干渠和三級(jí)渠道水損失的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析

張贊榮

(江西省上饒市余干縣水利局水利事務(wù)服務(wù)中心，江西 上饒 334000)

灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行取決于各個(gè)部件的性能，輸水設(shè)施是灌溉系統(tǒng)的主要部分。在我國(guó)，超過(guò)85%的農(nóng)田灌溉使用低效的地面灌溉系統(tǒng)。由于施工和運(yùn)營(yíng)條件的差異，灌溉渠的浪費(fèi)量占總輸送水量的30%～50%。

渠道輸水效率受多種因素影響，如裂縫、滲濾、滲漏和物理?yè)p壞。葛靜等[1]使用輸入-輸出法測(cè)量了河南省陸渾灌區(qū)灌溉渠的滲流損失。干渠主要采用土工膜襯砌，而二級(jí)和三級(jí)渠道為無(wú)襯砌。在本研究中，干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道的滲流損失分別為1.09(m3/m2)/d、3.38(m3/m2)/d和2.14(m3/m2)/d。土工膜襯砌損壞和維護(hù)不到位是造成高水損的主要原因。因此加強(qiáng)渠道的維護(hù)和維修，是減少滲流損失的關(guān)鍵[2]。李德成[3]研究表明，渠道流量與滲流損失之間存在直接關(guān)系。用土工膜代替渠道的混凝土襯砌可以降低成本，并將輸水效率提高20%。有研究表明有襯砌的渠道輸水效率為75%，無(wú)襯砌的渠道為52%[4]。檢查襯砌渠道運(yùn)行狀態(tài)時(shí)最重要的是泥沙的積累和渠道襯砌的破壞。如果渠道襯砌施工正確，所有滲流損失都是可以避免的。隨著時(shí)間的推移，渠道的襯砌可能發(fā)生變化，喪失最初的性能。裂縫、雜草生長(zhǎng)和不兼容的建筑材料等因素都會(huì)導(dǎo)致滲透損失增加[5]。一般來(lái)說(shuō)，確定灌溉渠中的確切滲流損失量既困難又費(fèi)時(shí)。然而，與其他方法(經(jīng)驗(yàn)公式和軟件方法)相比，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和直接測(cè)量產(chǎn)生的結(jié)果更準(zhǔn)確。當(dāng)灌溉渠施工不當(dāng)且運(yùn)行不合理時(shí)，輸入-輸出法是估算滲流最合適、最精確的方法。

三塘河灌區(qū)灌溉是江西省最大的灌溉系統(tǒng)之一，始建于20世紀(jì)50年代初，近年來(lái)各灌溉渠存在坍塌、淤堵現(xiàn)象，渠系建筑物老化破損、漏水嚴(yán)重，輸水結(jié)構(gòu)性能差導(dǎo)致水分配不當(dāng)和不公平，降低了輸水效率，使系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)變得困難。灌區(qū)種植面積有所擴(kuò)大，而供水量卻在減少。因此，有必要改善灌溉管理，提供準(zhǔn)確可靠的渠道輸水效率和水損失信息。本文檢查了三塘河灌區(qū)灌溉方案中輸水設(shè)施的物理結(jié)構(gòu)和管理結(jié)構(gòu)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)選定渠道的滲流、輸送效率和襯砌狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查，以提供合適的解決方案來(lái)解決問(wèn)題并提高水資源生產(chǎn)率。

1 材料和方法

1.1 三塘河灌區(qū)灌溉方案

三塘河灌區(qū)灌溉面積3890 hm2，其水工結(jié)構(gòu)的使用年限超過(guò)30年，灌區(qū)通過(guò)導(dǎo)流壩以及污水處理廠進(jìn)行供水。如圖1所示，三塘河灌區(qū)灌溉方案的灌溉指揮區(qū)約為2000 hm2，由6條二級(jí)渠道組成(表1)，干渠AB和BC的長(zhǎng)度分別為5 km和6 km。所有干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道都有混凝土襯砌。在超過(guò)1500 hm2區(qū)域執(zhí)行數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程，使用超聲波流量計(jì)記錄70多個(gè)選定點(diǎn)(渠道橫截面)的流量參數(shù)。干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道中研究河段的平均長(zhǎng)度分別為1820 m、925 m和870 m。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于水流濁度、非幾何斷面和渠道中的沉積等因素，無(wú)法精確確定渠道橫斷面中的流速。因此，最后將3條干渠河段、6條二級(jí)渠道河段和12條三級(jí)渠道河段納入結(jié)果分析。

圖1 三塘河灌區(qū)灌溉方案圖示

表1 二級(jí)渠道特征

1.2 輸水效率(ec)

為補(bǔ)償輸水路徑中的水損失，有必要確定準(zhǔn)確的輸水效率。輸水效率取決于各種因素，如渠道長(zhǎng)度、土壤類型和渠道襯砌材料。本文選擇多個(gè)河段作為樣本，以確定渠道中的水量損失，這些河段的水損失量通過(guò)輸入-輸出法計(jì)算。通過(guò)該方法可以獲得所有輸水損失，包括通過(guò)渠道的滲流損失和水面蒸發(fā)損失。灌溉渠中的蒸發(fā)水損并不顯著，因此本文未單獨(dú)確定。計(jì)算輸水效率見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：ec為輸水效率，%;Vd為輸送至配水系統(tǒng)的水量，m3；V2為非灌溉用水，m3；Vc為從水源分流的水量，m3；V1為從其他水源輸送至輸水系統(tǒng)的輸入水量，m3。根據(jù)糧農(nóng)組織提供的數(shù)據(jù)，不同長(zhǎng)度襯砌渠道的輸水效率預(yù)期值為95%。

1.3 滲流損失(S)

滲漏受各種因素的影響，如水深、渠道襯砌質(zhì)量、渠道尺寸、河床坡度、泥沙量、渠道年齡、流量、流速以及渠道實(shí)施和運(yùn)營(yíng)的質(zhì)量。圖2為渠道使用時(shí)間會(huì)影響滲流損失量。據(jù)觀察，在渠道建設(shè)完成14年里，膨潤(rùn)土襯砌的滲漏率增加了12 000倍 以上。這是輸水渠道使用適當(dāng)襯砌的決定性因素。同樣，隨著時(shí)間的推移，混凝土渠道會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，滲流損失量也會(huì)增加。

圖2 滲漏率隨著時(shí)間推移的變化

低流速是增加滲流損失的最有效因素之一。灌溉渠中防止水流沉淀的最小允許流速為0.6～0.9 m/s。為了克服渠道中水生植物和苔蘚的生長(zhǎng)，建議最小流速大于0.75 m/s。方程式(2)用于確定滲流損失量。

(2)

式中：S為滲流損失量，(m3/m2)/d；Δq為渠道河段的輸入和輸出之差，l/s；P為濕潤(rùn)周長(zhǎng)，m；L為渠道河段長(zhǎng)度，m。

用于測(cè)量灌溉渠流量的常見(jiàn)方法是采用水槽、文丘里流量計(jì)、孔板和堰等簡(jiǎn)單工具測(cè)量，其精度取決于使用方法和環(huán)境條件。在本研究中，使用超聲波流量計(jì)來(lái)提高測(cè)量精度，該裝置由超聲波測(cè)速探頭和測(cè)量水深的壓力變送器組成。傳感器位于水渠底部，與水流方向相反。

盡管干渠會(huì)出現(xiàn)非恒定流(三級(jí)灌溉渠道中則較少)，但大多數(shù)運(yùn)行周期都是在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行的。本文在恒定流條件下測(cè)量了渠道河段起始和結(jié)束處的流速。流量計(jì)每2.5 s報(bào)告一次深度和流速。因此，在數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程中，可以檢測(cè)到由于閘門或其他非穩(wěn)態(tài)來(lái)源而導(dǎo)致的水位變化。

2 結(jié)果與討論

結(jié)果匯總見(jiàn)表2。本表第2列為選定河段長(zhǎng)度。第3列為每個(gè)河段的平均流速。第4列為每個(gè)河段的平均濕周。第5列為滲流面，本文將滲流面定義為渠道襯砌與水直接接觸的面積，即用第4列乘以第2列得出。第6列為與選定河段相關(guān)的輸入和輸出流量，由超聲波流量計(jì)測(cè)得。第7列為使用式(2)計(jì)算的滲流損失量。第8列為使用式(1)計(jì)算的輸水效率值。第9列為每公里水損失百分比，干渠、二級(jí)渠道、三級(jí)渠道滲流損失平均值分別為1.22(m3/m2)/d、1.18(m3/m2)/d、0.63(m3/m2)/d。

表2 各級(jí)渠道輸水效率和滲流損失測(cè)定

由表2可知，在平均長(zhǎng)度為1823 m的干渠中平均輸水效率為91.1%，在平均長(zhǎng)度為925 m的二級(jí)渠道中平均輸水效率為92.1%，在平均長(zhǎng)度為869 m的三級(jí)渠道中平均輸水效率為91.8%。通過(guò)統(tǒng)一河段長(zhǎng)度條件，確定干渠、二級(jí)渠道、三級(jí)渠道每公里的輸水效率分別為95.0%、91.5%和89.3%。盡管干渠的滲流面最大，但與二級(jí)和三級(jí)渠道相比，其相對(duì)損失(相對(duì)于總流量)較小。相比之下，三級(jí)渠道的相對(duì)損失最高。這表明在三塘河灌區(qū)灌溉方案中，與二級(jí)渠道相比，干渠的性能更好，而二級(jí)渠道的性能優(yōu)于三級(jí)渠道。

評(píng)估結(jié)果表明，三級(jí)渠道的水損失在0.27～1.50(m3/m2)/d之間變化。這種差異是由于渠道襯砌的破壞、渠道接縫處水的滲透以及渠道內(nèi)雜草生長(zhǎng)造成的。一般來(lái)說(shuō)，植物的生長(zhǎng)以3種方式造成水損失：(1)用于植物生長(zhǎng)。(2)植物根部會(huì)破壞混凝土，造成其抗水滲透性降低。(3)植物堵塞了渠道路徑并降低了流速。在這種情況下，有效滲流面增加，滲流量也增加。在該方案中，二級(jí)渠道的平均滲流損失量為1.18(m3/m2)/d。運(yùn)營(yíng)操作不當(dāng)會(huì)對(duì)渠道的某些區(qū)域造成嚴(yán)重破壞，形成大量接縫和縫隙，大小裂縫的發(fā)展為水進(jìn)入下層混凝土提供了條件。

圖3為評(píng)估渠道中流速和濕周之間的關(guān)系。流速和濕周之間的最大差值出現(xiàn)在二級(jí)渠道。這些渠道的地形條件(圖1)導(dǎo)致渠道河床坡度和流速降低，泥沙淤積增加。根據(jù)連續(xù)性方程和經(jīng)驗(yàn)公式估算滲漏，隨著速度的降低，滲流面和滲漏增加。

圖3 各級(jí)渠道測(cè)點(diǎn)處的平均流速與濕周

圖4為各級(jí)渠道輸入量、濕潤(rùn)周長(zhǎng)與水損失關(guān)系，從圖中可知干渠的滲流損失量最高，平均值為1.22(m3/m2)/d。圖5為渠道每公里的滲流面與平均滲流損失量之間的關(guān)系。由表2和圖5分析可得：

圖4 渠道輸水量和濕潤(rùn)周長(zhǎng)與水損失之間的關(guān)系

圖5 滲流面與干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道平均滲流損失量的關(guān)系

(1)就每公里渠道輸水效率，干渠滲流面高于二級(jí)渠道，二級(jí)渠道滲流面大于三級(jí)渠道。

(2)對(duì)于公里的輸水渠道表面，干渠的平均滲流損失量大于二級(jí)渠道，二級(jí)渠道的平均滲流損失量大于三級(jí)渠道。

(3)將每公里河段的干渠和二級(jí)渠道滲流面進(jìn)行比較，流量減少50%以上，滲流面僅減少12%。

(4)將每公里河段的干渠和三級(jí)渠道滲流面進(jìn)行比較，從干渠到三級(jí)渠道減少90%以上的流量，滲流面僅減少36%。

干渠和三級(jí)渠道的進(jìn)出流、滲流面比較表明，流量減少率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滲流面減少率。其原因與渠道的幾何特征有關(guān)。在梯形渠道內(nèi)發(fā)生流量增減時(shí)，滲流面不一定隨流量變化而變化。相比之下，在三級(jí)渠道中，式(2)中的分子和分母均比干渠小。然而，分母的減少要高得多，因此，三級(jí)渠道中的分?jǐn)?shù)總量增加。為了研究通過(guò)流量對(duì)滲流損失的影響，引入了Sr作為無(wú)量綱參數(shù),如式(3)：

(3)

式中：Sr為規(guī)定時(shí)間內(nèi)滲流損失量與過(guò)流體積及滲流面的比值；VS為同時(shí)來(lái)自渠道和滲流面的滲流損失量，m3；TF為在同一時(shí)間通過(guò)同一渠道的總流量,m3。干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道每平方米滲流面的Sr平均值分別為1.51×10-3，2.87×10-3和8.4×10-3。圖6為各級(jí)渠道每公里的輸水效率與Sr值之間的變化。

圖6 輸送效率與Sr參數(shù)的變化

由圖可知，與干渠和二級(jí)渠道相比，三級(jí)渠道輸水效率低的主要原因?yàn)闇y(cè)量長(zhǎng)度。當(dāng)輸入流量恒定，渠道長(zhǎng)度改變，輸出流量和輸水效率也會(huì)改變。因此，有必要在輸水效率報(bào)告中提及河段長(zhǎng)度。此外，灌溉渠輸水效率報(bào)告中還需考慮渠道的物理?xiàng)l件和運(yùn)行條件。

防止水生植物生長(zhǎng)的最小允許速度為0.75 m/s，防止渠道淤積的最小允許速度為0.60～0.90 m/s。根據(jù)表2，二級(jí)和三級(jí)渠道的平均流速為0.50 m/s，這可能會(huì)導(dǎo)致沉積。二級(jí)渠道中流速的降低導(dǎo)致滲流增加，三級(jí)渠道長(zhǎng)度長(zhǎng)、水量小、渠道扭曲等因素是造成水損增加的主要原因。本研究表明，滲流經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，尤其是在三級(jí)渠道中。

3 結(jié) 論

為更精確地研究渠道中的輸水情況和水損失，本文通過(guò)使用超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和分析了三級(jí)灌溉渠道的滲流和輸水效率。結(jié)果表明：

(1)每公里河段內(nèi)干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道的輸水效率分別為95.0%、91.5%和89.3%。

(2)對(duì)于干渠、二級(jí)渠道和三級(jí)渠道，每單位面積滲流面的滲流損失量分別為1.22(m3/m2)/d、1.18(m3/m2)/d和0.63(m3/m2)/d。干渠的性能優(yōu)于二級(jí)和三級(jí)渠道。

(3)在一定長(zhǎng)度上，干渠的輸水效率較高，但與二級(jí)和三級(jí)渠道相比，其絕對(duì)損失最大。因此，干渠的適當(dāng)維護(hù)將改善方案的整體性能，其損壞將導(dǎo)致更多水量損失。

(4)影響干渠滲流和輸水效率的主要因素為襯砌質(zhì)量和建筑材料的損壞等；影響二級(jí)和三級(jí)渠道滲流和輸水效率的因素主要是操作不當(dāng)。因此應(yīng)強(qiáng)化農(nóng)民在渠道運(yùn)營(yíng)和管理中的教育和參與度，提高渠道預(yù)防性維修也更具成本效益。