干旱區(qū)襯砌渠道水利用系數(shù)計算分析

張 新

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

干旱區(qū)襯砌渠道水利用系數(shù)計算分析

張 新

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

該文以庫塔干渠東干渠混凝土襯砌渠道5+000～10+475渠段的變水位靜水法和流量觀測為實據(jù),展示了襯砌渠道水利用系數(shù)的計算過程,計算水深介于0.56～1m之間,渠道水利用系數(shù)為0.988～0.991之間。實例分析結(jié)果表明:隨著渠道水深的增加,雖然流量和滲漏強度均增加,但渠道水利用系數(shù)隨水深呈增加趨勢,該實例在水深大于0.7m時,渠道水利用系數(shù)變化趨勢漸趨平緩?？梢?當(dāng)渠道流量不穩(wěn)定時,渠道水利用系數(shù)宜采用變水位靜水法結(jié)合流量進(jìn)行計算。

水資源;襯砌渠道;變水位靜水法;渠道水利用系數(shù)

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》9.1.1條提出在4種情況下，應(yīng)進(jìn)行渠道滲漏測驗，其中第3種為“推算渠系(渠道)水利用系數(shù)”，同時指出“渠道滲漏損失，宜采用靜水法或動水法進(jìn)行測驗”［1］。靜水法與動水法相比優(yōu)缺點各異。榮豐濤等均對此進(jìn)行了分析與闡述［2-5］，并指出靜水法是精確觀測現(xiàn)實工程滲漏水平的主要方法。尤其是隨著中國灌區(qū)節(jié)水配套改造工程的發(fā)展，渠道襯砌率越來越高，而襯砌渠道的滲漏量較土渠小很多，更不利于動水法試驗的實施。為此，國內(nèi)外諸多渠道滲漏測試中，靜水法被廣泛應(yīng)用，如田士豪等均對渠道進(jìn)行了靜水法試驗［6-10］。靜水法根據(jù)渠中水位變化與否，分恒水位法和變水位法。恒水位法通常觀測渠道設(shè)計水位的滲漏強度，或觀測初滲到穩(wěn)滲的滲漏過程;變水位法通常以分析水位-滲漏強度關(guān)系為主。根據(jù)渠道橫斷面設(shè)計原理，渠道設(shè)計流量由灌水率圖及種植結(jié)構(gòu)等因素決定，而修正后的灌水率圖一般無法保證大部分灌溉時期的灌水率一致或相近，渠道流量的調(diào)整變動不可避免，因此變水位靜水法比恒水位法更具適用性。

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中滲漏強度單位為“單位面積渠道在單位時間內(nèi)的滲漏量”，如L/ (m2·h)、m3/(m2·d)等，此類單位只能代表渠道濕周上的平均滲漏強度，滲漏強度與濕周乘積才能共同表達(dá)所測渠道的滲漏強度特征。本文以“單位長度渠道在單位時間內(nèi)的滲漏量(m3/ (km·h))”為滲漏強度單位分析了變水位靜水法試驗，此種形式考慮了渠道的斷面形式，具有針對性。

靜水法觀測計算渠道水利用系數(shù)，是進(jìn)一步估算灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)、分析灌區(qū)毛用水量、以及灌區(qū)效益等工作的前期工作［10］?；炷烈r砌渠道為我國灌區(qū)常用的襯砌形式，且使用比例較高。通常襯砌改造工程基于原有土渠或已老化破損嚴(yán)重的渠道，故而渠道的邊坡系數(shù)m較大。為此，本文以新疆庫塔干渠東干渠變水位靜水法試驗為依據(jù)，結(jié)合流量觀測，對梯形混凝土襯砌形式的渠道水利用系數(shù)η隨渠道水深h的變化趨勢進(jìn)行了計算與分析，為混凝土渠道變水位工作狀態(tài)下的渠道損失測算工作提供依據(jù)。

1 靜水法計算渠道水利用系數(shù)的原理及步驟

渠道水利用系數(shù)是分析灌區(qū)水量平衡的關(guān)鍵參數(shù)之一。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，渠道水利用系數(shù)計算公式如下:

式中:η—渠道水利用系數(shù);Qu—渠首流量，m3/ s;Qd—渠尾流量，m3/s;Qs—渠道損失量，m3/s。

依據(jù)水量平衡原理，將渠道水利用系數(shù)的計算原理繪制成圖，如圖1所示。

圖1 靜水法計算渠道水利用系數(shù)的原理示意圖

由圖1可知，式(1)中Qs的發(fā)生過程，與Qu流動至Qd的發(fā)生過程為同步發(fā)生，現(xiàn)對渠道水滲漏過程進(jìn)行分析。設(shè)渠道流量為Q，取時間長度t，過流量構(gòu)成水體W，當(dāng)水體W以平均流速v向下游流動時，渠道的滲漏以qs連續(xù)發(fā)生，并以渠首為始、渠尾為終，則W的長度l與滲漏時間長度ts等相關(guān)參數(shù)的計算公式如下:式中:A—渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m2;t—時間，s; h—渠道水深，m;Q—渠道流量，m3·s-1;W—水體體積，m3;l—水體長度，m;qs—滲漏強度，m3·(km·h)-1;ts—水體滲漏時間，h;Ws—水體滲漏量，10-3m3;η—渠道水利用系數(shù)，%。

可見，Ws的發(fā)生與渠道流量Q密切相關(guān)，而渠道流量主要受4個因素的影響:渠道斷面面積A、渠道材質(zhì)、渠道濕周χ，以及渠道縱坡i。其中，當(dāng)渠道斷面形式固定時，渠道斷面面積A和渠道濕周χ又受到渠道水深h的影響。故可根據(jù)以上計算過程分析不同h下的η值。

根據(jù)式(2)～(7)，若渠道內(nèi)水深 h不同，則渠道水利用系數(shù)η應(yīng)不同。

根據(jù)計算原理，變水位靜水法觀測數(shù)據(jù)在計算渠道水利用系數(shù)η時，可概化為6個步驟。

(1)根據(jù)變水位靜水法試驗分析典型渠段的水深與滲漏強度關(guān)系，qs=f(h)。

(2)根據(jù)流量觀測結(jié)果，計算渠道流量 Q、平均流速v。

(3)選定單位時間長度(t=1s)過流量為水體，計算水體體積W及水體長度l。

(4)計算水體通過單位長度渠道(L=1km)消耗時間，即水體的滲漏時間ts。

(5)根據(jù)水體水深h，由qs=f(h)計算滲漏強度qs，計算水體在通過1km長度渠道后的滲漏量Ws(圖1中陰影面積)。

(6)根據(jù)水體通過單位長度渠道前、后水量變化，計算渠道水利用系數(shù)η。

2 實例分析

在新疆庫塔干渠東干渠混凝土襯砌渠道5+ 000～10+475渠段之間進(jìn)行了靜水法和流量觀測，同時觀測降水量和蒸發(fā)量。渠道為混凝土襯砌梯形斷面，渠底寬2m，邊坡角度28°，以此為例，對該渠道水利用系數(shù)進(jìn)行了實例試算。

2.1 靜水法試驗分析

靜水法試驗采用變水位法，對靜水法觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行“水深—滲漏強度”關(guān)系計算。觀測期間無降水，觀測水深差為0.940-0.294=0.646m，總蒸發(fā)量共0.0402m，日均蒸發(fā)量8.04m m，離差均低于0.66m m，故將蒸發(fā)量平均折算入總損失量，則蒸發(fā)量占觀測水深差的比例P e=0.0402/ 0.646=6.221%，根據(jù)比例P e對計算滲漏強度進(jìn)行折算。

為便于計算不同水深h下的滲漏強度，繪制水深-時間散點圖，并對散點進(jìn)行回歸，回歸方程及方差如圖2所示。

圖2 渠道水深～滲漏時間關(guān)系

由圖2可知，回歸方程的擬合精度良好，可根據(jù)該回歸方程計算某水深的滲漏強度。為便于計算，對滲漏強度與渠道水深關(guān)系進(jìn)行非線性回歸，回歸方程為

qs=12.867h2+15.990h+6.369，R2=0.99998(8)

2.2 流量觀測分析

流量觀測共92次，觀測水深范圍介于0.56～1m之間。流量觀測為多垂線、多點觀測，流量計算公式為:

式中:Q—渠道斷面流量，m3/s;m—觀測點數(shù)量; vi—第i觀測點觀測流速，m/s;Ai—第i觀測點代表橫斷面面積，i=1，2，…，m。

根據(jù)流量計算成果，繪制渠道水深-渠道流量散點圖，并擬合函數(shù)關(guān)系如圖3所示。函數(shù)關(guān)系可簡化為冪函數(shù)形式Q=C hα。

圖3 渠道水深與渠道流量關(guān)系

2.3 渠道水利用系數(shù)計算

通過92個樣本的計算，繪制水深-渠道水利用系數(shù)關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 渠道水深與渠道水利用系數(shù)關(guān)系

由圖3可知，流量隨著水深的增加而增加，雖然每千米渠道的輸水損失也呈增加趨勢，但由圖4結(jié)果可看出:①渠道水利用系數(shù)隨水深增加而提高，反映為η=-0.0234h2+0.0495h+0.9664。②本次分析的混凝土襯砌渠道，當(dāng)水深超過0.7m時，渠道水利用系數(shù)變化較為平緩，且達(dá)到較高水平。

3 結(jié)論

變水位靜水法是精確測驗變動水位下渠道滲漏特性的良好方法。通過“水量平衡法”分析渠道內(nèi)靜態(tài)水體在渠道中的流動過程，將渠道水利用系數(shù)計算概化為6個步驟。以新疆庫塔干渠東干渠混凝土襯砌渠道的變水位靜水法及流量觀測成果為依據(jù)，對渠道水利用系數(shù)進(jìn)行了計算，計算水深介于0.56～1m之間，滲漏強度介于18.589～34.779m3/ (km·h)，折合0.135～0.169m3/(m2·d)，渠道水利用系數(shù)范圍介于0.986～0.991之間，與《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》給定的范圍要求相符。實例分析表明隨著水深的增加，渠道流量增加，平均流速增加，渠道水利用系數(shù)亦隨之增加，但增加趨勢漸緩，且趨于平緩。本次分析僅為梯形混凝土襯砌渠道，受資料所限未能對其他襯砌形式進(jìn)行分析，已有分析結(jié)果表明，變水位靜水法對變流量下的渠道水利用系數(shù)計算具有良好的應(yīng)用性，當(dāng)測算渠道流量為非穩(wěn)定流量時，應(yīng)以變水位靜水法分析渠道水利用系數(shù)，并建立水位與渠道水利用系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，以便于估算實時工況下的渠道水利用系數(shù)，為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的估算工作提供基本依據(jù)。

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S275.3

B

1008-1305(2016)05-0087-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.030

2016-03-12

張 新(1988年—)，男，助理工程師。