灌區(qū)渠道水利用系數(shù)計(jì)算和分析探討

陳浩 周艷 王朝江

我國農(nóng)業(yè)灌溉一直都在進(jìn)行旨在提高水資源承載能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水措施。灌溉水利用系數(shù)（IWUE）是衡量農(nóng)業(yè)節(jié)水效果的關(guān)鍵指標(biāo)，是衡量灌區(qū)工程技術(shù)水平狀況和管理水平的重要指標(biāo)，也是灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、水資源分配的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

目前我國IWUE 總體水平在0.5，而發(fā)達(dá)國家，如美國和以色列等國家和地區(qū)，一般在0.7～0.8。與其相比，我國IWUE 明顯偏低，尚有很大節(jié)水潛力。

渠道輸水損失約占灌溉損失水量的60%～80%，故提高渠道水利用系數(shù)是灌區(qū)水利設(shè)計(jì)、灌溉管理、用配水計(jì)劃編制的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)是否合理、用水計(jì)劃是否可行、水量分配是否合理。通過分析比較國內(nèi)外不同國家采用的渠道輸水損失計(jì)算公式和方法，對灌區(qū)渠道水利用系數(shù)的計(jì)算和取值進(jìn)一步分析研究。

1 渠道水利用系數(shù)計(jì)算理論

對于渠道而言，渠道的凈流量與該渠道渠首引入流量之比，為渠道水利用系數(shù)。根據(jù)GB 50288—1999《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，渠道水利用系數(shù)的計(jì)算分兩種情況：情況1 為當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)的灌區(qū)有實(shí)測資料；情況2 為無實(shí)測資料情況。

1.1 情況1 渠道水利用系數(shù)計(jì)算公式

當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)的灌區(qū)有實(shí)測資料情況時(shí)，渠道水利用系數(shù)計(jì)算公式采用如下式：

式中η0——渠道水利用系數(shù)；

Qdj——渠道凈流量，m3∕s；

Qd——渠道毛流量，m3∕s；

1.2 情況2渠道水利用系數(shù)計(jì)算公式

當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)的灌區(qū)無實(shí)測資料情況時(shí)，渠道水利用系數(shù)計(jì)算公式采用如下式：

式中η0——渠道水利用系數(shù)；

σ——渠道單位長度水量損失率，%∕km；

L——渠道長度，km；

渠道單位長度水量損失率計(jì)算公式如下：

式中A——土壤透水性系數(shù)；

Qdj——渠道凈流量，m3∕s；

m——土壤透水性指數(shù)。

此公式，實(shí)際為引用考斯加可夫（Kostiakov）公式：其實(shí)際含義就是對渠道的滲流損失進(jìn)行計(jì)算。

2 渠道輸水損失的組成和含義

2.1 渠道輸水損失的含義

灌溉渠道在輸水過程中的部分流量損失為輸水損失ΔQ，渠道斷面設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)流量Qd為Q毛應(yīng)包括輸水損失，即：

式中Qd——渠道設(shè)計(jì)流量，m3∕s；

Qdj——設(shè)計(jì)凈流量，m3∕s；

ΔQ——渠道輸水損失，m3∕s。

2.2 渠道輸水損失的組成

渠道輸水損失主要由滲水損失、漏水損失、管理損失和水面蒸發(fā)等4 部分組成。

2.2.1 滲水損失

包括渠道底部、邊坡土壤孔隙滲漏的水量，約占80%。

2.2.2 漏水損失

包括有地質(zhì)條件、生物作用或施工不良等各種原因造成的漏縫或裂隙損失的水量、渠堤和建筑的漏水、渠堤決口跑水等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，一般不應(yīng)超過18%。

2.2.3 管理損失

管理不善、用水計(jì)劃和調(diào)度不科學(xué)而產(chǎn)生的泄水、棄水，以及渠道越級取水等，一般不應(yīng)超過18%，且應(yīng)該盡量避免。

2.2.4 蒸發(fā)損失

渠道在輸水過程中水面蒸發(fā)引起的損失，因其總水面積很小，求得的水面蒸發(fā)損失量也很小，一般占滲漏損失的5%以下。根據(jù)有關(guān)資料，蒸發(fā)損失為2%～5%，與當(dāng)?shù)貧鉁?、濕度、渠道的流速都有關(guān)系。

對于灌溉渠道，水量平衡方程可表示為Qd=Q毛=Qdj+Q滲+Q漏+Q管+Q蒸。只有在充分提高灌溉管理水平，避免了漏水、管理等渠道輸水損失，并根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件分析蒸發(fā)損失后，認(rèn)為確實(shí)可以忽略蒸發(fā)損失后（比如，蒸發(fā)損失小于滲流損失的5%），在水量平衡方程中，輸水損失才可以近似看作由滲流損失唯一確定。

2.3 理論計(jì)算成果與實(shí)測數(shù)據(jù)的差異

渠道的輸水損失中，如果灌區(qū)管理完善，一般情況下滲水損失為80%，為渠道的主要輸水損失，其它損失（漏水損失、蒸發(fā)損失和管理損失會(huì)）約占20%，但在管理不完善的情況下，其它損失往往超過20%。工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略了這部分損失，而將滲水損失作為了全部的渠道輸水損失，這樣就會(huì)導(dǎo)致理論計(jì)算成果與實(shí)測數(shù)據(jù)形成巨大差異，造成渠道水利用系數(shù)計(jì)算值偏高，而實(shí)際達(dá)不到，影響灌區(qū)的正常運(yùn)行。另外，忽略了其它損失的詳細(xì)計(jì)算和分析，忽視了改進(jìn)節(jié)水措施和管理水平，導(dǎo)致渠道水利用系數(shù)偏低，造成水的極大浪費(fèi)。

當(dāng)然，對常見的混凝土襯砌渠道來說，受混凝土施工和本身階段、變形、約束等影響，無論施工方法如何先進(jìn)、混凝土裂隙的存在都是難以避免的，而且無論灌區(qū)管理水平如何，渠道中各分水口的漏水都是存在的。這也就是理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測算成果會(huì)有一定差距的原因。因此，在計(jì)算渠道輸水損失時(shí)應(yīng)采用理論計(jì)算與實(shí)際測算相結(jié)合，科學(xué)地計(jì)入其它輸水損失。

3 渠道輸水損失中滲流損失的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式分析

3.1 各種經(jīng)驗(yàn)公式簡介

渠道的輸水損失，一般應(yīng)通過實(shí)測確定。但實(shí)際操作中，很難做到通過實(shí)測全部渠道的配水?dāng)?shù)據(jù)來評估渠道的輸配水特性，因此，在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算渠道的滲流損失。

滲流損失水量與渠床土壤性質(zhì)、襯砌條件、地下水埋深、渠道工作制度、渠道的斷面形式及水力特性等因素有關(guān)。主要有以下幾種經(jīng)驗(yàn)公式：

美國墾務(wù)局（USBR）莫里茲公式：

考斯加可夫（Kostiakov）公式：

戴維斯-威爾遜（Davison-Wilson）公式：

埃及莫爾斯沃斯和延尼達(dá)米亞（Molesworth）公式：

巴基斯坦公式：

式中S——每公里渠道長度輸水損失流量，m3∕（s·km）；

Qdj——設(shè)計(jì)凈流量，m3∕s；

P——濕周，m；

H——渠道水深，m；

v——渠道水流流速，m∕s；

精致的火把高舉，參星到了東南隅。 今晚是怎樣的晚上，看見這樣好看的閨女。 你呀，你呀，該把這個(gè)好閨女怎么辦。

R——水力半徑，m；

Q——平均流量，m3∕s；

C1、C2——常數(shù)，見表1 和表2；

C3——隨土壤特性和土溫而定的系數(shù)，黏土取0.0015，砂土取0.003；

A、m——土壤透水性參數(shù)[1]。

C4——系數(shù)，未襯砌渠道取0.13或襯砌渠道取0.08。

表1 土壤參數(shù)C1值

表2 土壤參數(shù)C2值

上述5 種經(jīng)驗(yàn)公式將流量、水深、濕周、流速、襯砌方式中的一種或幾種影響因素作為變量來計(jì)算渠道滲漏量。其中式（1）—式（4）均為自由滲漏的計(jì)算公式，對有地下水頂托滲漏的情況，一般是在自由滲漏的基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)頂托系數(shù)，從而考慮地下水位對滲漏的影響。式（5）為綜合考慮所有輸水損失的一個(gè)簡單的經(jīng)驗(yàn)公式。

（1）莫里茲公式選擇流量和流速作為變量來確定渠道滲漏量，式中的Q∕v也就是渠道過水?dāng)嗝娴拿娣e，反映了滲漏量與渠道過水?dāng)嗝婷娣e的正相關(guān)關(guān)系，常數(shù)C1則體現(xiàn)了渠床土壤對滲漏的影響。

（2）考斯加可夫（Kostiakov）公式形式簡單，僅考慮了土壤和流量對渠道滲漏的影響，且采用2 個(gè)土壤參數(shù)A、m來反映渠床土壤的影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)渠床土壤質(zhì)地來確定它們的參數(shù)值。

（3）戴維斯-威爾遜（Davison-Wilson）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。該公式是針對襯砌渠道提出來的，不同襯砌形式對渠道滲漏的影響主要通過常數(shù)C2來體現(xiàn)。

（4）埃及Molesworth 公式反映了滲漏量與濕周、渠道水力半徑和土壤之間的關(guān)系，其中，反映土壤質(zhì)地的常數(shù)C3，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅提供了黏土和砂土兩種土質(zhì)的取值，其他土質(zhì)則需根據(jù)實(shí)測資料確定。

（5）巴基斯坦公式形式簡單，僅考慮了流量和襯砌影響系數(shù)，將渠道簡單的歸為非襯砌和襯砌兩種，輸水損失包含了滲水損失、漏水損失、管理損失和水面蒸發(fā)等全部損失。沒有反映出輸水損失與渠道濕周、渠道水力半徑和土壤之間的關(guān)系。

3.2 計(jì)算實(shí)例分析

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[3]的分析研究結(jié)果，莫里茲公式、考斯加可夫、Molesworth 公式對同一級渠道的單位渠長滲流損失進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的平均相對誤差分別為：5.21%、5.68%和36.3%。即莫里茲公式的計(jì)算精度最高，考斯加可夫公式計(jì)算精度次之，Molesworth公式誤差較大。

3.2.1 巴基斯坦公式計(jì)算實(shí)例

巴基斯坦高摩贊灌區(qū)，總凈灌溉面積6.6 萬hm2（99萬畝），主渠1 條，總長60.8 km，為梯形混凝土襯砌明渠，渠首設(shè)計(jì)引用流量Q設(shè)計(jì)=24.1 m3∕s；支渠16 條，平均長度7 km，梯形混凝土襯砌渠道；斗渠121 條，梯形非襯砌渠道，平均長度3 km。通過分析，計(jì)算綜合渠道水利用系數(shù)僅僅0.57。雖然，這也符合當(dāng)?shù)氐墓喔攘?xí)慣，但明顯渠道水利用系數(shù)偏低。

3.3.2 考斯加可夫（Kostiakov）公式計(jì)算實(shí)例

老撾南圣灌區(qū)土壤為中黏壤土，總凈灌溉面積3.5萬hm2（52.5 萬畝），渠首設(shè)計(jì)引用流量Q設(shè)計(jì)=51.5 m3∕s，灌溉渠系布置為四級，即干渠、分干渠、支渠和斗渠。其中：干渠1 條，總長26.8 m；分干渠3 條（一至三分干渠），總長50.2 km；支渠36 條，總長170 km；斗渠275條，總長510 km，均采用混凝土襯砌。

通過采用考斯加可夫公式分析，結(jié)果見表3。

表3 渠道水利用系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

從表3 可以看出，當(dāng)采用中黏壤土透水系數(shù)A=1.9，m=0.4，如果僅考慮滲流損失，則渠道水綜合利用系數(shù)高達(dá)0.91，而實(shí)際上，這在目前的灌溉實(shí)踐中是不可能達(dá)到的。因此，考慮了15%～18%的滲漏、蒸發(fā)、管理損失等，采用渠道水綜合利用系數(shù)0.74，這是一個(gè)合理且可以接受的數(shù)值。但也說明了一個(gè)問題，對于渠道輸水損失中的滲漏、蒸發(fā)、管理損失等不可忽視。通過加強(qiáng)實(shí)施科學(xué)的灌區(qū)管理、水量調(diào)配，加強(qiáng)渠道襯砌、配套和維修養(yǎng)護(hù)等節(jié)水措施，可以大幅提高水的利用率。

4 提高渠道水利用系數(shù)的措施

4.1 實(shí)施科學(xué)的水量調(diào)配

4.1.1 合理確定灌區(qū)干支渠配水方式

當(dāng)渠首樞紐引水量為正常流量（平均值）時(shí)，實(shí)行續(xù)灌，灌區(qū)各干支渠同時(shí)按比例放水；低于正常流量40%左右時(shí)，改續(xù)灌為輪灌，以提高灌區(qū)渠道水利用率，減少渠道滲漏。

4.1.2 合理采用“渠井并灌，合井并流”的辦法

針對灌區(qū)地下水豐富、河源供水不足的具體特點(diǎn)，在冬春灌以渠水為主，夏秋灌渠井并用，提高用水保證率，減少灌區(qū)渠道滲漏損失。

4.1.3 合理確定斗渠放水流量

斗渠流量增加到一定程度，水的利用系數(shù)趨于穩(wěn)定。因此，在不引起渠系水量調(diào)配困難和田間用水安排發(fā)生沖突的前提下，斗渠流量適當(dāng)集中，從而可減少輸水滲漏損失，提高水利用率。

4.1.4 合理劃分輪灌組及輪灌順序

灌區(qū)干支渠和斗渠以下，應(yīng)合理劃分輪灌組。輪灌時(shí)，灌溉渠道流量比較集中，工作長度和時(shí)間較短，從而可減少輸水滲漏損失，據(jù)多年灌溉資料統(tǒng)計(jì)，集中輪灌比分散用水的利用系數(shù)可提高2%～5%。

4.2 加強(qiáng)襯砌和維修養(yǎng)護(hù)

渠道襯砌是進(jìn)行防滲、提高灌區(qū)渠道水利用系數(shù)最有效的措施。根據(jù)計(jì)算，并參考有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，渠道襯砌并得到好的維修養(yǎng)護(hù)后，可減少土渠滲漏量的95%。

5 結(jié) 語

（1）渠道輸水損失主要由滲水損失、漏水損失、管理損失和水面蒸發(fā)等四部分組成。工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常忽略了其它部分損失，這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算成果與實(shí)測數(shù)據(jù)形成巨大差異，造成渠道水利用系數(shù)計(jì)算值偏高，而實(shí)際達(dá)不到，影響灌區(qū)的正常運(yùn)行。

（2）忽略滲水損失以外的其它損失計(jì)算和分析，會(huì)導(dǎo)致忽視改進(jìn)節(jié)水措施，造成水的極大浪費(fèi)。因此，應(yīng)采用理論計(jì)算與實(shí)際測算相結(jié)合，科學(xué)地計(jì)入其它輸水損失，而不能簡單地忽略。

（3）對于滲流損失計(jì)算，幾種經(jīng)驗(yàn)公式各有優(yōu)點(diǎn)和不足，優(yōu)先推薦使用莫里茲公式和考斯加可夫公式。

（4）合理提高渠道水利用系數(shù)是灌區(qū)水利設(shè)計(jì)、灌溉管理、用配水計(jì)劃編制的重要內(nèi)容，直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)是否合理、用水計(jì)劃是否可行、水量分配是否合理。

（5）目前，我國規(guī)模大于2 萬hm2（30 萬畝）的灌區(qū)，渠道水利用系數(shù)為0.55，而以色列和美國則達(dá)到0.78～0.88。應(yīng)加強(qiáng)實(shí)施科學(xué)的水量調(diào)配，加強(qiáng)渠道襯砌、配套和維修養(yǎng)護(hù)等節(jié)水措施，提高水的利用率。