東北蘇打鹽堿地輸水渠道滲流模擬與試驗研究*＊

王景立，孫佳，張航，孟憲東，吳世懿，馮偉志

（1.吉林農業(yè)大學工程技術學院，長春市，130118；2.中科佰澳格霖農業(yè)有限公司，吉林白城，137000）

0 引言

東北蘇打鹽堿地水稻種植輸水方式以渠道輸水為主，渠道的形狀、結構參數(shù)等對渠水利用率影響較大。東北地區(qū)冬季寒冷，渠道凍脹性破壞普遍存在，既縮短了其使用壽命，也增加了維護成本。因此，渠道材料選取對渠水利用率影響更為顯著。

國內外相關專家學者在輸水渠道防滲方面早有研究，顧喜貴[1]，隋保生[2]，許強等[3]應用有限元軟件建立數(shù)值模型，為探討渠道滲漏特性及襯砌結構提供參考。Rantz[4]提供了測量渠道滲漏量的方法，驗證了動水法測滲的準確性。Osman[5]計算河渠滲漏模型后，通過對改進MODFLOW模型中的公式，得到能夠求得各種復雜條件的河渠滲漏量模型。竇寶松等[6]對土工合成材料進行防滲漏試驗后，發(fā)現(xiàn)土工膜防滲性能優(yōu)良，但土工膜發(fā)生破損后，滲漏到膜內的水不易排出。王黎軍等[7]對W-OH新型防滲材料進行研究，通過大量的室內試驗和野外應用實例，得出W-OH溶液可以起到很好的防滲和防凍脹效果。鄭建軍等[8]在對聚丙烯高纖維材料在渠道防滲研究中發(fā)現(xiàn)，混凝土渠中摻入聚丙烯高纖維材料，能夠提高渠道防滲能力。閆長城等[9]通過有限元軟件對玻璃鋼渠道溫度場、變形場及應力場研究發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼渠襯砌可以提高防滲和抗凍脹能力。王英浩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，U型玻璃鋼渠凍脹不均勻程度小，且玻璃鋼材料具有良好的防滲抗凍脹效果與適應變形能力。程傳勝等[11]研究發(fā)現(xiàn)玻璃鋼渠具有很強的變形能力，可很大程度的減小凍脹破壞。目前，輸水渠道以混凝土渠道為主，在使用過程中輸水弊端較多[12-13]。本文結合該試驗項目利用有限元進行滲流模擬及開展野外試驗，測量混凝土渠及玻璃鋼渠的滲漏量，分析兩種渠道在輸水過程中的防滲性，從而為東北蘇打鹽堿地區(qū)輸水渠道防滲工程的設計與施工提供一定參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2021年5月在吉林省大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地水稻種植項目區(qū)開展試驗，試驗基地鋪設混凝土渠及玻璃鋼渠，混凝土渠為梯形渠，如圖1、圖2揚示。渠底寬為0.8 m，邊坡系數(shù)m為1，渠道高度為0.8 m；玻璃鋼渠道為U型渠道，渠道高度為0.5 m，渠口寬度為0.9 m，弧底半徑R為0.4 m，外傾角為10°，玻璃鋼渠道厚度b為7 mm。

圖1 混凝土渠、玻璃鋼渠平面圖Fig.1 Concrete canal,FRP canal plan

圖2 混凝土渠、玻璃鋼渠現(xiàn)場圖Fig.2 Concrete canal,FRP canal site map

1.2 試驗方法

因野外測滲試驗不能毀壞原有輸水渠道測量其渠道向下2 m處土壤含水率，故野外測滲試驗采用經典動水法測滲試驗，以渠道的流量損失為依據(jù)，在春灌初期對混凝土渠及玻璃鋼渠開展試驗研究，試驗渠段取1 000 m，嚴格依照《渠道防滲工程技術規(guī)范GB50600—2010》[14]開展動水法測定渠道輸水損失。動水法是渠道不停水且測流上下兩斷面之間分水口均關閉的情況下觀測流量損失[15]的一種試驗方法，即根據(jù)渠道首尾流量差確定輸水損失，它不改變渠道的運行規(guī)則，可直接反映流量、流速、水位對輸水損失的影響。使用流速儀（LS1206型旋槳流速儀）按照一點法[16]進行流速測量，觀測位置為斷面中心，重復測量5次。本次試驗揚計算的輸水損失主要是滲水損失。

1.3 試驗設計

1.3.1 試驗渠段選擇

根據(jù)規(guī)范要求，觀測斷面選擇在渠道的順直段，渠道的順直段長度不小于渠寬的10倍，水流應均勻，并無旋渦和回流。

1.3.2 測量點及試驗設備

沿渠段每隔100 m設觀測點，即混凝土渠及玻璃鋼渠觀測渠段各取10個觀測點。測量點渠道水深用直尺測量，尺子底部裝有起穩(wěn)定作用的底座，并能夠保證測驗期間直尺不移位、不擺動。采用水準儀測定0點高程，使得水尺最低端在每一處測量點測量時均處于同一高程，最小刻度為mm。測量點流速用便攜式流速儀測量，其工作原理為：當水流作用到儀器感應元件旋漿時，旋漿產生回轉運動，水流速度快慢變化旋漿轉速也隨著變化。將旋轉式傳感器放入水中，控制旋漿處于渠道水深2/5處，每點觀測時間不小于30 s。

1.4 計算公式

利用典型渠段測量的流量進行渠道輸水損失測定，由試驗數(shù)據(jù)可計算相應的滲流強度及渠段水利用系數(shù)。滲漏強度以及試驗渠段水利用系數(shù)計算公式

式中：σ——單位長度渠道輸水損失系數(shù)，km-1；

QF——測驗段滲漏強度，m3/（m2·s）；

Q首——渠道試驗段進口斷面流量，m3/s；

Q尾——渠道試驗段出口斷面流量，m3/s；

L——渠道試驗段長度，m；

α——試驗渠段水利用系數(shù)。

2 渠道滲流計算理論與模型建立

2.1 計算理論

在大型灌區(qū)中，各級渠道輸水量基本恒定符合達西定律的一般規(guī)律，即

式中:kj——滲透系數(shù)；

β——參量，β=1～1.1時為層流，β=2時為紊流，β=1.1～1.85時為過渡流態(tài)。

有限元數(shù)值試驗方是將渠道滲漏問題轉化為二維滲流問題，基于求解滲流微分方程，進而探討渠道內滲漏狀態(tài)，在達西定律的基礎上進行數(shù)值計算，根據(jù)式（5），式（6）可得渠道內穩(wěn)定滲流微分方程及邊界條件式（7），即

式中：vx、vy——x、y方向的滲流流速，m/d；

Kx、Ky——x、y方向的滲透系數(shù)，m/s；

H——水頭，m；

τ1、τ2——條件邊界；

q——流量，m3/s。

有限元數(shù)值分析利用泛函分析手段，求解函數(shù)在流域D內的極值問題，即對式（8）求極值。

2.2 模型建立

模型以大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地水稻種植區(qū)輸水渠道為原型，模型下邊界為渠坡板頂部向下取2 m，兩側邊界為渠坡板左右各取1.5 m，幾何模型的建立依據(jù)點、線、面的順序開展，施加渠道排水邊界及水頭壓力等。渠道滲透系數(shù)見表1，有限元模型如圖3揚示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

圖3 混凝土渠及玻璃鋼渠有限元模型Fig.3 Finite element model of concrete canal and FRP canal

3 結果與分析

3.1 試驗結果與分析

3.1.1 混凝土渠試驗結果

在混凝土渠試驗渠段開展野外測滲試驗，其試驗結果如表2揚示。

表2 混凝土渠流量統(tǒng)計表Tab.2 Concrete canal flow statistics table

渠道水流速度由0.372 m/s降低至0.316 m/s，渠道水深由58 cm降低至56.2 cm，渠道斷面面積由0.800 m2降低至0.765 m2，渠道內流量隨之減小，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量最小為0.242 m3/s。

在混凝土渠道測滲試驗中，渠道水深呈下降趨勢，渠末渠道水深相對于渠首降低3.1%，渠道斷面面積也呈逐漸呈下降趨勢，渠末端斷面面積相對于渠首降低4.4%，渠道流速逐漸減小，渠末流速相較于渠首降低15.1%，流量下降速度先快后慢，渠首流量0.298 m3/s，渠末端流量0.242 m3/s，流量降低0.056 m3/s，渠末端流量相對渠首降低18.8%，試驗渠段水利用系數(shù)為81.2%，流量損失較大，渠道滲漏明顯。

3.1.2 玻璃鋼渠試驗結果

在玻璃鋼渠試驗渠段開展野外測滲試驗，其試驗結果見表3。由表3可知，渠道水流速由0.365 m/s降低至0.354 m/s，渠道水深由28 cm降低至27 cm，渠道內流量基本相等，渠首流量0.056 m3/s，渠末端流量最小為0.053 m3/s。

表3 玻璃鋼渠流量統(tǒng)計表Tab.3 FRP canal flow statistics table

在玻璃鋼渠道測滲試驗中，渠道水深僅降低1 cm，渠末端斷面面積相對于渠首降低4%，渠道水流速變化平穩(wěn)，試驗結果呈現(xiàn)出渠道流量趨于平穩(wěn)，渠道流量僅損失0.003 m3/s，相對于試驗段首流量降低約5%，試驗渠段水利用系數(shù)為95%，流量損失較小。

3.2 渠道滲漏強度對比分析

由表4可知，混凝土渠道滲流強度明顯高于玻璃鋼渠，混凝渠渠單位長度輸水能力明顯小于玻璃鋼渠，玻璃鋼渠滲漏強渠極小僅為0.018 m3/（m2·s），說明玻璃鋼渠道在蘇打鹽堿地輸水效果良好。

表4 渠道滲漏強度參數(shù)Tab.4 Canal leakage intensity parameter

3.3 試驗結果分析

試驗表明，混凝土渠道流量在試驗區(qū)段內逐漸下降，玻璃鋼渠道流量趨于平穩(wěn)?；炷燎垒斔畵p失系數(shù)為0.188，玻璃鋼渠道輸水損失系數(shù)為0.05，玻璃鋼渠滲漏強度為混凝土渠的四分之一。

分析其主要原因主要包括以下幾點：

1)混凝土渠道經長時間在野外風吹日曬出現(xiàn)老化現(xiàn)象，并且冬季會出現(xiàn)凍脹破壞。

2)混凝土渠摩擦系數(shù)較大，在初次輸水過程中渠道表面出現(xiàn)濕潤作用。并且混凝土渠使用時間越久，其出現(xiàn)滲漏情況會越來越明顯；而玻璃鋼渠道克服了混凝土渠道的缺點，故渠道流量損失明顯低于混凝土渠道。顯然玻璃鋼渠道在東北蘇打鹽堿地渠道輸水防滲能力明顯優(yōu)于混凝土渠道，且渠道水利用系數(shù)高，有很好的防滲效果。

3.4 模擬與實測數(shù)據(jù)對比

為分析評估有限元模擬的精確度，使用歸一化均方誤差(Normalized mean squared error，NMSE)指標［17］進行驗證。當NMSE值小于0.25可認為有限元的模擬精確度是合理的［18］。

式中：Ev——模擬值與實測值之間的相對誤差；

Cs——模擬值；

Cm——實測值；

Csm——模擬值的平均值；

Com——實測值的平均值；

n——實測采樣個數(shù)。

圖4和圖5為模擬值與實測值的對比結果。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，混凝土渠和玻璃鋼渠流量損失的模擬值與實測值的相對誤差為1.08%～7.98%和6.07%～21.67%。

圖4 混凝土渠模擬值與實測值對比Fig.4 Comparison of simulated and measured values of concrete drains

圖5 玻璃鋼渠模擬值與實測值對比Fig.5 Comparison of simulated and measured values of FRP drains

結果表明，混凝土渠的模擬值與實測值存在誤差，因為模擬狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)模擬，且為固定流速，但是實際渠道的流速值不是單一穩(wěn)定的，并且實際的土壤情況也會對模擬結果產生影響，其中溫度的變化也會影響混凝土渠的滲流情況［19］。

玻璃鋼渠的模擬值相對于實測值整體偏小，主要是因為在模擬過程中考慮到玻璃鋼渠銜接處的數(shù)量是有限的，而玻璃鋼渠道的實際縫隙數(shù)量是無法準確得知，從而導致了模擬渠道流量損失整體小于實際測量值。

玻璃鋼渠的相對誤差整體大于混凝土渠，主要是因為玻璃鋼渠本身滲流量極小，導致模擬值產生的誤差對相對誤差的計算影響較混凝土渠影響更大，然而模擬與實測數(shù)據(jù)對比的NMSE均小于0.25，計算結果的相對誤差在合理的范圍內，模擬結果較可靠，由野外測滲試驗可知混凝土渠流量損失較大，玻璃鋼渠流量損失小，試驗結果與有限元滲流模擬分析結論一致，即混凝土渠滲流大于玻璃鋼渠。說明該模型可準確揭示混凝土渠與玻璃鋼渠的滲流情況。

3.5 計算結果分析

為研究不同材料的輸水渠道在東北蘇打鹽堿地防滲效果，分別模擬出混凝土渠及玻璃鋼渠滲流情況。圖6～圖9為總水頭云圖、壓力水頭云圖。

圖6 混凝土渠總水頭等線圖、壓力水頭等線圖Fig.6 Concrete canal total head,pressure head isoline diagram

如圖6、圖7揚示，混凝土渠底總水頭最大，渠兩側水頭逐漸減小，渠底壓力水頭最大，可知混凝土渠底部滲流較大，滲流呈現(xiàn)底部較大向渠道兩側擴散的規(guī)律，兩側滲流較小，形成了較大的滲流場；如圖8、圖9揚示，玻璃鋼渠部底及渠道兩側水頭損失均為零，壓力水頭云圖表明渠底部及渠道兩側壓力水頭很小趨于零，可知玻璃鋼渠不存在滲流場。模擬數(shù)值結果表明玻璃鋼渠道在渠道輸水中輸水效率高于混凝土渠，可以達到很好的防滲效果。通過對渠道有限元滲流模擬分析，可知玻璃鋼渠道輸水防滲效果好于混凝土渠。

圖7 混凝土渠總水頭云圖、壓力水頭云圖Fig.7 Concrete canal total head and pressure head clouds

圖8 玻璃鋼渠總水頭等線圖、壓力水頭等線圖Fig.8 FRP canal total head,pressure head isoline diagram

圖9 玻璃鋼渠總水頭云圖、壓力水頭云圖Fig.9 FRP canal total head and pressure head clouds

3.6 兩種渠道的蘇打鹽堿地適用性對比分析

玻璃鋼渠道是以合成樹脂為基體，玻璃纖維增強材料制作而成，其特點主要有[20-21]：質量輕、強度高、韌性好、耐腐蝕、抗紫外線性更高，使用壽命更長，野外裸露應用預計可達20年以上，不會因為凍脹而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，質量輕快便捷，相對于普通渠道更適于施工及運輸，更適合用于蘇打鹽堿地渠道輸水要求，如表5揚示。

表5 混凝土渠及玻璃鋼渠特性對比分析Tab.5 Comparative analysis of the characteristics of concrete and FRP drains

假定不同渠道均按1 km計算，對比分析相同條件下玻璃鋼渠道與混凝土渠道的投資成本，在忽略資金的時間價值前提下，依據(jù)目前大安市海坨鄉(xiāng)蘇打鹽堿地的渠道使用情況，混凝土渠道和玻璃鋼渠道分別按10年、20年使用壽命計算，混凝土渠道和玻璃鋼渠道的年維修養(yǎng)護費分別按工程投資的2.5%、0.5%計算。蘇打鹽堿地混凝土渠道的拆除重建費包含舊混凝土拆除費、重建費耕地補償費以及保溫措施費。

由表6可知，在計算周期內，玻璃鋼渠道的綜合投資小于混凝土渠道的綜合投資，并且混凝土渠道滲漏損失嚴重，需要防凍脹保護，而玻璃鋼渠道可減少拆除重建費與保溫措施費用，隨著水資源需求量的急劇增大，玻璃鋼渠道具有明顯的優(yōu)勢。

表6 混凝土渠及玻璃鋼渠投資成本對比分析Tab.6 Comparative analysis of investment cost of concrete and FRP drains 萬元

4 結論

1）通過混凝土渠及玻璃鋼渠在東北蘇打鹽堿地進行測滲試驗，玻璃鋼渠輸水損失及滲漏強度均有明顯優(yōu)勢，玻璃鋼渠較混凝土渠輸水損失利用系數(shù)降低73.4%，滲漏強度僅為混凝土渠的四分之一。

2）通過對混凝土渠及玻璃鋼渠進行有限元滲流分析，可知玻璃鋼渠道防滲效果好。有限元的模擬值與實測值比較接近，相對誤差及NMSE在可接受的范圍，因此采用該模型來模擬混凝土渠和玻璃鋼渠滲流是可行的。

混凝土渠的模擬值與實測值相對誤差為1.08%～7.98%，平均相對誤差為4.05%。玻璃鋼渠的相對誤差為6.07%～21.67%，平均相對誤差為11.6%。混凝土渠滲流底部較大兩側滲流較小，形成了較大的滲流場，而玻璃鋼渠滲流小，玻璃鋼渠道防滲效果明顯優(yōu)于混凝土渠。

3）通過對兩種渠道的蘇打鹽堿地適用性對比分析，玻璃鋼渠道各項特性均更滿足蘇打鹽堿地的使用要求，并且通過對兩種渠道投資成本對比分析可知，玻璃鋼渠的綜合投資小于混凝土渠。

綜上分析可知，通過對混凝土渠及玻璃鋼渠滲流對比及野外測滲試驗，分析兩渠道輸水狀態(tài)下滲漏情況，可知玻璃鋼渠道具備良好抗?jié)B性，優(yōu)于普通混混凝土渠道，玻璃鋼渠更適用于蘇打鹽堿地特性，在東北蘇打鹽堿地具有明顯優(yōu)勢，提高渠系水利用系數(shù)，為東北蘇打鹽堿地區(qū)輸水渠道提供新選擇。