遼寧省大型灌區(qū)渠系水綜合利用系數(shù)復(fù)核及節(jié)水潛力評(píng)估研究

張志斌

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 遼寧省大型灌區(qū)概況

水利灌區(qū)建設(shè)對(duì)于地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的地位和意義[1]。遼寧省現(xiàn)有設(shè)計(jì)灌溉面積高于30萬(wàn)畝的灌區(qū)有11個(gè)，設(shè)計(jì)總灌溉面積及總有效面積分別為598.9萬(wàn)畝和486萬(wàn)畝，占遼寧省灌溉有效總面積的比例為21.5%，各灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積和有效灌溉面積見(jiàn)表1。各灌區(qū)主要分布在中部平原，其次為東北部，覆蓋的總?cè)丝诤娃r(nóng)村人口分別為286萬(wàn)人和229萬(wàn)人[2]。灌區(qū)主要農(nóng)作物為水稻，占全省總種植水稻面積的比例超過(guò)50%；是遼寧省重要的瓜果及蔬菜基地，對(duì)全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的支撐作用。各大型灌區(qū)主要修建年代為20世紀(jì)60年代和70年代，灌區(qū)渠首老化較為嚴(yán)重，渠首老化比占總渠首總數(shù)的比例高達(dá)59%[4]。渠系水利用系數(shù)的測(cè)試是推動(dòng)灌區(qū)節(jié)水及水資源高效利用的重要途徑和措施，近些年來(lái)，對(duì)于灌區(qū)渠系水利用系數(shù)的測(cè)算取得一定的成果[5-13]，各成果均表明，渠系水利用系數(shù)的測(cè)試是評(píng)估灌區(qū)節(jié)水潛力的重要方式。為此，文章采用流量平衡方法對(duì)遼寧省11個(gè)設(shè)計(jì)灌溉面積高于30萬(wàn)畝的大型灌區(qū)渠系水綜合利用系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，并對(duì)不同襯砌方案的節(jié)水潛力進(jìn)行評(píng)估。

表1 遼寧省大型灌區(qū)特征表 單位：萬(wàn)畝

2 復(fù)核方法

2.1 灌區(qū)滲漏量復(fù)核

采用現(xiàn)場(chǎng)流量復(fù)核方式對(duì)各大型灌區(qū)渠系水利用系數(shù)進(jìn)行復(fù)核，首先對(duì)各灌區(qū)不同土壤質(zhì)地給水度進(jìn)行分析，從而確定不同渠道的田間滲漏量，結(jié)果見(jiàn)表2—3。

表2 遼寧省大型灌區(qū)不同埋深下的給水度分析結(jié)果

表3 遼寧省大型灌區(qū)不同埋深下的滲漏量分析結(jié)果

2.2 典型渠道的渠系水利用系數(shù)復(fù)核方法

(1)典型渠段的選擇要求

選取具有代表性、流量較為穩(wěn)定且沒(méi)有區(qū)間匯入的渠段，在同一渠段對(duì)上下兩個(gè)斷面進(jìn)行流量測(cè)試，兩個(gè)斷面的流量差即為水量損失值。典型渠段長(zhǎng)度應(yīng)該滿足以下條件：

①過(guò)水流量小于1m3/s時(shí)選取的渠道長(zhǎng)度不低于1km；

②過(guò)水流量為1～10m3/s時(shí)選取的渠道長(zhǎng)度不低于3km；

③過(guò)水流量為10～30m3/s時(shí)選取的渠道長(zhǎng)度不低于5km；

④過(guò)水流量大于30m3/s時(shí)選取的渠道長(zhǎng)度不低于10km。

(2)測(cè)定斷面布設(shè)原則

本次采用動(dòng)水測(cè)定方式對(duì)選取渠道進(jìn)行流量測(cè)定，斷面布設(shè)需滿足的條件為：

①各測(cè)點(diǎn)流速在測(cè)流斷面內(nèi)不能超過(guò)流速儀測(cè)定范圍；

②采用一點(diǎn)法測(cè)速時(shí)水深不能低于必要的測(cè)定深度；

③平穩(wěn)渠道水位落差不能高于水深平均值的2%；

④測(cè)流渠段順直，比降較為一致且水流流態(tài)較均勻；

⑤測(cè)流斷面盡量與水流縱向保持一致，盡可能選擇在橋上進(jìn)行流速測(cè)驗(yàn)；

⑥測(cè)流斷面受上游水庫(kù)、閘壩方式影響較小，附近無(wú)對(duì)流速測(cè)定有影響的水工建筑物。

(3)測(cè)流垂線布設(shè)原則

①測(cè)驗(yàn)斷面上測(cè)深和測(cè)速垂線數(shù)目及位置滿足渠段過(guò)水?dāng)嗝娴脑O(shè)計(jì)要求。

②任意兩條測(cè)深垂線之間的距離在標(biāo)準(zhǔn)渠道內(nèi)不能高于渠段寬度的1/5，在不規(guī)則渠段內(nèi)其測(cè)深垂線之間的距離不能高于渠段寬度的1/20。測(cè)深垂線要均勻分布在水流變化較為平穩(wěn)的回流區(qū)域。

③渠道水流波動(dòng)較為復(fù)雜或擺動(dòng)較為明顯時(shí)應(yīng)加密布設(shè)垂線，主渠道應(yīng)布設(shè)較多的測(cè)深垂線，布設(shè)垂線較少時(shí)盡量避開(kāi)水流不平穩(wěn)的回流區(qū)。

④在渠道較為規(guī)則的斷面，盡量將測(cè)深和測(cè)速垂線進(jìn)行合并布設(shè)。

⑤不等間距布設(shè)測(cè)流垂線時(shí)，應(yīng)該將測(cè)流斷面均勻布設(shè)且與水流方向垂直。

⑥垂線布設(shè)時(shí)應(yīng)固定主要標(biāo)志，事先對(duì)間距及水邊寬度進(jìn)行測(cè)量，不同測(cè)流垂線之間誤差允許值為±0.01m。不同干渠、分支垂線布設(shè)的原則見(jiàn)表4。

表4 不同水面寬度下各類別渠道的測(cè)流垂線布設(shè)要求

(4)渠系利用系數(shù)計(jì)算方法

渠道尾部和首部流量比值即為渠系水利用系數(shù)，其計(jì)算方程為

(1)

式中，η道i—渠系水利用系數(shù)；Q尾i、Q首i—渠道尾部和首部測(cè)定的流量，m3/s。不同流量在同一個(gè)渠道的水利用系數(shù)有所差異，因此采用流量加權(quán)平均方法進(jìn)行綜合分析，其計(jì)算方程為

(2)

δ典段=W損失/W首

(3)

式中，δ典段—典型渠道輸水損失率，%；W損失—測(cè)定時(shí)段內(nèi)水量損失，萬(wàn)m3；W首—渠道上游來(lái)水量，萬(wàn)m3。

3 遼寧省大型灌區(qū)渠系利用系數(shù)復(fù)核結(jié)果

3.1 流量測(cè)定結(jié)果

分別對(duì)11個(gè)大型灌區(qū)總干渠、分支干渠、分支斗渠進(jìn)行流量測(cè)定，并對(duì)不同防滲形式下的滲漏量和蒸發(fā)損失進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 遼寧省大型灌區(qū)不同渠支流量及水量損失分析結(jié)果

(續(xù)表)

相比于總干渠，分支支渠和分支斗渠水量利用率更低，蒸發(fā)量主要依據(jù)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)，采用P-M公式進(jìn)行計(jì)算，總干渠、分干支渠、分支斗渠蒸發(fā)量變化差異性較小，不是各灌區(qū)水量損失的主要因素。遼寧中部渾沙、渾蒲及大洼灌區(qū)流量相對(duì)較大，是平原區(qū)農(nóng)業(yè)主要灌溉水源。從渠道滲漏損失量可看出，混凝土襯砌方式下的滲漏損失最小，其次為磚襯砌方式的滲漏量，無(wú)襯砌方式下的渠道滲漏量最大。分支斗渠、分干支渠無(wú)襯砌方式的下滲漏明顯高于總干渠。

3.2 灌區(qū)渠系綜合利用系數(shù)復(fù)核結(jié)果

對(duì)各灌區(qū)渠系綜合利用系數(shù)及灌溉效率進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 各大型灌區(qū)渠系利用系數(shù)及灌溉利用系數(shù)綜合復(fù)核結(jié)果

各大型灌區(qū)復(fù)核后渠系利用系數(shù)為0.48～0.64，相比于復(fù)核前，平均減少0.15，這主要是因?yàn)楦鞴鄥^(qū)的渠道滲漏和蒸發(fā)損失的加大，使得渠系水綜合利用系數(shù)明顯減少，復(fù)核前各灌區(qū)的渠系利用系數(shù)為0.51～0.68，高值主要分布在渾河、遼河水系，也是水稻重要的補(bǔ)給水源。相比于復(fù)核前，灌溉利用率也有所減少，這主要是因?yàn)檠爻糖倒喔人畵p失加大，使得其灌溉利用率減少。渾沙、渾蒲兩個(gè)大型灌區(qū)的灌溉利用系數(shù)相比于復(fù)核前有較為明顯的減少，通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)灌區(qū)沿程分布有不少取水口，使得其水量損失進(jìn)一步加大，而灌溉利用系數(shù)主要通過(guò)渠首、渠尾水量的綜合分析，因此相比于其他灌區(qū)，這兩個(gè)灌區(qū)灌溉利用系數(shù)減少較為明顯。

3.3 同一灌渠不同襯砌方案下的水量損失分析

對(duì)各灌區(qū)同一灌渠不同襯砌方案下水量損失進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各大型灌區(qū)同一灌區(qū)下不同襯砌方案下的水量損失分析結(jié)果

各大型灌區(qū)不同襯砌方案單位長(zhǎng)度損失量有所不同，同一灌區(qū)不同襯砌方案下的單位長(zhǎng)度損失率與灌區(qū)的渠系工程概況、渠系地質(zhì)特征具有較為明顯的相關(guān)性。盤(pán)山灌區(qū)渠道未襯砌的單位長(zhǎng)度損失率最大，達(dá)到0.0969，這主要是因?yàn)樵摴鄥^(qū)位于遼河下游，屬于平原地區(qū)，地下水位較高，使得盤(pán)山渠道未襯砌單位長(zhǎng)度損失率較高。而在各灌區(qū)中莊河灌區(qū)渠道未襯砌單位長(zhǎng)度損失率最低，通過(guò)實(shí)地調(diào)查分析，莊河灌區(qū)渠道襯砌比較高，未襯砌渠段較少，因此其單位長(zhǎng)度損失率較低。襯砌較未襯砌損失比例總體為0.444～0.897，北部開(kāi)原灌區(qū)襯砌較未襯砌損失比例最大。

3.4 各灌區(qū)不同渠系各襯砌方案下的水量損失分析

考慮到不同渠系各襯砌方案下的水量損失有所差異，為對(duì)其節(jié)水潛力進(jìn)行有效評(píng)估，對(duì)各大型灌區(qū)不同渠系各襯砌方案下的水量損失進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 各大型灌區(qū)不同渠系各襯砌方案下的水量損失分析結(jié)果

11個(gè)大型灌區(qū)總渠和分渠在不同襯砌方案下的水量損失有較為明顯的變化規(guī)律，分干支渠和分支斗渠的損失率均要高于總渠，襯砌方式下分干支渠和分支斗渠的損失率相比于未襯砌方式下的平均減少5.6%，大型灌區(qū)分渠的節(jié)水潛力要高于總渠，在投資資金較為充足的條件下對(duì)分渠進(jìn)行襯砌改造的節(jié)水效果要好于總渠。經(jīng)過(guò)襯砌改造措施，各灌區(qū)節(jié)水量均值可達(dá)到86.45萬(wàn)m3。

(續(xù)表)

4 主要結(jié)論

(1)需加大對(duì)大型灌區(qū)分渠的“十四五”節(jié)水規(guī)劃力度，提高大型灌區(qū)分渠渠系水綜合利用效率。

(2)在同類渠道下，流量較大的渠道單位長(zhǎng)度損失率相對(duì)較小，其渠系水綜合利用系數(shù)高于流量較小的渠道的單位長(zhǎng)度損失率，而黏土質(zhì)渠道的單位長(zhǎng)度損失率要高于砂壤土質(zhì)的單位長(zhǎng)度損失率。

(3)文章在節(jié)水潛力分析未能考慮渠系級(jí)別對(duì)其損失率的影響，在后期的研究中還需分析不同級(jí)別渠系下流量的損失率。