铁甲灌区渠道水利用系数的测定及计算

曹德军

(法库县农业技术推广与行政执法中心，辽宁 法库 110400)

1 灌区概况

铁甲灌区位于丹东市东港市的东南沿海平原，北临群山，南临黄海，东起安民、西至龙态河；全区呈长方形，东北高，西南低。灌区控制面积383km2，土壤成因为盐渍母质，在潜育化过程中逐步脱盐发育起来的淤泥质亚黏土。pH值为5.8-8.0之间。土壤含盐量0.1-0.8‰之间。年降雨量均值950mm，年平均气温8.5℃，生育期(5-9月)平均气温20℃以上。年平均日照2576小时，无霜期202天，地形、土壤、气候条件均适于水稻生长的需要。

铁甲灌区于1967年5月建成并投入使用，该地区受益的乡镇有9个及国有农场1个，包括71个村、586个生产组、56个单位、600多用户组成。总耕地面积为35200hm2，除去9466.67hm2是旱田，其余是水田和苇田、菜田。

灌区渠道为土壤衬砌形式，防渗措施为土料夯实防渗。该灌区实行两级管理体制，即干渠为灌区派出单位负责管理，支渠以下由乡镇水电所管理，灌溉维修工程投资有限，跑、冒、漏等现象比较严重。

2 灌区水文气象特征

2.1 气候

灌区位于黄海北岸东港平原的东侧，气候相对湿润，年平均气温8 - 9℃，属温带季风气候。

2.2 降水

区域面迎鸭绿江口，水汽来源及地形条件相对优越，雨热同季，寒暑分明，降雨量年内分配很不均匀，主要汛期7、8月径流通常占全年径流量的60%左右，作物生长需水量需人工调节灌溉。铁甲灌区2020年5-9月份平均降水量为971.7mm，比多年同期均值731mm多32.9%。铁甲灌区2020年5-9月降水量频率计算见表1。

表1 铁甲灌区灌溉期降水量频率对照表

2.3 蒸发

由于濒临黄海，气候相对湿润，本区的蒸发能力不是很大，铁甲灌区5—9月份多年蒸发量283.4mm，2020年同期蒸发量为336.0 mm，比多年平均多18.6%。

3 灌区引水特性

供水水源以铁甲水库为主，补充水源是以十八场提水站引鸭绿江水为主，目前有两个渠首水源:一个是以铁甲水库为主的水源，设计流量为39.5m3/s;二是十八场水源，其设计流量为16.20 m3/s。铁甲水库位于柳林河上游，集水区面积为241km2，总库容为2.34亿m3/s，兴利库容为1.5975亿m3/s。十八场水源的提水站，主要分布在柳林河、石沟河下游，提取本流域的地表水和鸭绿江的纳潮水，以梯级泵站的形式向灌区干渠供水。

有干、支、斗、农四种渠道分布在该灌区，干渠1条35.54km，渠首坐标为E124°12.5′-N40°1.2′，连接一条5.50km的干渠，将干北的4个小水库连接在一起，相互调整，共同使用，形成江、河、库相连，沟渠相通的长藤结瓜的工程布局。既可东水西调，又可西水东援，运用自如。现有支渠为21条，5条连接渠， 10条直通都渠，总长为97km， 253条斗渠，全长为208 km;有3554条农渠，总长1627km。全灌区大小提水站30座62机组，总装机容量4434kW，提水能力为36.55 m3/s，渠道为26条，总长46.5km。

灌区有12条大型排水沟，全长111km，直通黄海，总排水面积882km2。除排泄本灌区383km2外尚有499km2的山区客水。目前除一条干沟>10a标准，其余各干沟低于5a标准。该灌区干渠头采用间歇式引水，除泡田期长外，每次引水天数较长，一般在3-5d。

4 渠道水利用系数的测定

根据渠道土质及输送流量的空间分布情况，分别选取干、支、斗、农各级渠道代表性渠段，通过对代表性断面进出水量的同步监测，定量计算了渠道断面的损失水量，进而推导出整个渠道及渠系的用水系数。

4.1 代表渠段的选取

测试考虑铁甲灌区整个渠段的土质、防渗措施、输水流量、分水情况等综合因素，选取能接近其平均水平的测试渠段。

4.1.1 干渠

该灌区有干渠一条，全长35.5km，选取长度足够、上下段间分水口相对较少的两条试验渠段作为主渠，第一主干渠道的典型段跨第二支渠道，测试上断面距渠首站3.75Km，为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土，渠段长1418.0m；第二干渠典型段在五、六两支渠间，测试上断面距渠首站17.4Km，为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土，渠段长1821.1m。

4.1.2 支渠

全灌区有支渠21条，平均长度3429m。测试渠道典型段选择在二支渠和五支渠，第二次测试时因五支渠未放水，将支渠以下测试渠道典型段移至六支渠，典型段均为土壤衬砌形式。

二支渠测试段长390.0m，测试上断面距干渠83.75m，为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土；五、六支渠测试段长均为356.0m，测试上断面距干渠分别为600 m和700 m，均为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土。

4.1.3 斗渠

全灌区共有斗渠253条，平均长度823m。本年度在2、5、6支渠下先后选取6条典型斗渠段进行测试，渠道内土质均为亚黏土，靠岸边两侧杂草、芦苇丛生，水流紊乱，对测试精度影响较大。二支渠下两条斗渠典型段长度分别为165.0m和80.0m，测试上断面距支渠分别为10m和15m，均为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土；五、六支渠下4条斗渠典型段长度分别为64.0m、135.0m和100.0m、182.0m，测试上断面距支渠分别为14.0m、15.0m、 18 m和25 m，均为土壤衬砌，渠道土质为亚黏土。

4.1.4 农渠

全灌区600m以上的农渠844条，平均长度458m。该灌区农渠管理较差，跑水现象普遍，严重影响测试精度。本次测试共选取农渠典型段5条，受条件所限，测试段无法固定，长度为50-120m。

4.2 监测时间及次数

2006年对铁甲灌区干、支、斗、农各级渠道的基本情况进行了详细的实地调查，并分别于6、7、8月下旬开展了三期渠系水监测。由于客观原因耽误，第一监测时机过迟，渠道内放水流量太小，所测数据缺乏代表性，本次未予采用；后两期测试均为水稻生育期。

4.3 灌溉水利用系数的计算

4.3.1 渠道水利用系数η渠道

1)基本原理

渠道水利用系数计算公式为：

η计算渠段=η代表渠段L/ΔL

(1)

式中：η代表渠段为渠道水利用系数；η计算渠段为渠道水利用系数；L为计算渠段的长度；ΔL为渠段的长度。

2)代表渠段的渠道水利用系数

计算公式为：

η代表渠段=Q下/Q上

(2)

式中：η代表渠段为渠道水利用系数；Q上、Q下为上、下断面的代表渠段流量。

当试验河段出现分叉或发散时，可采用试验算法求解河段单位长度的用水系数η单位，公式为:

Q上=Q下η单-△L+∑qiη单-Li

(3)

式中：η单位为渠段单位长度的渠道水利用系数；△L为测试渠段长度；Li为第个分流口到试渠段上断面的长度；Q上、Q下及qi为测试渠段上、下断面及分流断面的流量[1]。

3)干、支、斗、农各级渠道的渠道水利用系数

某一渠道的渠道水利用系数可以通过渠道排放的净水量与渠道水头引入的总水量的比值来计算。计算公式如下:

η渠道=1/(∑αiη单-Li)

(4)

式中：Li为第i个分支对应的本级渠道长度；αi为第i个分支的分水量占本级渠道净排水量的权重；η单为本级渠道单位长度的渠道水利用系数。

在提前得到河道内平均输水量长度的情况下，河道用水系数η也可由下式计算:

η渠道=η代表渠段L/ΔL

(5)

或

η渠道=η单位L

(6)

式中：L为渠道的输水均长。

4.3.2 干渠

根据公式(3)，测试渠段内含有分支、分流计算结果见表2。

4.3.3 支渠

根据公式(3)，测试渠段内含有分支、分流计算结果见表3：

表2 铁甲灌区干渠代表段η单量化计算表

表3 铁甲灌区支渠代表段η单量化计算表

灌区有支渠20条，平均长度为3.429 km，斗渠平均距离为450m。这样，概化出各支渠的平均分支状况，并根据排出净流量与引水总流量之比计算出渠道水的有效利用系数:η渠道=1/(∑αiη单-Li)，计算结果为0.87177。

4.3.4 斗渠

根据公式(3)，测试渠段内含有分支、分流计算其计算结果见表4。

灌区共有斗渠253条，平均长度为823m，农渠平均渠距为25m，概化出各斗渠的平均分支状况，并根据排出净流量与引水总流量之比计算出渠道水的有效利用系数:计算结果为0.8985。

4.3.5 农渠

根据公式η单位=(Q下/Q上)1/△L，其计算结果见表5。

表4 铁甲灌区斗渠代表段η单量化计算表

灌区共有3554条农渠，总长度1627km，平均长度为457.8m,采用其排出净水量与渠首引进毛水量的比值进行推求渠道水有效利用系数，由于渠系大小不同，引进水口千差万别的分布形式,采用简化方法计算供水的平均长度，L输=457.8/2=229m，渠道水有效利用系数的计算结果为0.9307。

4.4 渠道水有效利用系数的修正

4.4.1 干渠

铁甲灌区干渠除部分过河渡槽外，采用土衬砌防渗形式，其防渗贯穿整个过程,由于渡槽的长度占渠道总长的比例微小，故无需修正，其有效利用系数为0.7108。

4.4.2 支渠

各支渠防渗形式均为土层衬砌，其计算后的利用系数为0.8718。

4.4.3 斗渠

各斗渠防渗形式均为土层衬砌，其计算后的利用系数为0.8985。

4.4.4 农渠

各农渠防渗形式均为土层衬砌，其计算后的利用系数为0.9307。

4.5 渠系水有效利用系数

4.5.1 渠系水有效利用系数的计算方法

渠系水有效利用系用下式计算

η渠系=η干渠η支渠η斗渠η农渠

(7)

4.5.2 渠系水有效利用系数的修正

铁甲灌区水渠系统分布主要为干渠、支渠、斗渠和农渠固定渠，还有10个直属沟渠。由于主干渠下的直斗渠道引入的水量不通过经过支渠；而联干渠下的直斗渠所引入的水量既不需要经过支渠，也不需要经过主干渠。所以，在计算渠水有效利用系数η时，渠系直斗需要超级修正，整个灌区的η渠系按不同类别直斗的灌溉面积权重予以综合，推得结果为：η渠系=0.5394[2]。

4.5.3 田间水有效利用系数

田间水有效利用系数取经验值η田间=0.97。

4.5.4 灌溉水有效利用系数

计算公式为：

η渠系=η渠系η田间=0.5394×0.97=0.5232

(8)

5 结 语

渠道水利用系数反映了干渠向各渠的流失量，是衡量农田灌溉水利用情况的重要指标。并能综合反映灌区的水资源管理水平。利用渠道利用水系数经验公式确定了失水的计算公式[10]，推导出了主渠道的用水系数，有助于提高渠道的用水效率。