续灌、轮灌渠道设计流量计算方法探讨

李江峰,戚印鑫

(新疆水利水电科学研究院,新疆乌鲁木齐830049)

一般情况下,灌区的干、支渠为续灌渠道,斗、农渠为轮灌渠道,这与其工作方式、灌溉输水功能密不可分。但是,当渠道工作长度大,为避免流量过于分散,水位偏低,造成灌溉输水效率低,输水损失大,支渠也可实行轮灌,以适应来水过程的不均匀性。在新疆塔里木河流域所属灌区灌溉输水渠道中,支渠实行轮灌方式比较常见。本文结合塔河流域某节水改造项目,从理论上探讨干、支渠设计流量计算方法,以供专业技术人员参考。

1 工程概况

新疆属于水资源紧缺地区,灌溉水利用率低,水资源浪费严重。大力发展节水灌溉,建立节水型农业,是解决这一问题的有效途径[1]。

文中所介绍的灌区位于南疆某县城以北一个乡境内,干渠全长38 km,其中上段8.8 km为干砌卵石衬砌渠道,质量较好,断面较完整;中段为长约8.5 km的自然输水冲沟;下段为干砌卵石衬砌渠道,末尾约5.3 km为土渠。干渠上共分布有13座节制分水闸,控制两岸29条支渠引水灌溉。控制灌溉面积14 946.67 hm2,其中农田灌溉面积8 280 hm2,人工生态林3 333.33 hm2,干渠末端还分布有3 333.33 hm2天然生态林。在塔里木河流域近期综合治理项目中,该项目节水改造工程改造中段(冲沟段)及下段一部分干渠,长度为17.855 km;另外29条支渠根据现状输水功能的完善与否采取全段防渗或分段防渗。

2 灌溉方式

渠道的设计流量与控制灌溉面积、作物组成、灌溉制度以及渠道工作方式等因素有关。当灌溉面积一定,作物组成与灌溉制度一定,决定渠道设计流量的主要因素就是工作方式了。另外,渠道输水过程中还存在蒸发、渗漏损失,因而设计流量还应包括输水过程中损失的流量。也就是说,这里所说的设计流量是指毛流量。

在南疆塔河流域,呈现大陆干旱性气候特点,降雨稀少,蒸发强烈,农田灌溉以引地表水(河水)灌溉为主,配之以地下水、泉水来满足农业生产用水。

通常所说的渠道灌溉方式,或说渠道的工作制度,就是渠道输水方式,分为续灌和轮灌两种[2]。

(1)续灌:在一次灌水延续时间内,自始至终连续输水的渠道称为续灌渠道,这种输水工作方式称为续灌[2]。为了各用水单位受益均衡,避免因水量过分集中而造成灌水组织和生产安排的困难,一般灌溉面积较大的灌区,干、支渠多采用续灌。

在管理运用中,有时水源不足,干、支渠也实行轮灌,以减少输水损失,并保持渠道必要的工作水位。一般渠首引水流量低于正常设计流量的40%～50%时,干、支渠即实行轮灌。

本文介绍干渠渠线较长,专为所在乡灌溉输水。沿途共布置有13座节制分水闸(分布在干渠下段),两岸布置有29条支渠,呈辐射状向灌区输水。文中只列出了本次项目改造的17条支渠,详见图1。

图1 灌区总平面布置

结合行政单元划分及灌区输配水管理运用,干渠供水对象单一。支渠分布多而散,存在各大队用水上的行政单元多样性,现实当中常常为分水、争水而产生不团结、不稳定因素。结合灌区来水时空分布的不均匀性,为缩短供水周期,保持渠道工作水位,减少管理方面不必要的麻烦,提高水利用效率,支渠实行轮灌,与该灌区多年来实行的灌溉工作方式是一致的。

3 设计流量

较大规模的作为续灌渠道的干渠设计流量按照《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)[3]中的公式计算确定:

式中:Qs为续灌渠道的设计流量(m3/s);qs为设计灌水率〔m3/(s◦hm2)〕;As为该渠道灌溉面积(hm2);ηs为该续灌渠道至田间的灌溉水利用系数。

灌区规则、规模较小的轮灌渠道可采用规范上的设计灌水率法,即《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)中的公式计算流量:

式中:Qn为轮灌渠道的设计流量(m3/s);N为该渠道轮灌组数;qs为设计灌水率〔m3/(s◦hm2)〕为该渠道轮灌组平均灌溉面积(hm2);ηn为该轮灌渠道至田间的灌溉水利用系数。

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只是公式(2)尚未完善,设计人员应用起来不很方便。笔者认为将N定义为该渠道所在轮灌组的分组数量,ηn定义为该轮灌组渠道至田间的灌溉水利用系数妥些。对于数量多、位置分散、规模大小不等的灌区内轮灌渠道,常常采用最大灌溉流量法计算设计流量,即选择最大的田块、灌溉制度中最大的灌水定额计算出田间净流量从而逐级推算出渠道设计流量。

采用设计灌水率法计算渠道的设计流量先要根据灌溉制度绘制万亩灌水率图(已修正)(见图2)。图中列出了干渠灌区各种作物在一个生长期内的灌水率图示计算结果。根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99),修正后的灌水率图应以累积30 d以上的最大灌水率为设计灌水率[3]。新疆属于干旱区,图中自6月15日至7月15日累积30 d达到最大灌水率,作为设计灌水率,图中查得设计灌水率为5.385 m3/(s◦hm2),满足规范要求。

图2 干渠灌区灌水率

通过分析认为设计灌水率法通常适用于大中型灌区干渠一级渠道或小型灌区中较为独立的干、支渠;最大灌溉流量法适用于小型灌区中的斗、农渠;逆推法适用于包含干、支、斗、农各级输水渠道的中小型灌区;加权分配法适用于灌区位置、形状不太规则的中小型灌区。

对于续灌渠道,其设计流量可以直接根据灌区设计灌水率和灌溉面积及灌溉水利用系数进行推算。对于轮灌渠道,由于其输水时间小于灌区的灌水延续时间,不能直接根据设计灌水率和灌溉面积自下而上的推算渠道设计流量[4],而应采用最大灌溉流量法或加权分配法。渠道工作方式确定后,就可以依据其计算渠道的设计流量。

以往的轮灌渠道分组方式有集中轮灌、分组轮灌、分组插花轮灌[5]。当上一级渠道来水流量较大时,一般多采用分组轮灌,是将临近的几条渠道编为一组,上级渠道按组轮流供水。支渠轮灌分组不宜过多,否则可能会影响作物生长期的需水量,该灌区将支渠分为两组轮灌。对于渠道数量少的灌区而言,这样分组计算出的流量变化不大,对于该灌区,若将临近的渠道编为一组,例如将4号闸上游的14条支渠分为一组,4号闸下游的15条支渠分为一组,势必造成4号闸之前干渠断面过大,造成投资增加,直接影响节水改造效益。

通过分析,灌区节水改造不仅要实现工程技术上的优化,即达到最优的投资收益比,满足节水总要求,使单方水节水投资最低,还要保证灌区规模适宜,与来水过程相适应,满足供需水量在时空分布上的协调均衡,解决灌区缺水矛盾;另外,从运行管理角度,兼顾上下游,左右岸,与行政管理单元划分相一致,尽量避免运行管理上的繁杂、忙乱,使整个灌区形成来水有度、用水有序、管理方便、协调一致的良性运行机制。干渠设计流量按照续灌渠道计算,各支渠设计流量按照轮灌渠道计算。轮灌组的划分兼顾干渠分水闸口左右两岸的支渠,使轮灌组面积尽量相等,各支渠分布尽量均匀,划分的两个轮灌组面积 AⅠ=5 813.33 hm2,AⅡ=5 800 hm2,两个轮灌组面积之和等于干渠灌区控制的灌溉面积,即AⅠ+AⅡ=A干;两个轮灌组的流量与干渠的设计流量一致,QⅠ=QⅡ=Q干。各轮灌组内的支渠按照所占轮灌组面积比例分配设计流量,即第一轮灌组各支渠 QⅠ1=AⅠ1/AⅠ×QⅠ,QⅠ2=AⅠ2/AⅠ×QⅠ,……;第二轮灌组各支渠 QⅡ1=AⅡ1/AⅡ×QⅡ,……,依此类推,计算出各支渠设计流量。此处需要注意的是,按照各个轮灌组输水灌溉时流量递减在干渠上进行节点分配时,在各个节点上,分别按两个轮灌组计算流量均有差异,在0.08%～2.21%之间,这是因为两个轮灌组面积大致相等却有些许差异,按照轮灌组流量相等情况下分配至支渠时,轮灌组面积大的支渠计算流量偏小,轮灌组面积小的支渠计算流量偏大[6]。本次项目改造渠段为4号闸以上渠段,偏差率级数较小,可忽略不计,但干渠节点流量分配宜取较大值,虽然小的偏差可通过加大流量或延长供水时间来弥补,或利用机井多抽水,局部调整作物种植结构,但对于干渠下段,非本次改造段,个别支渠面积相差较大,反映在干渠节点上的流量偏差率级数较大,远非通过加大流量或延长供水时间所能弥补这个偏差,此时就要按较大流量设计该段干渠断面,使得不论哪个轮灌组灌水时都能满足灌溉输水要求,因这样的情况(支渠面积偏大)在灌区中只是少数,若是多数,则需重新考虑灌溉输水工作方式了。轮灌组划分见表1,干、支渠设计流量以5号闸以上渠段为例,设计流量计算成果见表2。

表1列出了干渠上分布的13座节制分水闸,标明了桩号,并且列出了每座节制分水闸分水的支渠及其灌溉面积,划分了轮灌组1、组2,并按照上述流量计算方法分别计算出了各支渠的设计流量,以供读者对比分析。

通过计算,根据修正后的灌水率图得设计水平年灌水率为5.385 m3/(s◦hm2),由设计水平年灌溉水利用系数0.579,计算得农田和人工林草所需流量为10.82 m3/s,天然生态林草所需流量为3.97 m3/s,由此确定干渠设计流量为 10.82+3.97=14.79 m3/s,加大流量为10.82×1.25+3.97=17.49 m3/s。

以灌区中某条支渠为例,这条支渠控制灌溉面积333.33 hm2,Q支=0.5/8.72×10.82=0.59 m3/s,各支渠控制灌溉面积113.33 hm2～1 733.33 hm2不等,计算得设计流量0.2 m3/s～3.22 m3/s。

表1 支渠轮灌组划分成果表

表2 干、支渠设计流量计算成果表

4 结 语

在独立工作的输水干渠灌区节水改造设计中,确定项目区干渠、支渠灌溉输水工作方式和设计流量、规模是至关重要的,它直接关系到节水指标能否达到、节水效益能否实现,投资能否合理控制,能否解决灌区供需水矛盾。

在《水工设计手册》第8卷(灌区建筑物)提到的支、斗、农渠全部实行轮灌情况下计算农渠净流量,也是用面积比例分配法[7],计算原理是一致的。其公式如下:

式中:Q支田净为不包括渠系输水损失和田间损失在内的支渠净流量(m3/s);A干为干渠净面积(hm2);q为设计灌水率〔m3/(s◦hm2)〕;A支为支渠净面积(hm2);A支组为支渠轮灌组面积(hm2)。

对于这类灌区节水改造设计流量的计算需注意以下几个问题:

(1)结合灌区来水实际,制定切实可行符合灌区实情的灌溉制度,确定渠道工作制度、灌溉输水方式。

(2)当某级渠道按照轮灌工作方式时,要兼顾上下游、左右岸,根据渠道控制灌溉面积、分布位置,结合行政单元划分轮灌组,尽可能使轮灌组面积大体相当[8],以便配水,使各用水户受益均衡,便于调配劳力,便于运行管理。

(3)当按照不同轮灌组进行节点流量分配时,若计算流量偏差级数较小,一般可通过加大流量、延长供水延续时间,或结合今后作物种植结构调整,或采用机井补灌(可能情况下)来弥补偏差,且节点流量仍宜以较大值来计算设计断面;当偏差较大,则根据实际在投资可控制情况下,按照较大流量来设计断面仍是较为安全的方法。

(4)对于供水对象主要为农业灌溉兼有比重不大的人畜饮水、节水改造工程,实行轮灌方式计算设计流量可考虑此法,对于供水对象有工业等其他供水对象较为复杂时,则应根据实际情况进行分析论证。

本文提出的计算方法先进性在于根据灌区干、支渠分布位置并结合灌区各支渠多年来形成的灌溉方式,采取干渠续灌、支渠轮灌的灌溉方式,合理的进行了轮灌组的划分,在满足灌区作物灌溉制度、灌水历时条件下,尽量缩短灌水时间,提高了灌水效率,为灌溉管理创造了有利条件。与常规的干、支渠续灌计算流量的方法相比,提高了支渠设计流量,实行集中分组轮灌,使田间作物受水均匀,提高了灌溉管理的效率,增强了灌区灌溉活动的活性,同时也避免大面积同时灌溉产生较快的蒸发、渗漏损失,起到了积极的节水作用。

[1]采取得力措施发展节水灌溉[J].水利与建筑工程学报,1996,(3):18.

[2]史海滨,田军仓,刘庆华,等著.灌溉排水工程学[M].北京:中国水利水电出版社,2006:164-165.

[3]中华人民共和国水利部.GB50288-99.灌溉与排水工程设计规范(第一版)[S].北京:中国计划出版社,1999:10、37-38.

[4]王莉,宣斌德.轮灌渠道设计流量计算方法的一点思考[J].吉林水利,2010,(8):35-36.

[5]郭元裕.农田水利学[M].北京:中国水利水电出版社,1997:101-103.

[6]刘焕友,李新民,吴旭春,等.支渠轮灌条件下渠道流量计算方法的探讨[J].新疆水利,2007,(4):6-8.

[7]左东启,顾兆勋,王文修.水工设计手册[M].北京:水利电力出版社,1984:8-59.

[8]郭永昌,梁菊蓉.渠道流量计算方法初探[J].新疆水利,2009,(2):7-10.