干渠和三級渠道水損失的現場測量和分析

張贊榮

(江西省上饒市余干縣水利局水利事務服務中心，江西 上饒 334000)

灌溉系統的正常運行取決于各個部件的性能，輸水設施是灌溉系統的主要部分。在我國，超過85%的農田灌溉使用低效的地面灌溉系統。由于施工和運營條件的差異，灌溉渠的浪費量占總輸送水量的30%～50%。

渠道輸水效率受多種因素影響，如裂縫、滲濾、滲漏和物理損壞。葛靜等[1]使用輸入-輸出法測量了河南省陸渾灌區灌溉渠的滲流損失。干渠主要采用土工膜襯砌，而二級和三級渠道為無襯砌。在本研究中，干渠、二級渠道和三級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不到位是造成高水損的主要原因。因此加強渠道的維護和維修，是減少滲流損失的關鍵[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%，無襯砌的渠道為52%[4]。檢查襯砌渠道運行狀態時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。隨著時間的推移，渠道的襯砌可能發生變化，喪失最初的性能。裂縫、雜草生長和不兼容的建筑材料等因素都會導致滲透損失增加[5]。一般來說，確定灌溉渠中的確切滲流損失量既困難又費時。然而，與其他方法(經驗公式和軟件方法)相比，現場實驗和直接測量產生的結果更準確。當灌溉渠施工不當且運行不合理時，輸入-輸出法是估算滲流最合適、最精確的方法。

三塘河灌區灌溉是江西省最大的灌溉系統之一，始建于20世紀50年代初，近年來各灌溉渠存在坍塌、淤堵現象，渠系建筑物老化破損、漏水嚴重，輸水結構性能差導致水分配不當和不公平，降低了輸水效率，使系統運行和維護變得困難。灌區種植面積有所擴大，而供水量卻在減少。因此，有必要改善灌溉管理，提供準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灌溉方案中輸水設施的物理結構和管理結構，并通過現場測量對選定渠道的滲流、輸送效率和襯砌狀態進行調查，以提供合適的解決方案來解決問題并提高水資源生產率。

1 材料和方法

1.1 三塘河灌區灌溉方案

三塘河灌區灌溉面積3890 hm2，其水工結構的使用年限超過30年，灌區通過導流壩以及污水處理廠進行供水。如圖1所示，三塘河灌區灌溉方案的灌溉指揮區約為2000 hm2，由6條二級渠道組成(表1)，干渠AB和BC的長度分別為5 km和6 km。所有干渠、二級渠道和三級渠道都有混凝土襯砌。在超過1500 hm2區域執行數據挖掘過程，使用超聲波流量計記錄70多個選定點(渠道橫截面)的流量參數。干渠、二級渠道和三級渠道中研究河段的平均長度分別為1820 m、925 m和870 m。在數據采集過程中，由于水流濁度、非幾何斷面和渠道中的沉積等因素，無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條二級渠道河段和12條三級渠道河段納入結果分析。

圖1 三塘河灌區灌溉方案圖示

表1 二級渠道特征

1.2 輸水效率(ec)

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

(1)

式中：ec為輸水效率，%;Vd為輸送至配水系統的水量，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的輸入水量，m3。根據糧農組織提供的數據，不同長度襯砌渠道的輸水效率預期值為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、流速以及渠道實施和運營的質量。圖2為渠道使用時間會影響滲流損失量。據觀察，在渠道建設完成14年里，膨潤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襯砌的決定性因素。同樣，隨著時間的推移，混凝土渠道會發生結構變化，滲流損失量也會增加。

圖2 滲漏率隨著時間推移的變化

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，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為濕潤周長，m；L為渠道河段長度，m。

用于測量灌溉渠流量的常見方法是采用水槽、文丘里流量計、孔板和堰等簡單工具測量，其精度取決于使用方法和環境條件。在本研究中，使用超聲波流量計來提高測量精度，該裝置由超聲波測速探頭和測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。

盡管干渠會出現非恒定流(三級灌溉渠道中則較少)，但大多數運行周期都是在穩定狀態下進行的。本文在恒定流條件下測量了渠道河段起始和結束處的流速。流量計每2.5 s報告一次深度和流速。因此，在數據挖掘過程中，可以檢測到由于閘門或其他非穩態來源而導致的水位變化。

2 結果與討論

結果匯總見表2。本表第2列為選定河段長度。第3列為每個河段的平均流速。第4列為每個河段的平均濕周。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的輸入和輸出流量，由超聲波流量計測得。第7列為使用式(2)計算的滲流損失量。第8列為使用式(1)計算的輸水效率值。第9列為每公里水損失百分比，干渠、二級渠道、三級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 各級渠道輸水效率和滲流損失測定

由表2可知，在平均長度為1823 m的干渠中平均輸水效率為91.1%，在平均長度為925 m的二級渠道中平均輸水效率為92.1%，在平均長度為869 m的三級渠道中平均輸水效率為91.8%。通過統一河段長度條件，確定干渠、二級渠道、三級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，但與二級和三級渠道相比，其相對損失(相對于總流量)較小。相比之下，三級渠道的相對損失最高。這表明在三塘河灌區灌溉方案中，與二級渠道相比，干渠的性能更好，而二級渠道的性能優于三級渠道。

評估結果表明，三級渠道的水損失在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雜草生長造成的。一般來說，植物的生長以3種方式造成水損失：(1)用于植物生長。(2)植物根部會破壞混凝土，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，二級渠道的平均滲流損失量為1.18(m3/m2)/d。運營操作不當會對渠道的某些區域造成嚴重破壞，形成大量接縫和縫隙，大小裂縫的發展為水進入下層混凝土提供了條件。

圖3為評估渠道中流速和濕周之間的關系。流速和濕周之間的最大差值出現在二級渠道。這些渠道的地形條件(圖1)導致渠道河床坡度和流速降低，泥沙淤積增加。根據連續性方程和經驗公式估算滲漏，隨著速度的降低，滲流面和滲漏增加。

圖3 各級渠道測點處的平均流速與濕周

圖4為各級渠道輸入量、濕潤周長與水損失關系，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系。由表2和圖5分析可得：

圖4 渠道輸水量和濕潤周長與水損失之間的關系

圖5 滲流面與干渠、二級渠道和三級渠道平均滲流損失量的關系

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

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

(3)將每公里河段的干渠和二級渠道滲流面進行比較，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渠道滲流面進行比較，從干渠到三級渠道減少90%以上的流量，滲流面僅減少36%。

干渠和三級渠道的進出流、滲流面比較表明，流量減少率遠遠高于滲流面減少率。其原因與渠道的幾何特征有關。在梯形渠道內發生流量增減時，滲流面不一定隨流量變化而變化。相比之下，在三級渠道中，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，三級渠道中的分數總量增加。為了研究通過流量對滲流損失的影響，引入了Sr作為無量綱參數,如式(3)：

(3)

式中：Sr為規定時間內滲流損失量與過流體積及滲流面的比值；VS為同時來自渠道和滲流面的滲流損失量，m3；TF為在同一時間通過同一渠道的總流量,m3。干渠、二級渠道和三級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參數的變化

由圖可知，與干渠和二級渠道相比，三級渠道輸水效率低的主要原因為測量長度。當輸入流量恒定，渠道長度改變，輸出流量和輸水效率也會改變。因此，有必要在輸水效率報告中提及河段長度。此外，灌溉渠輸水效率報告中還需考慮渠道的物理條件和運行條件。

防止水生植物生長的最小允許速度為0.75 m/s，防止渠道淤積的最小允許速度為0.60～0.90 m/s。根據表2，二級和三級渠道的平均流速為0.50 m/s，這可能會導致沉積。二級渠道中流速的降低導致滲流增加，三級渠道長度長、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，滲流經驗方程計算結果存在較大誤差，尤其是在三級渠道中。

3 結 論

為更精確地研究渠道中的輸水情況和水損失，本文通過使用超聲波流量計現場測量和分析了三級灌溉渠道的滲流和輸水效率。結果表明：

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

(2)對于干渠、二級渠道和三級渠道，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。干渠的性能優于二級和三級渠道。

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

(4)影響干渠滲流和輸水效率的主要因素為襯砌質量和建筑材料的損壞等；影響二級和三級渠道滲流和輸水效率的因素主要是操作不當。因此應強化農民在渠道運營和管理中的教育和參與度，提高渠道預防性維修也更具成本效益。