渠道不同砌护率的渠系水利用系数分析研究

　　摘要：宁夏引黄灌区水资源较紧缺，提高渠系水利用系数，使有限的水资源发挥最大的效益，具有十分重要的意义。本文通过对渠道输水损失量计算方法的探究，以引黄灌区唐徕渠系为研究对象，对其渠系的三级渠道：干渠、支（斗）渠、农渠分别进行了现状及不同砌护率时的渠道水利用系数的分析，得出现状及不同砌护率的渠系水利用系数，为我区节水改造建设项目提供参考资料。
　　关键词：渠道输水损失量；砌护率；渠系水利用系数
　　在进行渠道不同砌护率分析时，首先分析渠道输水损失量和渠系水利用系数。而渠道的输水损失量和渠系水利用系数又与干、支、斗、农各级渠道紧密相关。
　　灌溉水利用系数指在一次灌水期间被农作物利用的净水量与水源渠首处总引进水量的比值。灌溉水从水源引入到田间作物吸收利用，在这个过程中的水量损失，可分解成渠系输水损失和田间灌水损失两部分。相应的灌溉水利用系数可分解为渠系水利用系数和田间水利用系数两部分。
　　渠系水利用系数反映了从渠首到末级渠道的各级输、配水渠道的输水损失，表示了整个渠系水的利用率，其值等于各级渠道水利用系数的乘积。渠系水利用系数的计算主要取决于各级渠道水的利用系数的计算。渠道水利用系数等于该渠道同时期放入下一级渠道的流量(水量)之和与该级渠道首端进入的流量(水量)的比值。
　　对于宁夏引黄灌区，大部分渠系实际上只有三级渠道，即干渠、支（斗）渠、农渠，支渠数量少，规模较小，大部分斗渠从干渠直接开口。因此，对渠系水利用系数的分析计算，采用支斗渠合并计算，即渠系水利用系数等于干、支斗、农三级渠道水利用系数的乘积。即ηs=η干η支斗η农。
　　1、输水损失量的计算方法
　　渠道输水损失计算时，有两种计算方法。
　　①对计算渠道进行分段，根据渠段的流量，按考斯加可夫输水损失经验公式计算渠段的单位长度输水损失量，再用单位长度输水损失量与渠道长度相乘，得到渠段的输水损失量。即：
　　S渠段=(A/100)Q1m•L（1-1）
　　②当计算渠段长度较长时，这种方法计算的输水损失量偏大。因为渠道流量沿渠道流程逐渐减小，其输水损失量沿流程也将逐渐减小，而不是一个定值。因此,渠段的输水损失流量应该按下式计算:
　　S渠段=Q1[1-（1-δ）L]（1-2）
　　经对比分析，干渠砌护段渠段流量为5m3/s，长度为20km时，两种方法计算的结果相差4.5%；渠段流量为50m3/s、长度为20km时，结果相差1.5%左右。干渠未砌护段渠段流量为5m3/s、长度为20km时，两种方法计算的结果相差12.5%；渠段流量为50m3/s、长度为20km时，结果相差4.3%左右。如果渠道较长，则计算的渠道输水损失量计算结果相差大。故在计算时应尽量划小渠段长度,砌护渠道可控制在20km以内,未砌护渠道可控制在10～15km以内。
　　支斗渠流量为1m3/s、长度为5km时，砌护渠道与未砌护渠道两种方法计算的结果分别相差3.0%、7.5%。渠段流量为5m3/s、长度为5km时，砌护渠道与未砌护渠道两种方法计算的结果分别相差1.4%、3.6%。在计算时砌护渠道可控制在5km以内,未砌护渠道可控制在2km以内，流量较大的渠道可适当长一些。
　　2、渠道水利用系数
　　2.1渠道输水损失量计算
　　(1)计算依据
　　根据现状渠道引水量、各管理所交水断面的进口水量、支斗口年引水量、渠道长度、砌护长度，分别以各断面水量与渠道行水时间计算断面流量及净流量。其中，干渠行水天数按一般年份取178天，支渠依据实际引水量与渠道断面设计流量计算，考虑支、斗、农渠属间歇性行水，放水初期渗漏量大，计算时，行水天数适当加大10～15天。较大支渠为80天左右，斗渠40天，农渠20～30天。
　　考虑渠道砌护后流速增大，断面过水能力增大，根据实测资料分析，渠道砌护后断面流速增大12%～20%。对于同一条渠道，在田间灌溉需水量不变的条件下，断面流量大，渠道行水时间缩短。对于干渠，由于灌溉面积大，作物轮灌周期长等原因，行水时间基本保持不变。但支斗渠及农渠的渠道行水时间缩短，计算时按15%考虑。
　　(2)计算方法
　　①统计渠道测水断面引水量；
　　②根据各管理所交水断面的年引水量，计算断面平均流量，计算公式：Q=W÷T÷86400；
　　③对各条渠道按照渠道断面条件、土壤类型、渠道属挖填方情况、地下水位、砌护等条件进行分段，并计算各渠段的长度；
　　④各渠段的区间平均流量，按渠段上下断面的平均流量计算；
　　⑤未砌护输水损失量：以该渠段长度，按渠道未砌护条件下渠道土壤条件、挖填方、地下水位条件选取输水损失经验公式中的参数，按经验公式计算渠段输水损失流量，再按行水天数换算为年输水损失水量；
　　⑥砌护损失量：以砌护渠段的长度按渠道砌护条件下，渠道土壤条件、挖填方、地下水位、砌护断面材料类型、完好程度等条件选取砌护渠道的经验公式参数，按经验公式计算损失流量，再换算为年输水损失水量；
　　⑦现状砌护减少损失量：根据砌护现状条件下，各渠段砌护长度分别按未砌护和砌护的输水损失计算公式计算出损失量，二者之差即为现状减少损失量；
　　⑧砌护可减少损失量：根据各渠段规划砌护长度分别按未砌护和砌护的输水损失计算公式计算出损失量，二者之差即为砌护可减少的损失量。
　　(3)不同砌护率减少损失量
　　由于渠道流量从上到下逐渐减少，每增加单位砌护长度所减少的损失量不同。相同的砌护率、相同的砌护长度，砌护在渠道上段与在渠道下段所减少的损失量差别很大。砌护上段减少的损失量远大于砌护下段减少的损失量。
　　本次计算采取平均概化的方法，将干渠按照渠道分段并考虑其土壤、挖填方、砌护型式等条件进行分段计算，以渠道总长度上减少的总损失量进行平均概化计算，得到砌护单位长度减少的输水损失量。以砌护单位长度减少的损失量乘以不同砌护率砌护长度得到相应砌护率条件下减少的输水损失量。
　　按照渠道上各管理所的交水断面的流量大小及砌护状况进行分段，按砌护与未砌护渠道的输水损失经验公式分别计算砌护和未砌护渠段的单位长度输水损失流量S。渠段损失水量及渠道水利用系数用下式计算：
　　=8.64ST
　　式中：S——渠段单位长度损失流量,m3/s;
　　——渠段损失水量,万m3；
　　T——渠道的年行水时间,取178天;
　　——渠首引水量,万m3；
　　  Σ——干渠计算渠段输水损失量之和,万m3；
　　 ——干渠现状渠道水利用系数；
　　支、斗、农渠计算方法与干渠相同，不再详述。
　　2.2渠道水利用系数
　　根据宁夏水文水资源勘测局试验得到的经验公式，考虑不同渠段的土壤质地、挖填状况、砌护状况等因素，适合不同渠段的输水损失经验公式，见下表1。
　　表1不同渠段的输水损失流量计算公式
　　
　　  
　　主要特征 损失量经验公式
　　 未砌护 砌护
　　填方轻壤土 S=(0.030～0.0325）Q0.52 S=(0.001～0.011）Q0.5
　　半挖半填轻壤土 S=0.026Q0.52 S=0.008Q0.5
　　挖方轻壤土 S=0.0195Q0.52 S=0.0060Q0.5
　　挖方中壤土 S=0.0143Q0.52 S=0.0044Q0.5
　　半挖半填中壤土 S=0.019Q0.52 S=0.0059Q0.5
　　填方中壤土 S=0.0238Q0.52 S=0.0073Q0.5
　　
　　以唐徕渠渠系为例，根据干渠上各交水点测流断面的引水量资料，按不同渠段的土壤质地、断面条件选取渠道输水损失量计算的经验公式参数，分段计算现状砌护率条件下（干渠、支干渠现状砌护率为18%）的渠道输水损失流量、损失水量。主干渠水利用系数为0.82，支干渠水利用系数为0.75～0.86，由干渠、支干渠的总输水损失水量与干渠总引水量，得到干渠水利用系数为0.74。
　　根据渠系内支斗渠的数量，按渠道设计流量进行分类，统计不同流量的渠道长度、砌护长度、渠道引水量，按试验得到的经验公式计算渠道输水损失量和渠道水利用系数，计算得到支斗渠水利用系数为0.73。
　　农渠现状基本无砌护，不同流量的农渠渠道引水量、损失量、渠道水利用系数计算，农渠渠道水利用系数为0.87。
　　根据以上计算的干、支斗、农渠的渠道的水利用系数结果，渠系水利用系数用下式计算：
　　ηs=η干η支斗η农
　　经计算，唐徕渠现状渠系水利用系数ηs=0.47。
　　3、渠系水利用系数的预测
　　(1)根据各级渠道在不同砌护率情况下渠道水利用系数，不同砌护率的渠系水利用系数计算结果下表2。
　　由此结果可以得到，渠系内干、支、斗农渠全部砌护后，渠系水利用系数可以达到0.72。
　　表2不同砌护率渠道水利用系数表
　　砌护率(%) 渠道水利用系数 渠系
　　水利用系数
　　 干渠 支、斗渠 农渠 
　　现状 0.74 0.73 0.87 0.47
　　30 0.74 0.74 0.89 0.49
　　40 0.76 0.75 0.90 0.51
　　50 0.79 0.77 0.90 0.55
　　60 0.82 0.78 0.91 0.58
　　70 0.84 0.79 0.91 0.60
　　80 0.87 0.80 0.92 0.64
　　90 0.90 0.82 0.93 0.69
　　100 0.93 0.83 0.93 0.72
　　(2)根据现状砌护率，计算干渠、支斗渠不同砌护率组合情况下的渠系水利用系数。当干渠砌护率达到40%、支斗渠达到60%、农渠达到30%时，渠系水利用系数达到0.53。当干渠砌护率达到70%、支斗渠达到90%、农渠达到60%时，渠系水利用系数达到0.63。见表3。
　　表3不同砌护率组合的渠道水利用系数
　　干渠 支、斗渠 农渠 渠系
　　水利用系数
　　砌护率(%) 利用系数 砌护率(%) 利用系数 砌护率(%) 利用系数 
　　现状 0.74 现状 0.73 现状 0.87 0.47
　　20 0.74 40 0.75 10 0.88 0.49
　　30 0.74 50 0.77 20 0.89 0.51
　　40 0.76 60 0.78 30 0.9 0.53
　　50 0.79 70 0.79 40 0.9 0.56
　　60 0.82 80 0.8 50 0.91 0.60
　　70 0.84 90 0.82 60 0.91 0.63
　　80 0.87 100 0.83 70 0.92 0.66
　　
　　参考文献：
　　[1]水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程实用手册[M].北京：中国水利水电出版社，2005，8.
　　[2]中华人民共和国国家标准《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）
　　[3]中华人民共和国国家标准《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363—2006）

《渠道不同砌护率的渠系水利用系数分析研究》

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