及轻砂壤土，根据文献[13]，公式(3)中A=3.4，m=0.5。计算结果表明，338条农渠的渠道水利用系数在0.488～1之间，平均值为0.754，农渠级别的渠道水利用系数为0.784；25条斗渠的渠道水利用系数在0.685～0.996之间，平均值为0.951，斗渠级别的渠道水利用系数为0.946。斗渠流量及渠道水利用系数结果汇总见表1。人民支渠毛流量(渠首流量)为1.110 m3/s，净流量(渠尾流量)为1.089 m3/s，渠道水利用系数为0.981，渠系水利用系数为0.728，从人民支渠进口算起的灌溉区内灌溉水利用系数为0.655。

表1 斗渠流量及渠道水利用系数汇总表

续表1 斗渠流量及渠道水利用系数汇总表

2.2 衬砌状况对渠系水利用系数的影响分析

为研究不同的衬砌状况对渠系水利用系数的影响，通过设置不同的衬砌情景，借助渠系水利用系数测算软件，计算各种方案下的渠系水利用系数，分析研究区内各级渠道从全部不衬砌过渡到全部衬砌时渠系水利用系数的变化过程，比较各级渠道的衬砌状况对渠系水利用系数的贡献，衬砌情景设置方案见表2。设计灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2) ，地下水埋深取2 m[16]。

表2 衬砌情景设置方案

计算结果表明，随着全部衬砌渠道级别的增加，输水损失流量减小，同一级别渠道总毛流量减小，渠系水利用系数增加。人民支渠毛流量由1.425 m3/s逐渐减小过渡至0.865 m3/s；渠系水利用系数由0.567逐渐增加至0.934，见图2。

图2 方案1～4同一级别渠道的渠道水利用系数分析

2.3 衬砌位置对渠系水利用系数的影响分析

为研究不同的衬砌位置对渠系水利用系数的影响，通过设置不同的衬砌位置，借助渠系水利用系数测算软件，计算各种方案下的渠系水利用系数。假定各级各条渠道长度的60%采用混凝土护面，且衬砌段连续，衬砌段的起始位置分别从距离渠首0、10%、20%、30%、40%(占整个渠长)开始(见表3)。表3中渠道长度为L，黑色粗线表示衬砌段，灰色细线表示土渠段。设计灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)，地下水埋深取2 m[16]。计算得出的5个方案同一级别渠道利用系数结果汇总见表4。

表3 衬砌位置设置方案

表4 方案1～5同一级别渠道利用系数汇总表

计算结果表明，各方案所得出的不同级别的渠道水利用系数的大小顺序有所差异，其中农渠各方案的差异不明显，斗渠、支渠的渠道水利用系数和研究区的渠系水利用系数以方案2或方案3最大，方案5最小。表明在渠道只能部分衬砌的情况下，优先从渠道的首端偏中部开始衬砌，对于提高渠道水利用系数及渠系水利用系数更为有利。

2.4 渠道流量对渠系水利用系数的影响分析

为研究不同的渠道流量对渠系水利用系数的影响，衬砌状况维持现状，地下水埋深取2 m，在原有灌水率的基础上分别增减20%和40%构成5个不同的渠道流量方案(见表5)，借助渠系水利用系数测算软件，计算各种方案下的渠系水利用系数。

表5 渠道流量设置方案

计算结果表明(见图3)，随着灌水率的减小，渠道流量逐渐减小，渠系水利用系数逐渐减小且减小的幅度逐渐增大。人民支渠毛流量由1.485 m3/s逐渐减小过渡至0.724 m3/s；渠系水利用系数由0.762逐渐减小过渡至0.670。

图3 方案1～5同一级别渠道的渠道水利用系数分析

2.5 地下水埋深对渠系水利用系数的影响分析

为研究不同的地下水埋深对渠系水利用系数的影响，根据研究区的地下水埋深在2～3 m的实际情况，设置2 m和3 m两个方案(见表6)，衬砌状况维持现状，设计灌水率取5.4×10-4m3/(s·hm2)[16]。计算结果表明，随着地下水埋深的增加，渗漏量有所增加，各级渠道水利用系数减小，但变化不大。

表6 方案1、2同一级别渠道的渠道水利用系数汇总表

3 结论与讨论

根据本文的分析论证，可以得出以下几点结论：

(1)渠道采取防渗措施是提高渠系水利用系数行之有效的方法，现状渠系水利用系数为0.728；若渠道不采取防渗措施，渠系水利用系数仅为0.567；若全部渠道均设有混凝土衬砌，渠系水利用系数可达到0.934。

(2)在部分渠段衬砌的情况下，衬砌段从渠首移动到渠尾，渠系水利用系数先逐渐增加达到峰值后缓慢下降。渠首、渠尾分别预留渠道总长的10%、30%无衬砌段时，渠系水利用系数达到峰值0.781；渠首预留渠道总长的40%无衬砌段时，即衬砌段置于渠尾时，渠系水利用系数最小，其值为0.741。表明在渠道只能部分衬砌的情况下，优先从渠道的首端偏中部开始衬砌，对于提高渠道水利用系数及渠系水利用系数更为有利。

(3)随着渠道输水流量的增加，渠系水利用系数会逐渐增加，但增加的幅度是递减。渠道流量从设计流量的0.6倍逐渐提高到1.4倍时，渠系水利用系数从0.670提高至0.762，其中，设计流量条件下对应的渠系水利用系数为0.728。

(4)随着地下水位的升高，渠道渗漏受地下水顶托的影响会减小，渠系水利用系数增加。本文的分析表明，地下水埋深由3 m升高至2 m时，渠系水利用系数从0.723提高至0.728，提高的幅度不大。

需要说明的是，本文运用经验公式法测算研究区的渠系水利用系数时，把渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量，忽略渠道水面蒸发损失、闸门漏水和渠道退水，计算出的渠系水利用系数会高于实际值。同时，渠道衬砌折减系数采用了文献的经验值，实际上，衬砌材料的使用年限和养护状况对折减系数的取值会有很大的影响，这些都是后期需要深入研究的问题。

致谢：陈博华、王梦彤、董泽阳以及义长灌域管理局永联试验基地的工作人员参与了资料的收集工作。