灌溉渠道的設(shè)計(jì)流量計(jì)算與分析

謝博

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)二二二團(tuán)工交建商科 新疆 阜康 831505）

1 概況

新疆灌區(qū)分布于準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地周邊，伊犁谷地及東疆盆地中，現(xiàn)有灌溉面積6500多萬畝，2000年地方系統(tǒng)列入全國(guó)大型灌區(qū)改造規(guī)劃的有34個(gè)灌區(qū)，灌溉面積達(dá)3538萬畝，占全疆總灌溉面積的54%。該區(qū)大型灌區(qū)水土資源條件好，是糧食生產(chǎn)的重要基地。然而，灌區(qū)都是在老灌區(qū)的基礎(chǔ)上經(jīng)過50年的不斷擴(kuò)建、改造而發(fā)展起來的，灌區(qū)內(nèi)的骨干水利工程也大多修建于20世紀(jì)50、60年代，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，老化、損壞、淤積、失修現(xiàn)象十分嚴(yán)重，造成工程功能衰減，水資源利用率低，現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)僅為0.45。并且在特殊的地域環(huán)境中，也使新疆的灌區(qū)存在嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境脆弱、惡化問題，這些問題的存在，直接制約了新疆大型灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以有必要進(jìn)行灌區(qū)的建設(shè)和管理。

灌溉渠道系統(tǒng)規(guī)劃是灌區(qū)規(guī)劃中的重要組成部分，特別是地面灌灌區(qū)規(guī)劃的核心，而灌溉渠道的設(shè)計(jì)則是渠系規(guī)劃的重點(diǎn)。渠道設(shè)計(jì)包括渠道的流量設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)以及縱斷面設(shè)計(jì)等，本文將以渠道的流量設(shè)計(jì)為主要介紹內(nèi)容。

灌溉渠道的布置主要取決于地形條件。在山區(qū)、丘陵區(qū)灌區(qū)的干支渠一般采取“長(zhǎng)藤結(jié)瓜”式灌溉系統(tǒng)，具體來講有沿等高線布置和沿分水嶺布置兩種方式。在平原地區(qū)，干渠多沿等高線布置，支渠一般垂直于等高線布置。

2 基本概念

2.1 灌溉渠道的設(shè)計(jì)流量

灌溉渠道的設(shè)計(jì)流量是指灌水時(shí)期渠道需要通過的最大流量，與其灌溉面積的大小、作物組成和作物的灌溉制度等有關(guān)。它是設(shè)計(jì)渠道斷面和渠道建筑物尺寸的主要依據(jù)。在渠道設(shè)計(jì)時(shí)還涉及渠道的最小流量和加大流量，在此以設(shè)計(jì)流量。

2.2 渠道的輸水損失

在灌溉渠道輸水時(shí)，由于各種原因，如渠道滲漏、水面蒸發(fā)等，使得部分流量沿途損失掉，不能夠到達(dá)田間為作物所利用，這部分流量損失即為渠道的輸水損失。渠道滲漏通常是造成輸水損失的主要原因，水面蒸發(fā)損失一般比較少，可忽略不計(jì)。

2.3 續(xù)灌和輪灌

續(xù)灌和輪灌是兩種不同的渠道工作制度。續(xù)灌：在一次灌水延續(xù)時(shí)間內(nèi)，自始至終連續(xù)輸水，這種工作方式稱之為續(xù)灌。輪灌：同一級(jí)渠道在一次灌水延續(xù)時(shí)間內(nèi)輪流輸水，這種工作方式即為輪灌，可適當(dāng)提高供水效率，但是在比較大的灌區(qū)，一般在斗渠以下才實(shí)行輪灌。

2.4 相關(guān)參數(shù)

渠系（道）水利用系數(shù)：灌溉渠系（道）毛流量和凈流量的比值。

灌溉水利用系數(shù)：實(shí)際灌入農(nóng)田的有效水量和渠道引入水量的比值。

灌水定額：?jiǎn)挝还喔让娣e上的一次灌水量或灌水深度。

灌水模數(shù)：也稱為灌水率，系單位灌溉面積需要的灌溉凈流量。

田間水利用系數(shù)：田間水利用系數(shù)是實(shí)際灌入田間的有效水量和末級(jí)渠道放水量的比值。

還有透水系數(shù)和透水指數(shù)，可根據(jù)土壤土質(zhì)查閱相關(guān)資料獲得。

3 渠道設(shè)計(jì)流量的推算方法

3.1 輪灌

由于輪灌一般在斗渠以下才實(shí)行，所以這里主要討論支渠以下的輪灌渠道的流量設(shè)計(jì)。由于輪灌渠道是由上級(jí)渠道（支渠）集中供水，其設(shè)計(jì)流量不直接由本身控制面積的大小，而決定于上級(jí)渠道的供水流量及輪灌渠道的劃分。通常是根據(jù)輪灌組劃分的情況自上而下逐級(jí)分配末級(jí)續(xù)灌渠道的田間凈流量，再自下而上逐級(jí)計(jì)入輸水損失水量，進(jìn)而推算各級(jí)渠道的設(shè)計(jì)流量。

3.3.1 從上向下分配末級(jí)續(xù)灌的田間凈流量支渠的田間凈流量為：

式中，Q支田凈——為支渠的設(shè)計(jì)田間凈流量（m3/s）；

A支——為支渠的灌溉面積（100hm2）；

qd——設(shè)計(jì)灌水模數(shù)，（m3/（s·100hm2））；

由支渠分配到每條農(nóng)渠的田間凈流量為：

其中Q農(nóng)田凈為農(nóng)渠的田間凈流量（m3/s）。

3.3.2 由下向上計(jì)算各級(jí)渠道的設(shè)計(jì)流量

計(jì)算農(nóng)渠的凈流量。由農(nóng)渠的田間凈流量計(jì)入田間損失水量，求的田間毛水量。

其中ηf為田間水利用系數(shù)。

式中，σ農(nóng)——農(nóng)渠每公里長(zhǎng)度的水量損失（%）；

l農(nóng)——為農(nóng)渠平均工作長(zhǎng)度，一般取農(nóng)渠長(zhǎng)度的1/2；

將農(nóng)渠的毛流量（同時(shí)工作的k條農(nóng)渠的毛流量之和）作為斗渠的凈流量，進(jìn)行同樣的計(jì)算，可以得到：

同理，支渠毛流量為（n為同時(shí)工作的斗渠的數(shù)量）：

3.2 續(xù)灌

續(xù)灌設(shè)計(jì)流量的計(jì)算比較直觀，就是將下級(jí)渠道的毛流量總和作為上級(jí)渠道的凈流量，并考慮輸水損失后，即得到上級(jí)渠道的毛流量，也就是設(shè)計(jì)流量，類似于輪灌計(jì)算中第二步從下向上的計(jì)算。

4 實(shí)例分析

某灌區(qū)灌溉面積A=6500hm2，灌區(qū)有一條干渠，長(zhǎng)15km，下設(shè)了4條支渠，各支渠的長(zhǎng)度及灌溉面積請(qǐng)見圖1，灌區(qū)實(shí)行小麥、玉米輪作，設(shè)計(jì)灌水模數(shù)=0.0375（m3/（s·100hm2）），土質(zhì)為中粘壤土?，F(xiàn)結(jié)合上述方法進(jìn)行干支渠設(shè)計(jì)流量計(jì)算。

農(nóng)渠的設(shè)計(jì)流量。已知A三支=2500×4800/106=12，=0.0375，根據(jù)（1）式，三支渠的田間凈流量為0.45m3/s；同時(shí)工作的斗渠有3條，農(nóng)渠也有3條，可知n=3，k=3，根據(jù)（2）式，農(nóng)渠的田間凈流量為0.05 m3/s；取田間水利用系數(shù) =0.90，根據(jù)（3）式，則農(nóng)渠的凈流量為0.056 m3/s；根據(jù)土質(zhì)查閱相關(guān)參數(shù)表，得到土壤透水系數(shù)A=1.9，土壤透水指數(shù)m=0.4，并代入經(jīng)驗(yàn)公式，得到農(nóng)渠每公里長(zhǎng)度輸水損失系數(shù)6.02；農(nóng)渠平均工作長(zhǎng)度取農(nóng)渠的長(zhǎng)度的一半0.4km，將以上數(shù)據(jù)代入（4）式，可以得到農(nóng)渠的毛流量（設(shè)計(jì)流量）為0.057 m3/s。

斗渠的設(shè)計(jì)流量。由于斗渠內(nèi)同時(shí)工作的農(nóng)渠有3條，斗渠凈流量為3條農(nóng)渠的毛流量總和，即為0.171 m3/s；根據(jù)斗渠的工作長(zhǎng)度2.25km和已知A、m，由經(jīng)驗(yàn)公式可得到斗渠的每公里輸水損失系數(shù)為3.85，則同樣代入（5）式，算得斗渠的毛流量（設(shè)計(jì)流量）為0.186 m3/s；

三支渠的設(shè)計(jì)流量。斗渠的毛流量之和即為支渠的凈流量，同時(shí)工作的斗渠有3條，其支渠凈流量為0.558 m3/s；同上，支渠每公里輸水損失系數(shù)為2.4；支渠平均工作長(zhǎng)度取3.2km，根據(jù)（6）式，支渠的毛流量為0.6m3/s；

由三支渠田間凈流量0.45 m3/s和設(shè)計(jì)流量0.6 m3/s，知三支渠渠系水利用系數(shù)為0.75；

按照上述方法將其用于其他支渠的設(shè)計(jì)流量的計(jì)算，得一二三支渠的設(shè)計(jì)流量分別為 0.5m3/s、0.75 m3/s、1.48 m3/s；

干渠的設(shè)計(jì)流量。BC段干渠的凈流量為三支和四支渠道毛流量之和2.08 m3/s；同樣計(jì)算干渠每公里輸水損失系數(shù)為 1.42，代入（7）式即可得到BC段干渠的毛流量。將其與二支渠毛流量之和作為AB段干渠的凈流量，以此類推，可知AB段的設(shè)計(jì)流量為 3.20 m3/s；OA為0.633 m3/s。

5 結(jié)語

合理確定渠道的設(shè)計(jì)流量，是灌區(qū)渠道良性運(yùn)行，發(fā)揮灌溉效益的基礎(chǔ)。如果渠系設(shè)計(jì)合理，且得到完善管理，將能有效避免灌溉引水過程中因水量過小、沿程損失過大，渠系水利用系數(shù)過低的問題，它是提高灌區(qū)灌溉用水量和作物產(chǎn)量的基本條件，在此基礎(chǔ)之上才能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理配置。陜西水利