石津灌区渠道防渗效果与灌溉用水效率关系分析

李国章

1. 灌区概况

石津灌区位于河北平原中南部，是河北省最大的以农业灌溉为主，兼发电和城市工业供水的大型灌区，主要灌溉滹沱河下游以南，滏阳河以西地区，控制耕地面积400万亩，有效灌溉面积250万亩，主要灌溉作物为冬小麦、棉花等。受益范围包括石家庄、衡水、邢台3 市，共 14 个县(区)、158 个乡、1467 个村。

石津灌区的自然条件、水源条件、灌排工程形式以及管理条件在河北省均具有广泛代表性。因此，在石津灌区开展渠道防渗衬砌形式与节水效果试验研究，提出不同的节水模型模式和发展方向，分析节水改造后灌区输水能力与粮食增产潜力，不但为灌区节约水资源提供方法，还可以为灌区制定输水、配水工作计划提供依据。对灌区管理部门科学规划、科学决策和宏观管理提供理论依据，具有重要的现实意义。

2. 试验目的

石津灌区四干三分干南四支渠道通过动水法和静水法试验，对该渠道上6种防渗衬砌形式的防渗衬砌效果进行比较，并分析各衬砌形式的防冻胀效果及输水损失，找出输水损失最小、防冻胀效果最好的防渗衬砌形式。

通过对衬砌形式的节水量、使用年限内的节水量、单位投资节水量等方面进行节水效果分析，选出适宜灌区推广使用的防渗衬砌形式。

同时，分别在南五支渠道、小型抛物线渠道进行动水法试验，推算出渠道的渠道水利用系数，并计算灌溉水有效利用系数。

3. 试验区简介

试验地点位于石津灌区深州市魏桥管理处管辖范围内，总干渠南侧，具体为四干渠三分干渠的南四支渠道和四干渠二分干的南五支渠道上。灌区属浅层季节冻土区，多年平均气温12.6℃，极端最低气温-20.9℃，极端最高气温41.8℃，历史最大冻深0.6m。1995年后最大冻深0.4cm。灌区内有干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠五级渠道，灌溉面积32.9万亩。灌区内种植作物主要为冬小麦和玉米。

试验对象包括四部分：

四干三分干南四支渠道，梯形断面，混凝土衬砌；四干二分干南五支渠道，梯形断面，混凝土衬砌；四干三分干南三支渠道，抛物线形断面，抛物线方程为：3y=x2，混凝土衬砌；四干三分干南四支渠道，渠道断面为梯形，土质渠道。四干三分干南四支渠道为2010年进行全断面衬砌，2011年通水运行。渠道衬砌采用分段衬砌方式，是本次分析研究的主要渠道。观测渠道总长为3684m，观测渠道断面尺寸：底宽b=1.2m，边坡系数m=1.5，渠道深 h=1.1m，顶宽B=4.5m。为了研究其防渗效果及渗漏水的去向，在渠道一侧与轴线垂直的方向设置了三口观测井，观测灌溉前、后地下水的变化。具体布置见下表。

四干二分干南五支渠道于2006年建成并进行现浇混凝土衬砌，进行并投入使用的渠道为衬砌厚度为6cm。设计流量为2.5m3/s，渠底宽 2m，渠深 1.5m，坡降为1/4000。灌区内渠道按规范布置原则严格按照规范进行，均为南北走向。

抛物线形断面形断面渠道于2005年进行混凝土衬砌，渠顶宽3.2m。

选取土渠长度为1650m土渠作为观测段，整段中间无分水进行，渠道断面底宽b=1.2m，下游断面底宽b=0.55m。

4. 试验内容

根据试验渠道状况，田间试验安排主要包括有动水法试验、静水法试验、其他试验（包括降雨试验、蒸发观测、地下水观测）。

试验共分三个阶段，分别为2011年春灌期间动水法试验阶段、2012年春灌期间动水法试验阶段和2012年春灌结束后静水法试验阶段。

2011年春灌期间即3月进行首次动水法试验，试验渠道为土渠、四干三分干南四支渠道和小型抛物线渠道3条渠道，试验安排观测人员8名，观测时间至春灌结束前后。其中，土渠作为四干三分干南四支渠道的对比渠道。

2012年春灌期间进行动水法试验，试验主要对四干三分干南四支渠道进行，主要研究该渠道6种衬砌形式的冻胀破坏效果，另外，对四干二分干南五支渠道流量进行观测，与抛物线进行同工况下不同断面形式的渠道防渗效果对比研究。

在2012年和2013年春灌结束后安排进行静水法试验，静水法试验同样针对四干三分干南四支渠道6种衬砌形式进行，从试验方法对比角度分析6种衬砌形式的防渗效果。

5. 试验结论

5.1 渠道输水损失

通过2011、2012年两次动水法试验比较知，形式1即“现浇混凝土+保温板+土工布；伸缩缝：聚硫密封胶+闭孔塑料”的单位流量、单位长度输水损失量（分别为0.0247、0.0248）均为 6种衬砌形式中最小的，且单位流量、单位长度输水损失变化量（0.0001）也最小，说明形式1防渗衬砌效果最好，抗冻胀效果也最好。

由于试验过程中突发情况，本年度只对衬砌形式3-6的4个试验段进行的静水法试验表明，通过计算渗漏强度随水深变化关系的回归方程可知“现浇混凝土+土工布”和“现浇混凝土（树脂油膏+砂浆）”两种衬砌形式的相关系数均在0.84以上，说明这两种衬砌形式的各参数均可靠，由此得出的“现浇混凝土+土工布”和“现浇混凝土（树脂油膏+砂浆）”两种衬砌形式的渗漏强度分别为 4.747L/m2/h、4.988L/m2/h。

南五支渠道：南五支渠的单位长度、单位流量的输水损失量为0.0860，渠道水利用系数为0.8190。

5.2 节水效果

通过对混凝土渠道的衬砌形式、结构形式、伸缩缝填充形式等研究，对混凝土渠道六种衬砌形式与土渠对比研究，确定各种衬砌形式的防渗效果的优劣，确定出“现浇混凝土+保温板+土工布，密封胶闭孔塑料填缝”这种衬砌形式渠道水利用系数最高，节水量最大。

5.3 投资效果

投资少、使用年限长并且在使用年限内单位万元投资节水量大的衬砌形式的经济效果最好，本文从静态分析方面得出“现浇混凝土+保温板，树脂油膏砂浆填缝”经济效益最高，从动态分析方面得出 “现浇混凝土+保温板，树脂油膏砂浆填缝”“现浇混凝土，树脂油膏砂浆填缝”两种衬砌形式经济效益费用较高比几乎相同都较高，因此综合静态分析和动态分析，确定 “现浇混凝土+保温板，树脂油膏砂浆填缝”投资效果最好。

5.4 节地效果

通过梯形土渠、梯形衬砌渠道、抛物线型渠道的占地量分析，可知抛物线型渠道相比梯形渠道占地量均小，其中梯形土渠占地量最大，因此对于设计阶段的渠道断面设计应优先考虑抛物线型渠道，而对于现有梯形土渠有条件的地区应进行防渗衬砌。

5.5 综合效果

综合从对渠道输水损失量、灌溉用水利用效率、节水量、投资效果等方面综合的分析可知，对于四干三分干南四支渠道6种衬砌形式中“现浇混凝土+保温板，树脂油膏砂浆填缝”衬砌形式最适合灌区推广使用。