辽宁省大型灌区渠系水综合利用系数复核及节水潜力评估研究

2021-02-26张志斌

水利技术监督 2021年2期

张志斌

(辽宁省本溪水文局，辽宁本溪 117000)

1 辽宁省大型灌区概况

水利灌区建设对于地区国民经济发展具有十分重要的地位和意义[1]。辽宁省现有设计灌溉面积高于30万亩的灌区有11个，设计总灌溉面积及总有效面积分别为598.9万亩和486万亩，占辽宁省灌溉有效总面积的比例为21.5%，各灌区设计灌溉面积和有效灌溉面积见表1。各灌区主要分布在中部平原，其次为东北部，覆盖的总人口和农村人口分别为286万人和229万人[2]。灌区主要农作物为水稻，占全省总种植水稻面积的比例超过50%；是辽宁省重要的瓜果及蔬菜基地，对全省经济发展具有重要的支撑作用。各大型灌区主要修建年代为20世纪60年代和70年代，灌区渠首老化较为严重，渠首老化比占总渠首总数的比例高达59%[4]。渠系水利用系数的测试是推动灌区节水及水资源高效利用的重要途径和措施，近些年来，对于灌区渠系水利用系数的测算取得一定的成果[5-13]，各成果均表明，渠系水利用系数的测试是评估灌区节水潜力的重要方式。为此，文章采用流量平衡方法对辽宁省11个设计灌溉面积高于30万亩的大型灌区渠系水综合利用系数进行测算，并对不同衬砌方案的节水潜力进行评估。

表1 辽宁省大型灌区特征表单位：万亩

2 复核方法

2.1 灌区渗漏量复核

采用现场流量复核方式对各大型灌区渠系水利用系数进行复核，首先对各灌区不同土壤质地给水度进行分析，从而确定不同渠道的田间渗漏量，结果见表2—3。

表2 辽宁省大型灌区不同埋深下的给水度分析结果

表3 辽宁省大型灌区不同埋深下的渗漏量分析结果

2.2 典型渠道的渠系水利用系数复核方法

(1)典型渠段的选择要求

选取具有代表性、流量较为稳定且没有区间汇入的渠段，在同一渠段对上下两个断面进行流量测试，两个断面的流量差即为水量损失值。典型渠段长度应该满足以下条件：

①过水流量小于1m3/s时选取的渠道长度不低于1km；

②过水流量为1～10m3/s时选取的渠道长度不低于3km；

③过水流量为10～30m3/s时选取的渠道长度不低于5km；

④过水流量大于30m3/s时选取的渠道长度不低于10km。

(2)测定断面布设原则

本次采用动水测定方式对选取渠道进行流量测定，断面布设需满足的条件为：

①各测点流速在测流断面内不能超过流速仪测定范围；

②采用一点法测速时水深不能低于必要的测定深度；

③平稳渠道水位落差不能高于水深平均值的2%；

④测流渠段顺直，比降较为一致且水流流态较均匀；

⑤测流断面尽量与水流纵向保持一致，尽可能选择在桥上进行流速测验；

⑥测流断面受上游水库、闸坝方式影响较小，附近无对流速测定有影响的水工建筑物。

(3)测流垂线布设原则

①测验断面上测深和测速垂线数目及位置满足渠段过水断面的设计要求。

②任意两条测深垂线之间的距离在标准渠道内不能高于渠段宽度的1/5，在不规则渠段内其测深垂线之间的距离不能高于渠段宽度的1/20。测深垂线要均匀分布在水流变化较为平稳的回流区域。

③渠道水流波动较为复杂或摆动较为明显时应加密布设垂线，主渠道应布设较多的测深垂线，布设垂线较少时尽量避开水流不平稳的回流区。

④在渠道较为规则的断面，尽量将测深和测速垂线进行合并布设。

⑤不等间距布设测流垂线时，应该将测流断面均匀布设且与水流方向垂直。

⑥垂线布设时应固定主要标志，事先对间距及水边宽度进行测量，不同测流垂线之间误差允许值为±0.01m。不同干渠、分支垂线布设的原则见表4。

表4 不同水面宽度下各类别渠道的测流垂线布设要求

(4)渠系利用系数计算方法

渠道尾部和首部流量比值即为渠系水利用系数，其计算方程为

(1)

式中，η道i—渠系水利用系数；Q尾i、Q首i—渠道尾部和首部测定的流量，m3/s。不同流量在同一个渠道的水利用系数有所差异，因此采用流量加权平均方法进行综合分析，其计算方程为

(2)

δ典段=W损失/W首

(3)

式中，δ典段—典型渠道输水损失率，%；W损失—测定时段内水量损失，万m3；W首—渠道上游来水量，万m3。

3 辽宁省大型灌区渠系利用系数复核结果

3.1 流量测定结果

分别对11个大型灌区总干渠、分支干渠、分支斗渠进行流量测定，并对不同防渗形式下的渗漏量和蒸发损失进行测定，结果见表5。

表5 辽宁省大型灌区不同渠支流量及水量损失分析结果

(续表)

相比于总干渠，分支支渠和分支斗渠水量利用率更低，蒸发量主要依据区域气象数据，采用P-M公式进行计算，总干渠、分干支渠、分支斗渠蒸发量变化差异性较小，不是各灌区水量损失的主要因素。辽宁中部浑沙、浑蒲及大洼灌区流量相对较大，是平原区农业主要灌溉水源。从渠道渗漏损失量可看出，混凝土衬砌方式下的渗漏损失最小，其次为砖衬砌方式的渗漏量，无衬砌方式下的渠道渗漏量最大。分支斗渠、分干支渠无衬砌方式的下渗漏明显高于总干渠。

3.2 灌区渠系综合利用系数复核结果

对各灌区渠系综合利用系数及灌溉效率进行复核，结果见表6。

表6 各大型灌区渠系利用系数及灌溉利用系数综合复核结果

各大型灌区复核后渠系利用系数为0.48～0.64，相比于复核前，平均减少0.15，这主要是因为各灌区的渠道渗漏和蒸发损失的加大，使得渠系水综合利用系数明显减少，复核前各灌区的渠系利用系数为0.51～0.68，高值主要分布在浑河、辽河水系，也是水稻重要的补给水源。相比于复核前，灌溉利用率也有所减少，这主要是因为沿程渠系灌溉水损失加大，使得其灌溉利用率减少。浑沙、浑蒲两个大型灌区的灌溉利用系数相比于复核前有较为明显的减少，通过实地调查发现，这两个灌区沿程分布有不少取水口，使得其水量损失进一步加大，而灌溉利用系数主要通过渠首、渠尾水量的综合分析，因此相比于其他灌区，这两个灌区灌溉利用系数减少较为明显。

3.3 同一灌渠不同衬砌方案下的水量损失分析

对各灌区同一灌渠不同衬砌方案下水量损失进行综合分析，结果见表7。

表7 各大型灌区同一灌区下不同衬砌方案下的水量损失分析结果

各大型灌区不同衬砌方案单位长度损失量有所不同，同一灌区不同衬砌方案下的单位长度损失率与灌区的渠系工程概况、渠系地质特征具有较为明显的相关性。盘山灌区渠道未衬砌的单位长度损失率最大，达到0.0969，这主要是因为该灌区位于辽河下游，属于平原地区，地下水位较高，使得盘山渠道未衬砌单位长度损失率较高。而在各灌区中庄河灌区渠道未衬砌单位长度损失率最低，通过实地调查分析，庄河灌区渠道衬砌比较高，未衬砌渠段较少，因此其单位长度损失率较低。衬砌较未衬砌损失比例总体为0.444～0.897，北部开原灌区衬砌较未衬砌损失比例最大。

3.4 各灌区不同渠系各衬砌方案下的水量损失分析

考虑到不同渠系各衬砌方案下的水量损失有所差异，为对其节水潜力进行有效评估，对各大型灌区不同渠系各衬砌方案下的水量损失进行综合分析，结果见表8。

表8 各大型灌区不同渠系各衬砌方案下的水量损失分析结果

11个大型灌区总渠和分渠在不同衬砌方案下的水量损失有较为明显的变化规律，分干支渠和分支斗渠的损失率均要高于总渠，衬砌方式下分干支渠和分支斗渠的损失率相比于未衬砌方式下的平均减少5.6%，大型灌区分渠的节水潜力要高于总渠，在投资资金较为充足的条件下对分渠进行衬砌改造的节水效果要好于总渠。经过衬砌改造措施，各灌区节水量均值可达到86.45万m3。