石津灌區(qū)渠道防滲效果與灌溉用水效率關(guān)系分析

李國(guó)章

1. 灌區(qū)概況

石津灌區(qū)位于河北平原中南部，是河北省最大的以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼發(fā)電和城市工業(yè)供水的大型灌區(qū)，主要灌溉滹沱河下游以南，滏陽(yáng)河以西地區(qū)，控制耕地面積400萬(wàn)畝，有效灌溉面積250萬(wàn)畝，主要灌溉作物為冬小麥、棉花等。受益范圍包括石家莊、衡水、邢臺(tái)3 市，共 14 個(gè)縣(區(qū))、158 個(gè)鄉(xiāng)、1467 個(gè)村。

石津灌區(qū)的自然條件、水源條件、灌排工程形式以及管理?xiàng)l件在河北省均具有廣泛代表性。因此，在石津灌區(qū)開(kāi)展渠道防滲襯砌形式與節(jié)水效果試驗(yàn)研究，提出不同的節(jié)水模型模式和發(fā)展方向，分析節(jié)水改造后灌區(qū)輸水能力與糧食增產(chǎn)潛力，不但為灌區(qū)節(jié)約水資源提供方法，還可以為灌區(qū)制定輸水、配水工作計(jì)劃提供依據(jù)。對(duì)灌區(qū)管理部門(mén)科學(xué)規(guī)劃、科學(xué)決策和宏觀管理提供理論依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2. 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

石津灌區(qū)四干三分干南四支渠道通過(guò)動(dòng)水法和靜水法試驗(yàn)，對(duì)該渠道上6種防滲襯砌形式的防滲襯砌效果進(jìn)行比較，并分析各襯砌形式的防凍脹效果及輸水損失，找出輸水損失最小、防凍脹效果最好的防滲襯砌形式。

通過(guò)對(duì)襯砌形式的節(jié)水量、使用年限內(nèi)的節(jié)水量、單位投資節(jié)水量等方面進(jìn)行節(jié)水效果分析，選出適宜灌區(qū)推廣使用的防滲襯砌形式。

同時(shí)，分別在南五支渠道、小型拋物線渠道進(jìn)行動(dòng)水法試驗(yàn)，推算出渠道的渠道水利用系數(shù)，并計(jì)算灌溉水有效利用系數(shù)。

3. 試驗(yàn)區(qū)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)地點(diǎn)位于石津灌區(qū)深州市魏橋管理處管轄范圍內(nèi)，總干渠南側(cè)，具體為四干渠三分干渠的南四支渠道和四干渠二分干的南五支渠道上。灌區(qū)屬淺層季節(jié)凍土區(qū)，多年平均氣溫12.6℃，極端最低氣溫-20.9℃，極端最高氣溫41.8℃，歷史最大凍深0.6m。1995年后最大凍深0.4cm。灌區(qū)內(nèi)有干渠、分干渠、支渠、斗渠、農(nóng)渠五級(jí)渠道，灌溉面積32.9萬(wàn)畝。灌區(qū)內(nèi)種植作物主要為冬小麥和玉米。

試驗(yàn)對(duì)象包括四部分：

四干三分干南四支渠道，梯形斷面，混凝土襯砌；四干二分干南五支渠道，梯形斷面，混凝土襯砌；四干三分干南三支渠道，拋物線形斷面，拋物線方程為：3y=x2，混凝土襯砌；四干三分干南四支渠道，渠道斷面為梯形，土質(zhì)渠道。四干三分干南四支渠道為2010年進(jìn)行全斷面襯砌，2011年通水運(yùn)行。渠道襯砌采用分段襯砌方式，是本次分析研究的主要渠道。觀測(cè)渠道總長(zhǎng)為3684m，觀測(cè)渠道斷面尺寸：底寬b=1.2m，邊坡系數(shù)m=1.5，渠道深 h=1.1m，頂寬B=4.5m。為了研究其防滲效果及滲漏水的去向，在渠道一側(cè)與軸線垂直的方向設(shè)置了三口觀測(cè)井，觀測(cè)灌溉前、后地下水的變化。具體布置見(jiàn)下表。

四干二分干南五支渠道于2006年建成并進(jìn)行現(xiàn)澆混凝土襯砌，進(jìn)行并投入使用的渠道為襯砌厚度為6cm。設(shè)計(jì)流量為2.5m3/s，渠底寬 2m，渠深 1.5m，坡降為1/4000。灌區(qū)內(nèi)渠道按規(guī)范布置原則嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，均為南北走向。

拋物線形斷面形斷面渠道于2005年進(jìn)行混凝土襯砌，渠頂寬3.2m。

選取土渠長(zhǎng)度為1650m土渠作為觀測(cè)段，整段中間無(wú)分水進(jìn)行，渠道斷面底寬b=1.2m，下游斷面底寬b=0.55m。

4. 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)試驗(yàn)渠道狀況，田間試驗(yàn)安排主要包括有動(dòng)水法試驗(yàn)、靜水法試驗(yàn)、其他試驗(yàn)（包括降雨試驗(yàn)、蒸發(fā)觀測(cè)、地下水觀測(cè)）。

試驗(yàn)共分三個(gè)階段，分別為2011年春灌期間動(dòng)水法試驗(yàn)階段、2012年春灌期間動(dòng)水法試驗(yàn)階段和2012年春灌結(jié)束后靜水法試驗(yàn)階段。

2011年春灌期間即3月進(jìn)行首次動(dòng)水法試驗(yàn)，試驗(yàn)渠道為土渠、四干三分干南四支渠道和小型拋物線渠道3條渠道，試驗(yàn)安排觀測(cè)人員8名，觀測(cè)時(shí)間至春灌結(jié)束前后。其中，土渠作為四干三分干南四支渠道的對(duì)比渠道。

2012年春灌期間進(jìn)行動(dòng)水法試驗(yàn)，試驗(yàn)主要對(duì)四干三分干南四支渠道進(jìn)行，主要研究該渠道6種襯砌形式的凍脹破壞效果，另外，對(duì)四干二分干南五支渠道流量進(jìn)行觀測(cè)，與拋物線進(jìn)行同工況下不同斷面形式的渠道防滲效果對(duì)比研究。

在2012年和2013年春灌結(jié)束后安排進(jìn)行靜水法試驗(yàn)，靜水法試驗(yàn)同樣針對(duì)四干三分干南四支渠道6種襯砌形式進(jìn)行，從試驗(yàn)方法對(duì)比角度分析6種襯砌形式的防滲效果。

5. 試驗(yàn)結(jié)論

5.1 渠道輸水損失

通過(guò)2011、2012年兩次動(dòng)水法試驗(yàn)比較知，形式1即“現(xiàn)澆混凝土+保溫板+土工布；伸縮縫：聚硫密封膠+閉孔塑料”的單位流量、單位長(zhǎng)度輸水損失量（分別為0.0247、0.0248）均為 6種襯砌形式中最小的，且單位流量、單位長(zhǎng)度輸水損失變化量（0.0001）也最小，說(shuō)明形式1防滲襯砌效果最好，抗凍脹效果也最好。

由于試驗(yàn)過(guò)程中突發(fā)情況，本年度只對(duì)襯砌形式3-6的4個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行的靜水法試驗(yàn)表明，通過(guò)計(jì)算滲漏強(qiáng)度隨水深變化關(guān)系的回歸方程可知“現(xiàn)澆混凝土+土工布”和“現(xiàn)澆混凝土（樹(shù)脂油膏+砂漿）”兩種襯砌形式的相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，說(shuō)明這兩種襯砌形式的各參數(shù)均可靠，由此得出的“現(xiàn)澆混凝土+土工布”和“現(xiàn)澆混凝土（樹(shù)脂油膏+砂漿）”兩種襯砌形式的滲漏強(qiáng)度分別為 4.747L/m2/h、4.988L/m2/h。

南五支渠道：南五支渠的單位長(zhǎng)度、單位流量的輸水損失量為0.0860，渠道水利用系數(shù)為0.8190。

5.2 節(jié)水效果

通過(guò)對(duì)混凝土渠道的襯砌形式、結(jié)構(gòu)形式、伸縮縫填充形式等研究，對(duì)混凝土渠道六種襯砌形式與土渠對(duì)比研究，確定各種襯砌形式的防滲效果的優(yōu)劣，確定出“現(xiàn)澆混凝土+保溫板+土工布，密封膠閉孔塑料填縫”這種襯砌形式渠道水利用系數(shù)最高，節(jié)水量最大。

5.3 投資效果

投資少、使用年限長(zhǎng)并且在使用年限內(nèi)單位萬(wàn)元投資節(jié)水量大的襯砌形式的經(jīng)濟(jì)效果最好，本文從靜態(tài)分析方面得出“現(xiàn)澆混凝土+保溫板，樹(shù)脂油膏砂漿填縫”經(jīng)濟(jì)效益最高，從動(dòng)態(tài)分析方面得出 “現(xiàn)澆混凝土+保溫板，樹(shù)脂油膏砂漿填縫”“現(xiàn)澆混凝土，樹(shù)脂油膏砂漿填縫”兩種襯砌形式經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用較高比幾乎相同都較高，因此綜合靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，確定 “現(xiàn)澆混凝土+保溫板，樹(shù)脂油膏砂漿填縫”投資效果最好。

5.4 節(jié)地效果

通過(guò)梯形土渠、梯形襯砌渠道、拋物線型渠道的占地量分析，可知拋物線型渠道相比梯形渠道占地量均小，其中梯形土渠占地量最大，因此對(duì)于設(shè)計(jì)階段的渠道斷面設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮拋物線型渠道，而對(duì)于現(xiàn)有梯形土渠有條件的地區(qū)應(yīng)進(jìn)行防滲襯砌。

5.5 綜合效果

綜合從對(duì)渠道輸水損失量、灌溉用水利用效率、節(jié)水量、投資效果等方面綜合的分析可知，對(duì)于四干三分干南四支渠道6種襯砌形式中“現(xiàn)澆混凝土+保溫板，樹(shù)脂油膏砂漿填縫”襯砌形式最適合灌區(qū)推廣使用。