復式斷面渠道渠系水利用系數測算方法研究

閻 爍，王立權*，李鐵男，秦龍飛

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

0 引 言

【重要意義】農業水價綜合改革以來，灌區水權確權工作的基礎是農業灌溉水量測算，而渠系水利用系數則是灌溉水量測定的重要指標。【研究進展】目前渠系水有效利用系數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確度差強人意，不適用于大、中型灌區或者采用復式斷面渠道襯砌的灌區[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，并不適用于復式斷面渠道。【切入點】本文采用的動水測定法適用于滲漏損失差異較大的復式斷面渠道[5-7],以不同襯砌方式組1成的復式斷面渠道為目標，測定各渠道相關水力要素。測算時采用的渠道滲漏公式多以考斯加科夫渠道滲漏經驗公式法[8-9]，該方法主要考慮渠床土質、流量等易獲取要素，但是對于同一灌區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果[10-11]。【擬解決的關鍵問題】本文采用2種改進后的經驗公式，以河南省平頂山市魯山縣澎河水庫灌區為研究區域，探究更加精確的采用復式斷面渠道灌區的渠系水利用系數測算方法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

澎河水庫灌區位于平頂山市西部。屬典型的大陸性季風氣候。澎河水庫灌區用水取自于澎河水庫，經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。

灌區興建以來，為當地工農業發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水改造，絕大部分渠道為土渠，滲漏嚴重，只有零星支渠曾利用小農水資金治理過。末級渠系及田間工程配套率也很低，不能滿足設計要求及實際需要。2017年灌區實施灌區節水配套改造項目，渠系工程得以修復、加固。該項目區水資源可利用量為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渠道水力要素，按照渠道襯砌條件劃分了8個測量區間，利用流速儀水流速計 LS1206B測定分別測算了各測量區間的流量、水位以及流速。考慮到要有適當的水深條件、足夠的渠道長度和測試時間,保證在多次連續測試中水流基本穩定,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數得測速歷時宜定為60~100 s，本次測算定為60 s。

1.3 研究方法

本研究針對復式斷面渠道的渠系工程渠系水利用系數測算，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。

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、水深的正相關關系和與流速的負相關關系[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，因此在渠道水利用系數測算中得到廣泛應用。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驗公式：

式中：K為土壤透水性系數；Qd為渠道凈流量（m3/s）；M為土壤透水性指數；考斯加科夫渠道滲漏經驗公式可以表達土質渠道的輸水損失，由于灌區灌溉不考慮地下水對渠道的頂托作用，根據《灌溉與排水工程設計規范》（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。

2 結果與分析

2.1 實測數據

根據澎河灌區現有的渠系資料，結合現場勘測結果，灌區共有引水干渠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，采用現澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度10 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設壓頂，寬20 cm；（樁號4+745～6+100）段為矩形斷面，設計寬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，采用現澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度l0 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設壓頂，寬20 cm；（樁號2+160～3+630）段為梯形斷面，采用現澆C20混凝土全斷面襯砌，厚度l0 cm，襯砌高1.3 m，坡頂設壓頂，寬20 cm。

表1 實測水力要素結果Table1 Measured hydraulic factor results

東干渠（樁號0+000～3+660）段為梯形斷面，采用現澆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。

依據灌區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干渠段水利設施復雜，其各復雜段位置的渠底寬、正常流速、比降均采用加權平均求得。渠系劃分各渠道如表2所示。

表2 復式斷面渠道劃分Table 2 Complex section channel division

全灌區土壤大部分為沙壤土、沙土、黏土等。沙土面積約467 hm2，主要分布在灌區下游沙河南岸近區，這類土壤有機質量 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，主要分布在灌區的中、上游，這種土壤pH值6.7～7.6，有機質量2.0%左右，速效磷7.4 ppm，該土壤因土層淺(1.0～1.5 m），結構散，孔隙大，所以水分易蒸發，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；沙壤土分布在灌區中下游，其pH值在 6.5～7.9之間，有機質量 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，是灌區主要產糧區。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測算結果

1）戴維斯－威爾遜公式

現場實測數據如表3所示，由經驗值C1取0.1，代入戴維斯－威爾遜經驗公式[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驗公式[15]

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288—99）取沙壤土土壤透水性系數K=3.4，M=0.5；黏土土壤透水性系數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取0.15，結果如表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進行加權平均的計算值，計算方法同式（4）。

渠系水利用系數為0.75。由結果可知，渠道為標準梯形斷面時，渠道水利用系數最大，當渠段為矩形斷面時，渠道水利用系數較小，造成經濟、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η實際=0.86，對比結果可知，采用戴維斯－威爾遜經驗公式在推算不同襯砌形式下灌區渠道渠系水利用系數更加合理。

3 討 論

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

渠系水利用系數的測算受到多因素的影響，大致分為二類影響因素。①關于渠道相關水力要素的測算，本文采用的動水測定法測量渠道水力要素，其適用于復雜渠道襯砌條件、不區分渠道滲漏差異以及不停水測量等特點，基本符合復式斷面襯砌渠道的特點，這與榮豐濤[6]、秦海等[7]關于動水測定法的適用特征一致；②渠系水利用系數最后分別采用戴維斯－威爾遜公式、考斯加科夫渠道滲漏經驗公式進行推求，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驗公式測算方法對比發現，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，這一結果與肖雪等[9]研究結果一致。最終結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式斷面渠道襯砌的渠系工程。

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

4 結 論

1）動水測定法更適于測定復式斷面渠系工程的渠道水力要素。

2）采用標準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）對比分析結果后，發現戴維斯－威爾遜公式更適用于復式斷面渠系工程的渠系水利用系數測算。

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