復(fù)式斷面渠道渠系水利用系數(shù)測算方法研究

閻 爍，王立權(quán)*，李鐵男，秦龍飛

（1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；3.肇慶市水利水電勘察設(shè)計院有限公司，廣東 肇慶 526000）

0 引 言

【重要意義】農(nóng)業(yè)水價綜合改革以來，灌區(qū)水權(quán)確權(quán)工作的基礎(chǔ)是農(nóng)業(yè)灌溉水量測算，而渠系水利用系數(shù)則是灌溉水量測定的重要指標(biāo)?！狙芯窟M展】目前渠系水有效利用系數(shù)的測定方法有典型渠段測量法、2點水量水法、首尾測定法等[1]。典型渠段法因方便、快捷的特性使其成為較為常用的測量灌區(qū)渠道水量、水位的方法[2]，但局限性也非常明顯，采用典型渠段法測算的渠道水力要素準(zhǔn)確度差強人意，不適用于大、中型灌區(qū)或者采用復(fù)式斷面渠道襯砌的灌區(qū)[3]。白靜等[4]采用2點水量水法獲取渠道水力要素，但該方法適用于單一渠道，并且渠道工程要相對一致，并不適用于復(fù)式斷面渠道?！厩腥朦c】本文采用的動水測定法適用于滲漏損失差異較大的復(fù)式斷面渠道[5-7],以不同襯砌方式組1成的復(fù)式斷面渠道為目標(biāo)，測定各渠道相關(guān)水力要素。測算時采用的渠道滲漏公式多以考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式法[8-9]，該方法主要考慮渠床土質(zhì)、流量等易獲取要素，但是對于同一灌區(qū)采用不同襯砌形式的渠道，戴維斯－威爾遜公式由于多考慮渠道幾何尺寸、流速等要素，更能得到與實際更加貼近的結(jié)果[10-11]。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文采用2種改進后的經(jīng)驗公式，以河南省平頂山市魯山縣澎河水庫灌區(qū)為研究區(qū)域，探究更加精確的采用復(fù)式斷面渠道灌區(qū)的渠系水利用系數(shù)測算方法。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

澎河水庫灌區(qū)位于平頂山市西部。屬典型的大陸性季風(fēng)氣候。澎河水庫灌區(qū)用水取自于澎河水庫，經(jīng)40多年運用，水庫供水情況良好。2015年已除險加固完成，水庫主要指標(biāo)為：水庫總庫容6 020萬m3，控制流域面積209.2 km2，多年平均來水量7 151萬m3；死水位134.5 m，死庫容86萬m3；興利水位147.5 m，興利庫容2 607萬m3。

灌區(qū)興建以來，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展起到了十分重要的作用。但由于資金有限，骨干渠道一直沒有進行節(jié)水改造，絕大部分渠道為土渠，滲漏嚴(yán)重，只有零星支渠曾利用小農(nóng)水資金治理過。末級渠系及田間工程配套率也很低，不能滿足設(shè)計要求及實際需要。2017年灌區(qū)實施灌區(qū)節(jié)水配套改造項目，渠系工程得以修復(fù)、加固。該項目區(qū)水資源可利用量為4 428萬m3，其中地表水3 603萬m3，地下水825萬m3。

1.2 測算方法

采用動水測定法測定相關(guān)渠道水力要素，按照渠道襯砌條件劃分了8個測量區(qū)間，利用流速儀水流速計 LS1206B測定分別測算了各測量區(qū)間的流量、水位以及流速。考慮到要有適當(dāng)?shù)乃顥l件、足夠的渠道長度和測試時間,保證在多次連續(xù)測試中水流基本穩(wěn)定,由其間的水位漲落差推算的流量波動值不大于平均流量的10%。

①測速垂線布置由于渠底寬度較窄，所以布置為2條測線；②實際測速中，因為渠道經(jīng)過襯砌所以滲漏損失較小，流速分布較為均勻，兩點法所得流速較為接近，最終采用一點法，在水深0.6 h處布置測點；③每個測點上計算流速儀轉(zhuǎn)數(shù)得測速歷時宜定為60~100 s，本次測算定為60 s。

1.3 研究方法

本研究針對復(fù)式斷面渠道的渠系工程渠系水利用系數(shù)測算，首先采用動水測定法測算渠道的各水力要素，之后選取更合適的戴維斯－威爾遜公式求得渠系水利用系數(shù)。

戴維斯－威爾遜公式選擇渠道濕周、水深和流速作為變量，反映了渠道滲漏與濕周、水深的正相關(guān)關(guān)系和與流速的負(fù)相關(guān)關(guān)系[12]。戴維斯－威爾遜公式：

式中：S為單位渠道長度滲漏損失（m3/（s·km））；P為濕周（m）；H為渠道水深（m）；v為渠道水流流速（m/s）。

考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式形式簡單，并且考慮因素較少，只考慮渠床土壤透水性系數(shù)，因此在渠道水利用系數(shù)測算中得到廣泛應(yīng)用。本文在考慮土壤透水性同時，也考慮了襯砌材料的透水性能影響。考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式：

式中：K為土壤透水性系數(shù)；Qd為渠道凈流量（m3/s）；M為土壤透水性指數(shù)；考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式可以表達土質(zhì)渠道的輸水損失，由于灌區(qū)灌溉不考慮地下水對渠道的頂托作用，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288—99），對襯砌渠道單位長度水量損失率S0進行修訂[13]，修訂計算式為：

式中：S為襯砌渠道單位長度水量損失率；ε0為襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實測數(shù)據(jù)

根據(jù)澎河灌區(qū)現(xiàn)有的渠系資料，結(jié)合現(xiàn)場勘測結(jié)果，灌區(qū)共有引水干渠1條、支渠3條，合計長度14.58 km，混凝土襯砌長度12.05 km，渠道襯砌率為82.65%。

西干一支（樁號3+675～4+745）段為梯形斷面，采用現(xiàn)澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度10 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設(shè)壓頂，寬20 cm；（樁號4+745～6+100）段為矩形斷面，設(shè)計寬2 m，渠壁厚20 cm，渠底厚20 cm，高度1.3 m；（樁號6+100～7+100）段為矩形斷面，設(shè)計寬1.5 m，渠壁厚20 cm，渠底厚20 cm，高度1.3 m。

西干二支（樁號0+000～2+160）段為梯形斷面，采用現(xiàn)澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度l0 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設(shè)壓頂，寬20 cm；（樁號2+160～3+630）段為梯形斷面，采用現(xiàn)澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度l0 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設(shè)壓頂，寬20 cm。

表1 實測水力要素結(jié)果Table1 Measured hydraulic factor results

東干渠（樁號0+000～3+660）段為梯形斷面，采用現(xiàn)澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度l0 cm，寬20 cm；（樁號3+660～4+990）段為矩形斷面，設(shè)計寬1.3～1.6 m，渠壁厚25 cm，渠底厚25 cm。

東干二支（樁號 0+000～2+530）段為擋土墻式矩形斷面，設(shè)計寬1.6～2 m，渠壁厚25 cm，渠底厚25 cm，高度1.5 m。各渠道水力要素如表1所示。

依據(jù)灌區(qū)干支渠各渠段襯砌方式及材料不同，劃分 8段流量段。其中梯形渠道襯砌方式渠段有3+675～4+745、0+000～2+160、2+160～3+630、0+000～3+660；矩形渠道襯砌方式渠段有 4+745～6+100、6+100～7+100；矩形擋土墻式襯砌方式渠段有 3+660～4+990、0+000～2+530。東干渠 0+000～3+660干渠段水利設(shè)施復(fù)雜，其各復(fù)雜段位置的渠底寬、正常流速、比降均采用加權(quán)平均求得。渠系劃分各渠道如表2所示。

表2 復(fù)式斷面渠道劃分Table 2 Complex section channel division

全灌區(qū)土壤大部分為沙壤土、沙土、黏土等。沙土面積約467 hm2，主要分布在灌區(qū)下游沙河南岸近區(qū)，這類土壤有機質(zhì)量 1.2%左右，通氣性與滲水性良好，適宜種植花生等；黏土面積為2 467 hm2，主要分布在灌區(qū)的中、上游，這種土壤pH值6.7～7.6，有機質(zhì)量2.0%左右，速效磷7.4 ppm，該土壤因土層淺(1.0～1.5 m），結(jié)構(gòu)散，孔隙大，所以水分易蒸發(fā)，自然含水率常低于枯萎含水率，但其心土黏重緊密，透水性、通氣性均差，排水不良，雨季土壤過于潮濕，造成上浸泡漿；沙壤土分布在灌區(qū)中下游，其pH值在 6.5～7.9之間，有機質(zhì)量 1.5%左右，土壤淋溶作用較強，底層緊，不漏肥，通氣性好，自然含水率大于枯萎含水率，是灌區(qū)主要產(chǎn)糧區(qū)。渠道1～5處為沙壤土，渠道6～8處為黏土。

2.2 渠系水有效利用系數(shù)測算結(jié)果

1）戴維斯－威爾遜公式

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如表3所示，由經(jīng)驗值C1取0.1，代入戴維斯－威爾遜經(jīng)驗公式[14]，求各渠道單位長度損失。

渠道單位長度的輸水損失ηL與渠長的乘積可以求得渠道損失流量，已知渠首流量4.75 m3/s，即：

渠系水利用系數(shù)為0.82。由表3可以看出，渠道底部越寬，渠道的單位長度滲漏損失量越大，并且由于東干渠是引水干渠，分流、損失等原因致使后面支渠流量、流速銳減，符合實際情況。

表3 各渠道水力要素Table 3 Hydraulic elements of each channel

2）考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式[15]

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》（GB50288—99）取沙壤土土壤透水性系數(shù)K=3.4，M=0.5；黏土土壤透水性系數(shù)K=0.7，M=0.3。渠道均采用混凝土護面的防滲措施，所以襯砌渠道滲水損失修正系數(shù)取0.15，結(jié)果如表4所示。

表4 各渠道水力要素Table 4 Hydraulic elements of each channel

渠道單位長度的輸水損失率η等于所選該級各典型渠道輸水損失率ηL按渠道長度L進行加權(quán)平均的計算值，計算方法同式（4）。

渠系水利用系數(shù)為0.75。由結(jié)果可知，渠道為標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面時，渠道水利用系數(shù)最大，當(dāng)渠段為矩形斷面時，渠道水利用系數(shù)較小，造成經(jīng)濟、水量浪費，而矩形擋土墻式襯砌方式渠道單位長度損失最大。由圖1可以看出，戴維斯－威爾遜公式推求的渠道單位長度損失率，在渠道6的地方損失率最大，這是因為渠道6底寬6.3 m，在所有渠道中最寬，而采用的戴維斯－威爾遜公式更多地考慮襯砌渠道的水力要素，所以作為干渠的渠道6單位長度損失率最大，而其余支渠單位長度損失率相對平均。

圖1 戴維斯－威爾遜公式渠道單位長度輸水損失Fig.1 Davis-Wilson formula for channel unit length water loss

圖2 考斯加科夫公式渠道單位長度輸水損失率Fig.2 Kosgakov formula channel unit length water loss rate

由圖2可以看出，考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式推求的渠道單位長度損失率，在渠道6處單位長度損失最小，這是由于干渠處渠道流量大并且采用的襯砌方式最佳，渠道7和渠道8由于采用的襯砌方式為矩形擋土墻式襯砌，并且流量較小，渠道單位長度損失率較大。綜合來看，戴維斯－威爾遜公式相對于考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式，不能很好地反映不同襯砌方式帶來的滲漏損失。

3）西一支渠渠末流量1.05 m3/s，西二支渠渠末流量1.21 m3/s，東二干渠渠末流量1.84 m3/s，渠首流量4.75 m3/s。渠系水利用系數(shù)η實際=0.86，對比結(jié)果可知，采用戴維斯－威爾遜經(jīng)驗公式在推算不同襯砌形式下灌區(qū)渠道渠系水利用系數(shù)更加合理。

3 討 論

渠道襯砌是農(nóng)業(yè)灌溉中非常有效的節(jié)水措施，而且不同的襯砌形式所帶來的節(jié)水效果并不相同，混凝土襯砌效果好于土渠。本文研究區(qū)域采用了3種襯砌方式，其中最佳襯砌方式是標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面的渠道襯砌，帶來的節(jié)水效果最好，這是由于標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面為水力最佳斷面，有利于水流通過，增大了流速，這一結(jié)果與肖雪等[2]研究結(jié)論一致。

渠系水利用系數(shù)的測算受到多因素的影響，大致分為二類影響因素。①關(guān)于渠道相關(guān)水力要素的測算，本文采用的動水測定法測量渠道水力要素，其適用于復(fù)雜渠道襯砌條件、不區(qū)分渠道滲漏差異以及不停水測量等特點，基本符合復(fù)式斷面襯砌渠道的特點，這與榮豐濤[6]、秦海等[7]關(guān)于動水測定法的適用特征一致；②渠系水利用系數(shù)最后分別采用戴維斯－威爾遜公式、考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式進行推求，戴維斯－威爾遜公式測算方法顯示在渠道 6部分渠道單位損失最大，反映了襯砌斷面形式對于渠道損失影響占比較大，而通過考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式測算方法對比發(fā)現(xiàn)，渠道7和渠道8本身襯砌方式并不理想，會造成較大滲漏損失，戴維斯－威爾遜公式并無明顯反映，這一結(jié)果與肖雪等[9]研究結(jié)果一致。最終結(jié)果也顯示了采用戴維斯－威爾遜公式的測算方法更適用于采用復(fù)式斷面渠道襯砌的渠系工程。

本文所采用的測算復(fù)式斷面渠道的渠系水利用系數(shù)方法可以提升常規(guī)測算方法的精準(zhǔn)度。然而，在渠系水有效利用系數(shù)的測算上仍存在著不小的問題，以澎河灌區(qū)為例，本文測算渠系水利用系數(shù)并未考慮渠道上的水利設(shè)施對結(jié)果的影響，同時，灌區(qū)進行灌溉取用水時，當(dāng)渠道水面達不到一定高度，將無法抽水，該灌區(qū)渠道上設(shè)有大量的節(jié)制閘、進水閘、分水閘等取用水設(shè)施，此時將關(guān)閉閘門使水面上升進而抽水灌溉，然而這樣的方式也將產(chǎn)生灌溉水的滲漏損失，本次研究并未考慮，因此，渠系水利用系數(shù)的推求還可進一步考慮灌溉時間與農(nóng)田水利工程等因素。

4 結(jié) 論

1）動水測定法更適于測定復(fù)式斷面渠系工程的渠道水力要素。

2）采用標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面的混凝土襯砌方式為最佳襯砌方式，可以大大減少灌溉水的損失。

3）對比分析結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)戴維斯－威爾遜公式更適用于復(fù)式斷面渠系工程的渠系水利用系數(shù)測算。

4）戴維斯－威爾遜公式更適用于復(fù)雜的襯砌渠道，但不能顯示出渠道襯砌的效果；考斯加科夫渠道滲漏經(jīng)驗公式可以展現(xiàn)出渠道襯砌的效果，但只適用于單一襯砌渠道，對于復(fù)雜的渠系工程，測算的渠系水利用系數(shù)精度較差。