东北苏打盐碱地输水渠道渗流模拟与试验研究*＊

2022-04-13王景立孙佳张航孟宪东吴世懿冯伟志

中国农机化学报 2022年3期

王景立，孙佳，张航，孟宪东，吴世懿，冯伟志

（1.吉林农业大学工程技术学院，长春市，130118；2.中科佰澳格霖农业有限公司，吉林白城，137000）

0 引言

东北苏打盐碱地水稻种植输水方式以渠道输水为主，渠道的形状、结构参数等对渠水利用率影响较大。东北地区冬季寒冷，渠道冻胀性破坏普遍存在，既缩短了其使用寿命，也增加了维护成本。因此，渠道材料选取对渠水利用率影响更为显著。

国内外相关专家学者在输水渠道防渗方面早有研究，顾喜贵[1]，隋保生[2]，许强等[3]应用有限元软件建立数值模型，为探讨渠道渗漏特性及衬砌结构提供参考。Rantz[4]提供了测量渠道渗漏量的方法，验证了动水法测渗的准确性。Osman[5]计算河渠渗漏模型后，通过对改进MODFLOW模型中的公式，得到能够求得各种复杂条件的河渠渗漏量模型。窦宝松等[6]对土工合成材料进行防渗漏试验后，发现土工膜防渗性能优良，但土工膜发生破损后，渗漏到膜内的水不易排出。王黎军等[7]对W-OH新型防渗材料进行研究，通过大量的室内试验和野外应用实例，得出W-OH溶液可以起到很好的防渗和防冻胀效果。郑建军等[8]在对聚丙烯高纤维材料在渠道防渗研究中发现，混凝土渠中掺入聚丙烯高纤维材料，能够提高渠道防渗能力。闫长城等[9]通过有限元软件对玻璃钢渠道温度场、变形场及应力场研究发现，玻璃钢渠衬砌可以提高防渗和抗冻胀能力。王英浩等[10]研究发现，U型玻璃钢渠冻胀不均匀程度小，且玻璃钢材料具有良好的防渗抗冻胀效果与适应变形能力。程传胜等[11]研究发现玻璃钢渠具有很强的变形能力，可很大程度的减小冻胀破坏。目前，输水渠道以混凝土渠道为主，在使用过程中输水弊端较多[12-13]。本文结合该试验项目利用有限元进行渗流模拟及开展野外试验，测量混凝土渠及玻璃钢渠的渗漏量，分析两种渠道在输水过程中的防渗性，从而为东北苏打盐碱地区输水渠道防渗工程的设计与施工提供一定参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验概况

试验于2021年5月在吉林省大安市海坨乡苏打盐碱地水稻种植项目区开展试验，试验基地铺设混凝土渠及玻璃钢渠，混凝土渠为梯形渠，如图1、图2扬示。渠底宽为0.8 m，边坡系数m为1，渠道高度为0.8 m；玻璃钢渠道为U型渠道，渠道高度为0.5 m，渠口宽度为0.9 m，弧底半径R为0.4 m，外倾角为10°，玻璃钢渠道厚度b为7 mm。

图1 混凝土渠、玻璃钢渠平面图Fig.1 Concrete canal,FRP canal plan

图2 混凝土渠、玻璃钢渠现场图Fig.2 Concrete canal,FRP canal site map

1.2 试验方法

因野外测渗试验不能毁坏原有输水渠道测量其渠道向下2 m处土壤含水率，故野外测渗试验采用经典动水法测渗试验，以渠道的流量损失为依据，在春灌初期对混凝土渠及玻璃钢渠开展试验研究，试验渠段取1 000 m，严格依照《渠道防渗工程技术规范GB50600—2010》[14]开展动水法测定渠道输水损失。动水法是渠道不停水且测流上下两断面之间分水口均关闭的情况下观测流量损失[15]的一种试验方法，即根据渠道首尾流量差确定输水损失，它不改变渠道的运行规则，可直接反映流量、流速、水位对输水损失的影响。使用流速仪（LS1206型旋桨流速仪）按照一点法[16]进行流速测量，观测位置为断面中心，重复测量5次。本次试验扬计算的输水损失主要是渗水损失。

1.3 试验设计

1.3.1 试验渠段选择

根据规范要求，观测断面选择在渠道的顺直段，渠道的顺直段长度不小于渠宽的10倍，水流应均匀，并无旋涡和回流。

1.3.2 测量点及试验设备

沿渠段每隔100 m设观测点，即混凝土渠及玻璃钢渠观测渠段各取10个观测点。测量点渠道水深用直尺测量，尺子底部装有起稳定作用的底座，并能够保证测验期间直尺不移位、不摆动。采用水准仪测定0点高程，使得水尺最低端在每一处测量点测量时均处于同一高程，最小刻度为mm。测量点流速用便携式流速仪测量，其工作原理为：当水流作用到仪器感应元件旋浆时，旋浆产生回转运动，水流速度快慢变化旋浆转速也随着变化。将旋转式传感器放入水中，控制旋浆处于渠道水深2/5处，每点观测时间不小于30 s。

1.4 计算公式

利用典型渠段测量的流量进行渠道输水损失测定，由试验数据可计算相应的渗流强度及渠段水利用系数。渗漏强度以及试验渠段水利用系数计算公式

式中：σ——单位长度渠道输水损失系数，km-1；

QF——测验段渗漏强度，m3/（m2·s）；

Q首——渠道试验段进口断面流量，m3/s；

Q尾——渠道试验段出口断面流量，m3/s；

L——渠道试验段长度，m；

α——试验渠段水利用系数。

2 渠道渗流计算理论与模型建立

2.1 计算理论

在大型灌区中，各级渠道输水量基本恒定符合达西定律的一般规律，即

式中:kj——渗透系数；

β——参量，β=1～1.1时为层流，β=2时为紊流，β=1.1～1.85时为过渡流态。

有限元数值试验方是将渠道渗漏问题转化为二维渗流问题，基于求解渗流微分方程，进而探讨渠道内渗漏状态，在达西定律的基础上进行数值计算，根据式（5），式（6）可得渠道内稳定渗流微分方程及边界条件式（7），即

式中：vx、vy——x、y方向的渗流流速，m/d；

Kx、Ky——x、y方向的渗透系数，m/s；

H——水头，m；

τ1、τ2——条件边界；

q——流量，m3/s。

有限元数值分析利用泛函分析手段，求解函数在流域D内的极值问题，即对式（8）求极值。

2.2 模型建立

模型以大安市海坨乡苏打盐碱地水稻种植区输水渠道为原型，模型下边界为渠坡板顶部向下取2 m，两侧边界为渠坡板左右各取1.5 m，几何模型的建立依据点、线、面的顺序开展，施加渠道排水边界及水头压力等。渠道渗透系数见表1，有限元模型如图3扬示。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

图3 混凝土渠及玻璃钢渠有限元模型Fig.3 Finite element model of concrete canal and FRP canal

3 结果与分析

3.1 试验结果与分析

3.1.1 混凝土渠试验结果

在混凝土渠试验渠段开展野外测渗试验，其试验结果如表2扬示。

表2 混凝土渠流量统计表Tab.2 Concrete canal flow statistics table

渠道水流速度由0.372 m/s降低至0.316 m/s，渠道水深由58 cm降低至56.2 cm，渠道断面面积由0.800 m2降低至0.765 m2，渠道内流量随之减小，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量最小为0.242 m3/s。

在混凝土渠道测渗试验中，渠道水深呈下降趋势，渠末渠道水深相对于渠首降低3.1%，渠道断面面积也呈逐渐呈下降趋势，渠末端断面面积相对于渠首降低4.4%，渠道流速逐渐减小，渠末流速相较于渠首降低15.1%，流量下降速度先快后慢，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量0.242 m3/s，流量降低0.056 m3/s，渠末端流量相对渠首降低18.8%，试验渠段水利用系数为81.2%，流量损失较大，渠道渗漏明显。

3.1.2 玻璃钢渠试验结果

在玻璃钢渠试验渠段开展野外测渗试验，其试验结果见表3。由表3可知，渠道水流速由0.365 m/s降低至0.354 m/s，渠道水深由28 cm降低至27 cm，渠道内流量基本相等，渠首流量0.056 m3/s，渠末端流量最小为0.053 m3/s。

表3 玻璃钢渠流量统计表Tab.3 FRP canal flow statistics table

在玻璃钢渠道测渗试验中，渠道水深仅降低1 cm，渠末端断面面积相对于渠首降低4%，渠道水流速变化平稳，试验结果呈现出渠道流量趋于平稳，渠道流量仅损失0.003 m3/s，相对于试验段首流量降低约5%，试验渠段水利用系数为95%，流量损失较小。

3.2 渠道渗漏强度对比分析

由表4可知，混凝土渠道渗流强度明显高于玻璃钢渠，混凝渠渠单位长度输水能力明显小于玻璃钢渠，玻璃钢渠渗漏强渠极小仅为0.018 m3/（m2·s），说明玻璃钢渠道在苏打盐碱地输水效果良好。

表4 渠道渗漏强度参数Tab.4 Canal leakage intensity parameter

3.3 试验结果分析

试验表明，混凝土渠道流量在试验区段内逐渐下降，玻璃钢渠道流量趋于平稳。混凝土渠道输水损失系数为0.188，玻璃钢渠道输水损失系数为0.05，玻璃钢渠渗漏强度为混凝土渠的四分之一。

分析其主要原因主要包括以下几点：

1)混凝土渠道经长时间在野外风吹日晒出现老化现象，并且冬季会出现冻胀破坏。

2)混凝土渠摩擦系数较大，在初次输水过程中渠道表面出现湿润作用。并且混凝土渠使用时间越久，其出现渗漏情况会越来越明显；而玻璃钢渠道克服了混凝土渠道的缺点，故渠道流量损失明显低于混凝土渠道。显然玻璃钢渠道在东北苏打盐碱地渠道输水防渗能力明显优于混凝土渠道，且渠道水利用系数高，有很好的防渗效果。

3.4 模拟与实测数据对比

为分析评估有限元模拟的精确度，使用归一化均方误差(Normalized mean squared error，NMSE)指标［17］进行验证。当NMSE值小于0.25可认为有限元的模拟精确度是合理的［18］。

式中：Ev——模拟值与实测值之间的相对误差；

Cs——模拟值；

Cm——实测值；

Csm——模拟值的平均值；

Com——实测值的平均值；

n——实测采样个数。

图4和图5为模拟值与实测值的对比结果。通过对比分析发现，混凝土渠和玻璃钢渠流量损失的模拟值与实测值的相对误差为1.08%～7.98%和6.07%～21.67%。

图4 混凝土渠模拟值与实测值对比Fig.4 Comparison of simulated and measured values of concrete drains

图5 玻璃钢渠模拟值与实测值对比Fig.5 Comparison of simulated and measured values of FRP drains

结果表明，混凝土渠的模拟值与实测值存在误差，因为模拟状态为稳态模拟，且为固定流速，但是实际渠道的流速值不是单一稳定的，并且实际的土壤情况也会对模拟结果产生影响，其中温度的变化也会影响混凝土渠的渗流情况［19］。

玻璃钢渠的模拟值相对于实测值整体偏小，主要是因为在模拟过程中考虑到玻璃钢渠衔接处的数量是有限的，而玻璃钢渠道的实际缝隙数量是无法准确得知，从而导致了模拟渠道流量损失整体小于实际测量值。

玻璃钢渠的相对误差整体大于混凝土渠，主要是因为玻璃钢渠本身渗流量极小，导致模拟值产生的误差对相对误差的计算影响较混凝土渠影响更大，然而模拟与实测数据对比的NMSE均小于0.25，计算结果的相对误差在合理的范围内，模拟结果较可靠，由野外测渗试验可知混凝土渠流量损失较大，玻璃钢渠流量损失小，试验结果与有限元渗流模拟分析结论一致，即混凝土渠渗流大于玻璃钢渠。说明该模型可准确揭示混凝土渠与玻璃钢渠的渗流情况。

3.5 计算结果分析

为研究不同材料的输水渠道在东北苏打盐碱地防渗效果，分别模拟出混凝土渠及玻璃钢渠渗流情况。图6～图9为总水头云图、压力水头云图。

图6 混凝土渠总水头等线图、压力水头等线图Fig.6 Concrete canal total head,pressure head isoline diagram

如图6、图7扬示，混凝土渠底总水头最大，渠两侧水头逐渐减小，渠底压力水头最大，可知混凝土渠底部渗流较大，渗流呈现底部较大向渠道两侧扩散的规律，两侧渗流较小，形成了较大的渗流场；如图8、图9扬示，玻璃钢渠部底及渠道两侧水头损失均为零，压力水头云图表明渠底部及渠道两侧压力水头很小趋于零，可知玻璃钢渠不存在渗流场。模拟数值结果表明玻璃钢渠道在渠道输水中输水效率高于混凝土渠，可以达到很好的防渗效果。通过对渠道有限元渗流模拟分析，可知玻璃钢渠道输水防渗效果好于混凝土渠。

图7 混凝土渠总水头云图、压力水头云图Fig.7 Concrete canal total head and pressure head clouds

图8 玻璃钢渠总水头等线图、压力水头等线图Fig.8 FRP canal total head,pressure head isoline diagram

图9 玻璃钢渠总水头云图、压力水头云图Fig.9 FRP canal total head and pressure head clouds

3.6 两种渠道的苏打盐碱地适用性对比分析

玻璃钢渠道是以合成树脂为基体，玻璃纤维增强材料制作而成，其特点主要有[20-21]：质量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀、抗紫外线性更高，使用寿命更长，野外裸露应用预计可达20年以上，不会因为冻胀而出现断裂的现象，质量轻快便捷，相对于普通渠道更适于施工及运输，更适合用于苏打盐碱地渠道输水要求，如表5扬示。

表5 混凝土渠及玻璃钢渠特性对比分析Tab.5 Comparative analysis of the characteristics of concrete and FRP drains

假定不同渠道均按1 km计算，对比分析相同条件下玻璃钢渠道与混凝土渠道的投资成本，在忽略资金的时间价值前提下，依据目前大安市海坨乡苏打盐碱地的渠道使用情况，混凝土渠道和玻璃钢渠道分别按10年、20年使用寿命计算，混凝土渠道和玻璃钢渠道的年维修养护费分别按工程投资的2.5%、0.5%计算。苏打盐碱地混凝土渠道的拆除重建费包含旧混凝土拆除费、重建费耕地补偿费以及保温措施费。

由表6可知，在计算周期内，玻璃钢渠道的综合投资小于混凝土渠道的综合投资，并且混凝土渠道渗漏损失严重，需要防冻胀保护，而玻璃钢渠道可减少拆除重建费与保温措施费用，随着水资源需求量的急剧增大，玻璃钢渠道具有明显的优势。