灌溉渠道流量計算與分析

張永偉

( 黑龍江省農(nóng)墾紅興隆管理局水務(wù)局，黑龍江紅興隆155811)

1 渠道的設(shè)計流量

渠道的設(shè)計流量是指在設(shè)計年內(nèi)作物灌水期間渠道需要通過的最大流量，或者說渠道在正常工作條件下需要通過的流量，因而又叫正常流量。它是設(shè)計渠道縱、橫斷面和渠系建筑物的主要依據(jù)。渠道的設(shè)計流量與灌區(qū)的灌溉面積、作物組成、灌溉制度、渠道的工作制度以及渠道的輸水損失等因素有關(guān)［1］。

1.1 渠道流量的相關(guān)概念

灌溉水從渠首引入并經(jīng)各級渠道輸送到田間，各處的流量都不相同。因而在計算中就會遇到不同的流量術(shù)語和概念，為以后敘述方便，現(xiàn)介紹如下:

1.1.1 渠道田間凈流量

該流量是指渠道應(yīng)該達(dá)到田間的流量，或者說田間實(shí)際需要的渠道流量，用Q田間凈表示。

1.1.2 渠道凈流量和毛流量

對一個渠段而言，段首處的流量為毛流量，段末處的流量為凈流量;對一條渠道來說，該渠道引水口處的流量為毛流量，同時自該渠道引水的所有下一級渠道分水口的流量之和為凈流量。毛流量和凈流量分別用Q毛和Q凈表示。渠道的設(shè)計流量應(yīng)該是毛流量。

1.1.3 渠道損失流量

該流量是指渠道在輸水過程中損失掉的流量，用Q損表示。渠道的毛流量、凈流量和損失流量之間有如下的關(guān)系:

1.2 渠道輸水損失與渠道水利用系數(shù)

渠道在輸水過程中一定要損失掉一部分流量或水量，稱為渠道的輸水損失。在進(jìn)行渠道流量計算時，必須計入輸水損失流量。渠道輸水損失包括水面蒸發(fā)損失、漏水損失和滲水損失3個部分。水面蒸發(fā)損失數(shù)量很小，可以忽略不計。漏水損失是指由于地質(zhì)條件不良、施工質(zhì)量較差、管理維修不善以及生物作用等因素而形成的漏洞、裂隙或渠堤決口和建筑物漏水等所損失的水量，一般約占輸水損失的15%左右，這些損失都應(yīng)該是中以避免的。漏水損失的具體數(shù)值，可根據(jù)渠道的實(shí)際情況估算確定，在渠道流量計算時，一般不予計入。經(jīng)渠床土壤的滲水損失是渠道輸水損失的主要部分，是經(jīng)常存在的、不能完全避免的水量損失，一般占輸水損失的80%以上。渠道的輸水損失估算主要是滲水損失的估算，并把它近似地作為渠道的總輸水損失。渠道輸水損失，在已成灌區(qū)的管理運(yùn)用中，應(yīng)通過實(shí)側(cè)確定，可用水的利用系數(shù)進(jìn)行計算和表示。

根據(jù)水的利用系數(shù)，可以估算渠道的損失流量，也可直接用來計算渠道的設(shè)計流量。常用的水的利用系數(shù)有以下4 種:

1.2.1 田間水利用系數(shù)

是引渠口以下至灌水溝、畦，水的運(yùn)用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。除了與澆地人員工作質(zhì)量有關(guān)外，還因地形、引渠長度、田間工程及土質(zhì)等狀況的不同而有差異。其計算方法如下:

1) 觀測記載引渠口水位流量，計算引口引入水量W引。

2) 施測有代表性地塊的灌水定額m，統(tǒng)計灌溉面積A。在選擇代表性地塊時，主要考慮土質(zhì)、地形、田間工程規(guī)格、作物種類、用水次數(shù)、耕作措施等條件。若引渠范圍內(nèi)上述條件差異較大時，應(yīng)分區(qū)測定灌水定額、統(tǒng)計灌溉面積;若差異不大時，可以分區(qū)。

3) 計算田間灌水量W田、田間水利用系數(shù)η田:

1.2.2 渠道水利用系數(shù)

渠道水利用系數(shù)有干、支、斗、分各級渠道水利用系數(shù)，分別表示該級渠道的運(yùn)用質(zhì)量。它可以由水量統(tǒng)計法或流量實(shí)測法求得。

1.2.2.1 水量統(tǒng)計法

在一個灌溉季度或一個用水輪期內(nèi)，根據(jù)各渠口引水量W毛和同期給水下級渠道輸送的水量W凈，由下式求得渠道水利用系數(shù)η:

1.2.2.2 流量實(shí)測法

同時測定渠口流量Q毛和給下級渠道輸送的流量Q凈，由下式求得渠道水利用系數(shù):

1.2.3 渠系水利用系數(shù)

是各級固定渠道運(yùn)用質(zhì)量的綜合指標(biāo)。它可以由各級渠道水利用系數(shù)連乘積表示，也可以在同一時間內(nèi)測定渠首流量Q 和各引口流量之和ΣQ 求

得，即:

或

在利用(6) 式計算渠系水利用系數(shù)時，各級渠道水利用系數(shù)要用渠道流量來求得其加權(quán)平均值代入。在施測渠系水利用系數(shù)時，應(yīng)選擇渠道流量比較穩(wěn)定時進(jìn)行，最好要按流程時間來測定各級渠道的流量。

1.2.4 灌溉水利用系數(shù)

是指在某一時段內(nèi)，田間實(shí)灌水量與渠道引水總量的比值。它是灌區(qū)水的運(yùn)用質(zhì)量綜合指標(biāo)，是灌區(qū)管理水平的重要標(biāo)志之一，也是灌區(qū)規(guī)劃和編制用水計劃的重要依據(jù)。灌溉水利用系數(shù)η水，有兩種計算方法:

式中: W首是渠首引水量，灌溉水利用系數(shù)也可以一條干、支渠或一條斗渠范圍內(nèi)計算單位，上式中W首分別以干、支渠閘口或斗口的飲水量代入即可。

1.3 灌溉渠道的水利計算

1.3.1 輪灌渠道設(shè)計流量推算

由于輪灌渠道不是在整個作物灌水延續(xù)時間內(nèi)連續(xù)輸水，而是集中過水，所以，輪灌渠道設(shè)計流量的大小，又決定于它本身灌溉面積的大小，而是取決于上級渠道供水流量的大小和輪灌組內(nèi)渠道數(shù)的多少，因此，輪灌渠道的設(shè)計流量，不能用灌水模數(shù)乘灌溉面積求田間凈流量，再逐級加灌溉流量求毛流量的方法來推算，而只能采用自上而下逐級分配田間凈流量，再自下而上逐級加損失流量求毛流量的方法進(jìn)行推算?，F(xiàn)以干、支渠續(xù)灌，斗、農(nóng)渠輪灌，斗渠輪灌組內(nèi)有n 條斗渠，農(nóng)渠輪灌組內(nèi)有A 條農(nóng)渠的情況，來說明輪灌渠道設(shè)計流量的推算方法。

1.3.1.1 自上而下分配末級續(xù)灌渠道的田間凈流量

1) 計算支渠田間凈流量

2) 計算斗渠田間凈流量，斗渠輪灌組內(nèi)n 條斗渠的灌溉面積相等時，計算公式為:

斗渠輪灌組內(nèi)各斗渠面積不相等時，為使各斗渠的灌水時間相等，應(yīng)按各斗渠灌溉面積的大小來分配支渠田間凈流量，即:

3) 計算農(nóng)渠田間凈流量，該流量和計算斗渠田間凈流量的道理相同，分別為:

式中: A支，A斗組，A斗i，A農(nóng)組，A農(nóng)i為支渠、斗渠輪灌組、某天斗渠、農(nóng)渠輪灌區(qū)、某條農(nóng)渠灌溉面積; q設(shè)為設(shè)計灌水模數(shù)。

1.3.1.2 自下而上推算渠道設(shè)計流量

農(nóng)渠的凈流量為:

農(nóng)、斗、支渠的設(shè)計流量分別為:

式中: L農(nóng)，L斗，L支為農(nóng)、斗、支渠的平均工作長度，一般為下一級渠道最下游一個輪灌組的中點(diǎn)到該渠道引水口的距離，km; ΣQ農(nóng)設(shè)ΣQ斗設(shè)為農(nóng)渠和斗渠輪灌組內(nèi)各農(nóng)渠和斗渠的設(shè)計流量之和，m3/s。

1.3.1.3 用水的利用系數(shù)推算渠道設(shè)計流量

如果一個灌區(qū)支、斗、農(nóng)渠的數(shù)目很多，都用上述方法推求設(shè)計流量將十分繁雜。為減少計算工作量，可綜合考慮渠道長度、灌溉面積、沿渠土質(zhì)和配水方式等因素，選擇一條或幾條支、斗、農(nóng)渠，用前述方法退求出渠系水利用系數(shù)η渠系，然后以η渠系作為擴(kuò)大指標(biāo)，推求其他各支、斗、農(nóng)渠的設(shè)計流量。其計算公式為:

1.3.2 續(xù)灌渠道( 干渠) 設(shè)計流量推算

干渠的設(shè)計流量可根據(jù)已求出的各支渠的設(shè)計流量，按支渠口的位置對干渠進(jìn)行分段，自下游逐段加損失流量，分段推算。其計算公式如下:

2 渠道的最小流量與最大流量

為了保證對下一級渠道正常供水和進(jìn)行水位控制、最小流量與設(shè)計流量不宜相差過大。

一般規(guī)定，最小流量應(yīng)≥設(shè)計流量的40%，這和最小灌水模數(shù)應(yīng)≥最大灌水模數(shù)40%的要求是完全一致的，也有的灌區(qū)規(guī)定，渠道的最低水位應(yīng)等于或大于正常水位70%。實(shí)際灌水時，如果次作物用水量過小，可適當(dāng)縮短灌水時間，集中灌水。使其通過的流量大于最小流量。

考慮到在管理運(yùn)用過程中可能會出現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計時未能預(yù)料到的情況，如作物種植比例變更、灌溉面積擴(kuò)大、氣候特別干旱、渠道發(fā)生事故后需要短時間加大輸水等，都要求渠道通過比設(shè)計流量大的流量，這種流量稱為渠道的最大流量。當(dāng)渠道通過最大流量時，渠中水位增高，流速加大，所以，確定最大流量的作用在于校核渠道的過水能力和不沖流速，進(jìn)而確定渠道的堤頂高程，即渠道的堤頂高程應(yīng)該等于通過最大流量時的水位和堤頂超高。對于輪灌渠道，因其流量已經(jīng)加大，故不再考慮加大流量。

式中: K 為流量加大系數(shù)，見表1; Q加為加大流量，m3/s。

表1 流量加大系數(shù)K 值表

3 結(jié) 論

正確的設(shè)計渠道流量，可以使灌區(qū)運(yùn)行優(yōu)良，發(fā)揮最大的灌溉效益。如果灌溉渠系設(shè)計的非常合理，而且管理完善，就能夠有效避免灌溉引水過程中由于引水太小、沿程損失太大，渠系水利用過低的問題，它能夠提高灌區(qū)水利用量和作物的產(chǎn)量，同時又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收、增效，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理配置。

［1］謝博. 灌溉渠道的設(shè)計流量計算與分析［J］. 陜西水利，2011(04) :175 －176.