續(xù)灌、輪灌渠道設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法探討

李江峰,戚印鑫

(新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆烏魯木齊830049)

一般情況下,灌區(qū)的干、支渠為續(xù)灌渠道,斗、農(nóng)渠為輪灌渠道,這與其工作方式、灌溉輸水功能密不可分。但是,當(dāng)渠道工作長度大,為避免流量過于分散,水位偏低,造成灌溉輸水效率低,輸水損失大,支渠也可實(shí)行輪灌,以適應(yīng)來水過程的不均勻性。在新疆塔里木河流域所屬灌區(qū)灌溉輸水渠道中,支渠實(shí)行輪灌方式比較常見。本文結(jié)合塔河流域某節(jié)水改造項(xiàng)目,從理論上探討干、支渠設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法,以供專業(yè)技術(shù)人員參考。

1 工程概況

新疆屬于水資源緊缺地區(qū),灌溉水利用率低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。大力發(fā)展節(jié)水灌溉,建立節(jié)水型農(nóng)業(yè),是解決這一問題的有效途徑[1]。

文中所介紹的灌區(qū)位于南疆某縣城以北一個鄉(xiāng)境內(nèi),干渠全長38 km,其中上段8.8 km為干砌卵石襯砌渠道,質(zhì)量較好,斷面較完整;中段為長約8.5 km的自然輸水沖溝;下段為干砌卵石襯砌渠道,末尾約5.3 km為土渠。干渠上共分布有13座節(jié)制分水閘,控制兩岸29條支渠引水灌溉?？刂乒喔让娣e14 946.67 hm2,其中農(nóng)田灌溉面積8 280 hm2,人工生態(tài)林3 333.33 hm2,干渠末端還分布有3 333.33 hm2天然生態(tài)林。在塔里木河流域近期綜合治理項(xiàng)目中,該項(xiàng)目節(jié)水改造工程改造中段(沖溝段)及下段一部分干渠,長度為17.855 km;另外29條支渠根據(jù)現(xiàn)狀輸水功能的完善與否采取全段防滲或分段防滲。

2 灌溉方式

渠道的設(shè)計(jì)流量與控制灌溉面積、作物組成、灌溉制度以及渠道工作方式等因素有關(guān)。當(dāng)灌溉面積一定,作物組成與灌溉制度一定,決定渠道設(shè)計(jì)流量的主要因素就是工作方式了。另外,渠道輸水過程中還存在蒸發(fā)、滲漏損失,因而設(shè)計(jì)流量還應(yīng)包括輸水過程中損失的流量。也就是說,這里所說的設(shè)計(jì)流量是指毛流量。

在南疆塔河流域,呈現(xiàn)大陸干旱性氣候特點(diǎn),降雨稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,農(nóng)田灌溉以引地表水(河水)灌溉為主,配之以地下水、泉水來滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水。

通常所說的渠道灌溉方式,或說渠道的工作制度,就是渠道輸水方式,分為續(xù)灌和輪灌兩種[2]。

(1)續(xù)灌:在一次灌水延續(xù)時間內(nèi),自始至終連續(xù)輸水的渠道稱為續(xù)灌渠道,這種輸水工作方式稱為續(xù)灌[2]。為了各用水單位受益均衡,避免因水量過分集中而造成灌水組織和生產(chǎn)安排的困難,一般灌溉面積較大的灌區(qū),干、支渠多采用續(xù)灌。

在管理運(yùn)用中,有時水源不足,干、支渠也實(shí)行輪灌,以減少輸水損失,并保持渠道必要的工作水位。一般渠首引水流量低于正常設(shè)計(jì)流量的40%～50%時,干、支渠即實(shí)行輪灌。

本文介紹干渠渠線較長,專為所在鄉(xiāng)灌溉輸水。沿途共布置有13座節(jié)制分水閘(分布在干渠下段),兩岸布置有29條支渠,呈輻射狀向灌區(qū)輸水。文中只列出了本次項(xiàng)目改造的17條支渠,詳見圖1。

圖1 灌區(qū)總平面布置

結(jié)合行政單元劃分及灌區(qū)輸配水管理運(yùn)用,干渠供水對象單一。支渠分布多而散,存在各大隊(duì)用水上的行政單元多樣性,現(xiàn)實(shí)當(dāng)中常常為分水、爭水而產(chǎn)生不團(tuán)結(jié)、不穩(wěn)定因素。結(jié)合灌區(qū)來水時空分布的不均勻性,為縮短供水周期,保持渠道工作水位,減少管理方面不必要的麻煩,提高水利用效率,支渠實(shí)行輪灌,與該灌區(qū)多年來實(shí)行的灌溉工作方式是一致的。

3 設(shè)計(jì)流量

較大規(guī)模的作為續(xù)灌渠道的干渠設(shè)計(jì)流量按照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99)[3]中的公式計(jì)算確定:

式中:Qs為續(xù)灌渠道的設(shè)計(jì)流量(m3/s);qs為設(shè)計(jì)灌水率〔m3/(s?hm2)〕;As為該渠道灌溉面積(hm2);ηs為該續(xù)灌渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)。

灌區(qū)規(guī)則、規(guī)模較小的輪灌渠道可采用規(guī)范上的設(shè)計(jì)灌水率法,即《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99)中的公式計(jì)算流量:

式中:Qn為輪灌渠道的設(shè)計(jì)流量(m3/s);N為該渠道輪灌組數(shù);qs為設(shè)計(jì)灌水率〔m3/(s?hm2)〕為該渠道輪灌組平均灌溉面積(hm2);ηn為該輪灌渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)。

充分挖掘城市文化資源，彰顯城市特色。文化是人地關(guān)系的具體形態(tài)，有著強(qiáng)大的生命力。城市的文化內(nèi)涵包括城市的文化環(huán)境、建筑風(fēng)格、符號文化品、文化氛圍、文化特征、價值觀等要素。在運(yùn)用文化營銷的過程中，通過對在地文化資源的深入挖掘，充分利用無形的文化資產(chǎn)，從而將其轉(zhuǎn)化為具有城市獨(dú)特魅力的核心競爭力。通過發(fā)現(xiàn)和講述在地文化，利用適宜的媒體傳播方式，打造品牌形象，形成城市獨(dú)特的特色和魅力。

只是公式(2)尚未完善,設(shè)計(jì)人員應(yīng)用起來不很方便。筆者認(rèn)為將N定義為該渠道所在輪灌組的分組數(shù)量,ηn定義為該輪灌組渠道至田間的灌溉水利用系數(shù)妥些。對于數(shù)量多、位置分散、規(guī)模大小不等的灌區(qū)內(nèi)輪灌渠道,常常采用最大灌溉流量法計(jì)算設(shè)計(jì)流量,即選擇最大的田塊、灌溉制度中最大的灌水定額計(jì)算出田間凈流量從而逐級推算出渠道設(shè)計(jì)流量。

采用設(shè)計(jì)灌水率法計(jì)算渠道的設(shè)計(jì)流量先要根據(jù)灌溉制度繪制萬畝灌水率圖(已修正)(見圖2)。圖中列出了干渠灌區(qū)各種作物在一個生長期內(nèi)的灌水率圖示計(jì)算結(jié)果。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99),修正后的灌水率圖應(yīng)以累積30 d以上的最大灌水率為設(shè)計(jì)灌水率[3]。新疆屬于干旱區(qū),圖中自6月15日至7月15日累積30 d達(dá)到最大灌水率,作為設(shè)計(jì)灌水率,圖中查得設(shè)計(jì)灌水率為5.385 m3/(s?hm2),滿足規(guī)范要求。

圖2 干渠灌區(qū)灌水率

通過分析認(rèn)為設(shè)計(jì)灌水率法通常適用于大中型灌區(qū)干渠一級渠道或小型灌區(qū)中較為獨(dú)立的干、支渠;最大灌溉流量法適用于小型灌區(qū)中的斗、農(nóng)渠;逆推法適用于包含干、支、斗、農(nóng)各級輸水渠道的中小型灌區(qū);加權(quán)分配法適用于灌區(qū)位置、形狀不太規(guī)則的中小型灌區(qū)。

對于續(xù)灌渠道,其設(shè)計(jì)流量可以直接根據(jù)灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水率和灌溉面積及灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行推算。對于輪灌渠道,由于其輸水時間小于灌區(qū)的灌水延續(xù)時間,不能直接根據(jù)設(shè)計(jì)灌水率和灌溉面積自下而上的推算渠道設(shè)計(jì)流量[4],而應(yīng)采用最大灌溉流量法或加權(quán)分配法。渠道工作方式確定后,就可以依據(jù)其計(jì)算渠道的設(shè)計(jì)流量。

以往的輪灌渠道分組方式有集中輪灌、分組輪灌、分組插花輪灌[5]。當(dāng)上一級渠道來水流量較大時,一般多采用分組輪灌,是將臨近的幾條渠道編為一組,上級渠道按組輪流供水。支渠輪灌分組不宜過多,否則可能會影響作物生長期的需水量,該灌區(qū)將支渠分為兩組輪灌。對于渠道數(shù)量少的灌區(qū)而言,這樣分組計(jì)算出的流量變化不大,對于該灌區(qū),若將臨近的渠道編為一組,例如將4號閘上游的14條支渠分為一組,4號閘下游的15條支渠分為一組,勢必造成4號閘之前干渠斷面過大,造成投資增加,直接影響節(jié)水改造效益。

通過分析,灌區(qū)節(jié)水改造不僅要實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)上的優(yōu)化,即達(dá)到最優(yōu)的投資收益比,滿足節(jié)水總要求,使單方水節(jié)水投資最低,還要保證灌區(qū)規(guī)模適宜,與來水過程相適應(yīng),滿足供需水量在時空分布上的協(xié)調(diào)均衡,解決灌區(qū)缺水矛盾;另外,從運(yùn)行管理角度,兼顧上下游,左右岸,與行政管理單元劃分相一致,盡量避免運(yùn)行管理上的繁雜、忙亂,使整個灌區(qū)形成來水有度、用水有序、管理方便、協(xié)調(diào)一致的良性運(yùn)行機(jī)制。干渠設(shè)計(jì)流量按照續(xù)灌渠道計(jì)算,各支渠設(shè)計(jì)流量按照輪灌渠道計(jì)算。輪灌組的劃分兼顧干渠分水閘口左右兩岸的支渠,使輪灌組面積盡量相等,各支渠分布盡量均勻,劃分的兩個輪灌組面積 AⅠ=5 813.33 hm2,AⅡ=5 800 hm2,兩個輪灌組面積之和等于干渠灌區(qū)控制的灌溉面積,即AⅠ+AⅡ=A干;兩個輪灌組的流量與干渠的設(shè)計(jì)流量一致,QⅠ=QⅡ=Q干。各輪灌組內(nèi)的支渠按照所占輪灌組面積比例分配設(shè)計(jì)流量,即第一輪灌組各支渠 QⅠ1=AⅠ1/AⅠ×QⅠ,QⅠ2=AⅠ2/AⅠ×QⅠ,……;第二輪灌組各支渠 QⅡ1=AⅡ1/AⅡ×QⅡ,……,依此類推,計(jì)算出各支渠設(shè)計(jì)流量。此處需要注意的是,按照各個輪灌組輸水灌溉時流量遞減在干渠上進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分配時,在各個節(jié)點(diǎn)上,分別按兩個輪灌組計(jì)算流量均有差異,在0.08%～2.21%之間,這是因?yàn)閮蓚€輪灌組面積大致相等卻有些許差異,按照輪灌組流量相等情況下分配至支渠時,輪灌組面積大的支渠計(jì)算流量偏小,輪灌組面積小的支渠計(jì)算流量偏大[6]。本次項(xiàng)目改造渠段為4號閘以上渠段,偏差率級數(shù)較小,可忽略不計(jì),但干渠節(jié)點(diǎn)流量分配宜取較大值,雖然小的偏差可通過加大流量或延長供水時間來彌補(bǔ),或利用機(jī)井多抽水,局部調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu),但對于干渠下段,非本次改造段,個別支渠面積相差較大,反映在干渠節(jié)點(diǎn)上的流量偏差率級數(shù)較大,遠(yuǎn)非通過加大流量或延長供水時間所能彌補(bǔ)這個偏差,此時就要按較大流量設(shè)計(jì)該段干渠斷面,使得不論哪個輪灌組灌水時都能滿足灌溉輸水要求,因這樣的情況(支渠面積偏大)在灌區(qū)中只是少數(shù),若是多數(shù),則需重新考慮灌溉輸水工作方式了。輪灌組劃分見表1,干、支渠設(shè)計(jì)流量以5號閘以上渠段為例,設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果見表2。

表1列出了干渠上分布的13座節(jié)制分水閘,標(biāo)明了樁號,并且列出了每座節(jié)制分水閘分水的支渠及其灌溉面積,劃分了輪灌組1、組2,并按照上述流量計(jì)算方法分別計(jì)算出了各支渠的設(shè)計(jì)流量,以供讀者對比分析。

通過計(jì)算,根據(jù)修正后的灌水率圖得設(shè)計(jì)水平年灌水率為5.385 m3/(s?hm2),由設(shè)計(jì)水平年灌溉水利用系數(shù)0.579,計(jì)算得農(nóng)田和人工林草所需流量為10.82 m3/s,天然生態(tài)林草所需流量為3.97 m3/s,由此確定干渠設(shè)計(jì)流量為 10.82+3.97=14.79 m3/s,加大流量為10.82×1.25+3.97=17.49 m3/s。

以灌區(qū)中某條支渠為例,這條支渠控制灌溉面積333.33 hm2,Q支=0.5/8.72×10.82=0.59 m3/s,各支渠控制灌溉面積113.33 hm2～1 733.33 hm2不等,計(jì)算得設(shè)計(jì)流量0.2 m3/s～3.22 m3/s。

表1 支渠輪灌組劃分成果表

表2 干、支渠設(shè)計(jì)流量計(jì)算成果表

4 結(jié) 語

在獨(dú)立工作的輸水干渠灌區(qū)節(jié)水改造設(shè)計(jì)中,確定項(xiàng)目區(qū)干渠、支渠灌溉輸水工作方式和設(shè)計(jì)流量、規(guī)模是至關(guān)重要的,它直接關(guān)系到節(jié)水指標(biāo)能否達(dá)到、節(jié)水效益能否實(shí)現(xiàn),投資能否合理控制,能否解決灌區(qū)供需水矛盾。

在《水工設(shè)計(jì)手冊》第8卷(灌區(qū)建筑物)提到的支、斗、農(nóng)渠全部實(shí)行輪灌情況下計(jì)算農(nóng)渠凈流量,也是用面積比例分配法[7],計(jì)算原理是一致的。其公式如下:

式中:Q支田凈為不包括渠系輸水損失和田間損失在內(nèi)的支渠凈流量(m3/s);A干為干渠凈面積(hm2);q為設(shè)計(jì)灌水率〔m3/(s?hm2)〕;A支為支渠凈面積(hm2);A支組為支渠輪灌組面積(hm2)。

對于這類灌區(qū)節(jié)水改造設(shè)計(jì)流量的計(jì)算需注意以下幾個問題:

(1)結(jié)合灌區(qū)來水實(shí)際,制定切實(shí)可行符合灌區(qū)實(shí)情的灌溉制度,確定渠道工作制度、灌溉輸水方式。

(2)當(dāng)某級渠道按照輪灌工作方式時,要兼顧上下游、左右岸,根據(jù)渠道控制灌溉面積、分布位置,結(jié)合行政單元劃分輪灌組,盡可能使輪灌組面積大體相當(dāng)[8],以便配水,使各用水戶受益均衡,便于調(diào)配勞力,便于運(yùn)行管理。

(3)當(dāng)按照不同輪灌組進(jìn)行節(jié)點(diǎn)流量分配時,若計(jì)算流量偏差級數(shù)較小,一般可通過加大流量、延長供水延續(xù)時間,或結(jié)合今后作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,或采用機(jī)井補(bǔ)灌(可能情況下)來彌補(bǔ)偏差,且節(jié)點(diǎn)流量仍宜以較大值來計(jì)算設(shè)計(jì)斷面;當(dāng)偏差較大,則根據(jù)實(shí)際在投資可控制情況下,按照較大流量來設(shè)計(jì)斷面仍是較為安全的方法。

(4)對于供水對象主要為農(nóng)業(yè)灌溉兼有比重不大的人畜飲水、節(jié)水改造工程,實(shí)行輪灌方式計(jì)算設(shè)計(jì)流量可考慮此法,對于供水對象有工業(yè)等其他供水對象較為復(fù)雜時,則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析論證。

本文提出的計(jì)算方法先進(jìn)性在于根據(jù)灌區(qū)干、支渠分布位置并結(jié)合灌區(qū)各支渠多年來形成的灌溉方式,采取干渠續(xù)灌、支渠輪灌的灌溉方式,合理的進(jìn)行了輪灌組的劃分,在滿足灌區(qū)作物灌溉制度、灌水歷時條件下,盡量縮短灌水時間,提高了灌水效率,為灌溉管理創(chuàng)造了有利條件。與常規(guī)的干、支渠續(xù)灌計(jì)算流量的方法相比,提高了支渠設(shè)計(jì)流量,實(shí)行集中分組輪灌,使田間作物受水均勻,提高了灌溉管理的效率,增強(qiáng)了灌區(qū)灌溉活動的活性,同時也避免大面積同時灌溉產(chǎn)生較快的蒸發(fā)、滲漏損失,起到了積極的節(jié)水作用。

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