干旱区衬砌渠道水利用系数计算分析

张 新

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

干旱区衬砌渠道水利用系数计算分析

张 新

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

该文以库塔干渠东干渠混凝土衬砌渠道5+000～10+475渠段的变水位静水法和流量观测为实据,展示了衬砌渠道水利用系数的计算过程,计算水深介于0.56～1m之间,渠道水利用系数为0.988～0.991之间。实例分析结果表明:随着渠道水深的增加,虽然流量和渗漏强度均增加,但渠道水利用系数随水深呈增加趋势,该实例在水深大于0.7m时,渠道水利用系数变化趋势渐趋平缓。可见,当渠道流量不稳定时,渠道水利用系数宜采用变水位静水法结合流量进行计算。

水资源;衬砌渠道;变水位静水法;渠道水利用系数

《渠道防渗工程技术规范》9.1.1条提出在4种情况下，应进行渠道渗漏测验，其中第3种为“推算渠系(渠道)水利用系数”，同时指出“渠道渗漏损失，宜采用静水法或动水法进行测验”［1］。静水法与动水法相比优缺点各异。荣丰涛等均对此进行了分析与阐述［2-5］，并指出静水法是精确观测现实工程渗漏水平的主要方法。尤其是随着中国灌区节水配套改造工程的发展，渠道衬砌率越来越高，而衬砌渠道的渗漏量较土渠小很多，更不利于动水法试验的实施。为此，国内外诸多渠道渗漏测试中，静水法被广泛应用，如田士豪等均对渠道进行了静水法试验［6-10］。静水法根据渠中水位变化与否，分恒水位法和变水位法。恒水位法通常观测渠道设计水位的渗漏强度，或观测初渗到稳渗的渗漏过程;变水位法通常以分析水位-渗漏强度关系为主。根据渠道横断面设计原理，渠道设计流量由灌水率图及种植结构等因素决定，而修正后的灌水率图一般无法保证大部分灌溉时期的灌水率一致或相近，渠道流量的调整变动不可避免，因此变水位静水法比恒水位法更具适用性。

《渠道防渗工程技术规范》中渗漏强度单位为“单位面积渠道在单位时间内的渗漏量”，如L/ (m2·h)、m3/(m2·d)等，此类单位只能代表渠道湿周上的平均渗漏强度，渗漏强度与湿周乘积才能共同表达所测渠道的渗漏强度特征。本文以“单位长度渠道在单位时间内的渗漏量(m3/ (km·h))”为渗漏强度单位分析了变水位静水法试验，此种形式考虑了渠道的断面形式，具有针对性。

静水法观测计算渠道水利用系数，是进一步估算灌区灌溉水利用系数、分析灌区毛用水量、以及灌区效益等工作的前期工作［10］。混凝土衬砌渠道为我国灌区常用的衬砌形式，且使用比例较高。通常衬砌改造工程基于原有土渠或已老化破损严重的渠道，故而渠道的边坡系数m较大。为此，本文以新疆库塔干渠东干渠变水位静水法试验为依据，结合流量观测，对梯形混凝土衬砌形式的渠道水利用系数η随渠道水深h的变化趋势进行了计算与分析，为混凝土渠道变水位工作状态下的渠道损失测算工作提供依据。

1 静水法计算渠道水利用系数的原理及步骤

渠道水利用系数是分析灌区水量平衡的关键参数之一。根据《灌溉与排水工程设计规范》，渠道水利用系数计算公式如下:

式中:η—渠道水利用系数;Qu—渠首流量，m3/ s;Qd—渠尾流量，m3/s;Qs—渠道损失量，m3/s。

依据水量平衡原理，将渠道水利用系数的计算原理绘制成图，如图1所示。

图1 静水法计算渠道水利用系数的原理示意图

由图1可知，式(1)中Qs的发生过程，与Qu流动至Qd的发生过程为同步发生，现对渠道水渗漏过程进行分析。设渠道流量为Q，取时间长度t，过流量构成水体W，当水体W以平均流速v向下游流动时，渠道的渗漏以qs连续发生，并以渠首为始、渠尾为终，则W的长度l与渗漏时间长度ts等相关参数的计算公式如下:式中:A—渠道过水断面面积，m2;t—时间，s; h—渠道水深，m;Q—渠道流量，m3·s-1;W—水体体积，m3;l—水体长度，m;qs—渗漏强度，m3·(km·h)-1;ts—水体渗漏时间，h;Ws—水体渗漏量，10-3m3;η—渠道水利用系数，%。

可见，Ws的发生与渠道流量Q密切相关，而渠道流量主要受4个因素的影响:渠道断面面积A、渠道材质、渠道湿周χ，以及渠道纵坡i。其中，当渠道断面形式固定时，渠道断面面积A和渠道湿周χ又受到渠道水深h的影响。故可根据以上计算过程分析不同h下的η值。

根据式(2)～(7)，若渠道内水深 h不同，则渠道水利用系数η应不同。

根据计算原理，变水位静水法观测数据在计算渠道水利用系数η时，可概化为6个步骤。

(1)根据变水位静水法试验分析典型渠段的水深与渗漏强度关系，qs=f(h)。

(2)根据流量观测结果，计算渠道流量 Q、平均流速v。

(3)选定单位时间长度(t=1s)过流量为水体，计算水体体积W及水体长度l。

(4)计算水体通过单位长度渠道(L=1km)消耗时间，即水体的渗漏时间ts。

(5)根据水体水深h，由qs=f(h)计算渗漏强度qs，计算水体在通过1km长度渠道后的渗漏量Ws(图1中阴影面积)。

(6)根据水体通过单位长度渠道前、后水量变化，计算渠道水利用系数η。

2 实例分析

在新疆库塔干渠东干渠混凝土衬砌渠道5+ 000～10+475渠段之间进行了静水法和流量观测，同时观测降水量和蒸发量。渠道为混凝土衬砌梯形断面，渠底宽2m，边坡角度28°，以此为例，对该渠道水利用系数进行了实例试算。

2.1 静水法试验分析

静水法试验采用变水位法，对静水法观测数据进行“水深—渗漏强度”关系计算。观测期间无降水，观测水深差为0.940-0.294=0.646m，总蒸发量共0.0402m，日均蒸发量8.04m m，离差均低于0.66m m，故将蒸发量平均折算入总损失量，则蒸发量占观测水深差的比例P e=0.0402/ 0.646=6.221%，根据比例P e对计算渗漏强度进行折算。

为便于计算不同水深h下的渗漏强度，绘制水深-时间散点图，并对散点进行回归，回归方程及方差如图2所示。

图2 渠道水深～渗漏时间关系

由图2可知，回归方程的拟合精度良好，可根据该回归方程计算某水深的渗漏强度。为便于计算，对渗漏强度与渠道水深关系进行非线性回归，回归方程为

qs=12.867h2+15.990h+6.369，R2=0.99998(8)

2.2 流量观测分析

流量观测共92次，观测水深范围介于0.56～1m之间。流量观测为多垂线、多点观测，流量计算公式为:

式中:Q—渠道断面流量，m3/s;m—观测点数量; vi—第i观测点观测流速，m/s;Ai—第i观测点代表横断面面积，i=1，2，…，m。

根据流量计算成果，绘制渠道水深-渠道流量散点图，并拟合函数关系如图3所示。函数关系可简化为幂函数形式Q=C hα。

图3 渠道水深与渠道流量关系

2.3 渠道水利用系数计算

通过92个样本的计算，绘制水深-渠道水利用系数关系图，如图4所示。

图4 渠道水深与渠道水利用系数关系

由图3可知，流量随着水深的增加而增加，虽然每千米渠道的输水损失也呈增加趋势，但由图4结果可看出:①渠道水利用系数随水深增加而提高，反映为η=-0.0234h2+0.0495h+0.9664。②本次分析的混凝土衬砌渠道，当水深超过0.7m时，渠道水利用系数变化较为平缓，且达到较高水平。

3 结论

变水位静水法是精确测验变动水位下渠道渗漏特性的良好方法。通过“水量平衡法”分析渠道内静态水体在渠道中的流动过程，将渠道水利用系数计算概化为6个步骤。以新疆库塔干渠东干渠混凝土衬砌渠道的变水位静水法及流量观测成果为依据，对渠道水利用系数进行了计算，计算水深介于0.56～1m之间，渗漏强度介于18.589～34.779m3/ (km·h)，折合0.135～0.169m3/(m2·d)，渠道水利用系数范围介于0.986～0.991之间，与《渠道防渗工程技术规范》给定的范围要求相符。实例分析表明随着水深的增加，渠道流量增加，平均流速增加，渠道水利用系数亦随之增加，但增加趋势渐缓，且趋于平缓。本次分析仅为梯形混凝土衬砌渠道，受资料所限未能对其他衬砌形式进行分析，已有分析结果表明，变水位静水法对变流量下的渠道水利用系数计算具有良好的应用性，当测算渠道流量为非稳定流量时，应以变水位静水法分析渠道水利用系数，并建立水位与渠道水利用系数之间的函数关系，以便于估算实时工况下的渠道水利用系数，为灌区灌溉水利用系数的估算工作提供基本依据。

［1］GB/T50600-2010.渠道防渗工程技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［2］袁尧，蔡守华.量测大型渠道水利用系数的简易静水法［J］.节水灌溉，2010(07):73-75.

［3］荣丰涛.关于如何用动水法测渠道渗漏的具体意见［J］.山西水利科技，2008(02):1-3.

［4］柴春岭，高惠嫣.基于动水法的流量过程线推移法在渠道渗漏计算中的应用［J］.农业工程学报，2015，31(12):151-157.

［5］Alammm，BhuttamN.Comparativeevaluation ofcanalseepageinvestigationtechniques［J］.AgriculturalWatermanagement，2004，66(01) : 65-76.

［6］段雷振.静水法试验测定托卡依干渠渗漏强度［J］.水利科技与经济，2008，14(11):872-873.

［7］赵东辉.静水法渠道渗漏测试分析［J］.防渗技术，1997，3 (02):17-21.

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［9］艾合买提江·艾木拉.新疆和田灌区渠道渗漏试验［J］.西北水力发电，2006，22(05):20-22.

［10］姚立强，毛晓敏.不同防渗措施对渠道渗漏量及周边土壤水分的影响［J］.水利学报，2010，41(11):1360-1366.

S275.3

B

1008-1305(2016)05-0087-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.030

2016-03-12

张 新(1988年—)，男，助理工程师。