复式断面渠道渠系水利用系数测算方法研究

阎 烁，王立权*，李铁男，秦龙飞

（1.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；3.肇庆市水利水电勘察设计院有限公司，广东 肇庆 526000）

0 引 言

【重要意义】农业水价综合改革以来，灌区水权确权工作的基础是农业灌溉水量测算，而渠系水利用系数则是灌溉水量测定的重要指标。【研究进展】目前渠系水有效利用系数的测定方法有典型渠段测量法、2点水量水法、首尾测定法等[1]。典型渠段法因方便、快捷的特性使其成为较为常用的测量灌区渠道水量、水位的方法[2]，但局限性也非常明显，采用典型渠段法测算的渠道水力要素准确度差强人意，不适用于大、中型灌区或者采用复式断面渠道衬砌的灌区[3]。白静等[4]采用2点水量水法获取渠道水力要素，但该方法适用于单一渠道，并且渠道工程要相对一致，并不适用于复式断面渠道。【切入点】本文采用的动水测定法适用于渗漏损失差异较大的复式断面渠道[5-7],以不同衬砌方式组1成的复式断面渠道为目标，测定各渠道相关水力要素。测算时采用的渠道渗漏公式多以考斯加科夫渠道渗漏经验公式法[8-9]，该方法主要考虑渠床土质、流量等易获取要素，但是对于同一灌区采用不同衬砌形式的渠道，戴维斯－威尔逊公式由于多考虑渠道几何尺寸、流速等要素，更能得到与实际更加贴近的结果[10-11]。【拟解决的关键问题】本文采用2种改进后的经验公式，以河南省平顶山市鲁山县澎河水库灌区为研究区域，探究更加精确的采用复式断面渠道灌区的渠系水利用系数测算方法。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

澎河水库灌区位于平顶山市西部。属典型的大陆性季风气候。澎河水库灌区用水取自于澎河水库，经40多年运用，水库供水情况良好。2015年已除险加固完成，水库主要指标为：水库总库容6 020万m3，控制流域面积209.2 km2，多年平均来水量7 151万m3；死水位134.5 m，死库容86万m3；兴利水位147.5 m，兴利库容2 607万m3。

灌区兴建以来，为当地工农业发展起到了十分重要的作用。但由于资金有限，骨干渠道一直没有进行节水改造，绝大部分渠道为土渠，渗漏严重，只有零星支渠曾利用小农水资金治理过。末级渠系及田间工程配套率也很低，不能满足设计要求及实际需要。2017年灌区实施灌区节水配套改造项目，渠系工程得以修复、加固。该项目区水资源可利用量为4 428万m3，其中地表水3 603万m3，地下水825万m3。

1.2 测算方法

采用动水测定法测定相关渠道水力要素，按照渠道衬砌条件划分了8个测量区间，利用流速仪水流速计 LS1206B测定分别测算了各测量区间的流量、水位以及流速。考虑到要有适当的水深条件、足够的渠道长度和测试时间,保证在多次连续测试中水流基本稳定,由其间的水位涨落差推算的流量波动值不大于平均流量的10%。

①测速垂线布置由于渠底宽度较窄，所以布置为2条测线；②实际测速中，因为渠道经过衬砌所以渗漏损失较小，流速分布较为均匀，两点法所得流速较为接近，最终采用一点法，在水深0.6 h处布置测点；③每个测点上计算流速仪转数得测速历时宜定为60~100 s，本次测算定为60 s。

1.3 研究方法

本研究针对复式断面渠道的渠系工程渠系水利用系数测算，首先采用动水测定法测算渠道的各水力要素，之后选取更合适的戴维斯－威尔逊公式求得渠系水利用系数。

戴维斯－威尔逊公式选择渠道湿周、水深和流速作为变量，反映了渠道渗漏与湿周、水深的正相关关系和与流速的负相关关系[12]。戴维斯－威尔逊公式：

式中：S为单位渠道长度渗漏损失（m3/（s·km））；P为湿周（m）；H为渠道水深（m）；v为渠道水流流速（m/s）。

考斯加科夫渠道渗漏经验公式形式简单，并且考虑因素较少，只考虑渠床土壤透水性系数，因此在渠道水利用系数测算中得到广泛应用。本文在考虑土壤透水性同时，也考虑了衬砌材料的透水性能影响。考斯加科夫渠道渗漏经验公式：

式中：K为土壤透水性系数；Qd为渠道净流量（m3/s）；M为土壤透水性指数；考斯加科夫渠道渗漏经验公式可以表达土质渠道的输水损失，由于灌区灌溉不考虑地下水对渠道的顶托作用，根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99），对衬砌渠道单位长度水量损失率S0进行修订[13]，修订计算式为：

式中：S为衬砌渠道单位长度水量损失率；ε0为衬砌渠道渗水损失修正系数。

2 结果与分析

2.1 实测数据

根据澎河灌区现有的渠系资料，结合现场勘测结果，灌区共有引水干渠1条、支渠3条，合计长度14.58 km，混凝土衬砌长度12.05 km，渠道衬砌率为82.65%。

西干一支（桩号3+675～4+745）段为梯形断面，采用现浇C20混凝土全断面衬砌，厚度10 cm，衬砌高1.3 m，坡顶设压顶，宽20 cm；（桩号4+745～6+100）段为矩形断面，设计宽2 m，渠壁厚20 cm，渠底厚20 cm，高度1.3 m；（桩号6+100～7+100）段为矩形断面，设计宽1.5 m，渠壁厚20 cm，渠底厚20 cm，高度1.3 m。

西干二支（桩号0+000～2+160）段为梯形断面，采用现浇C20混凝土全断面衬砌，厚度l0 cm，衬砌高1.3 m，坡顶设压顶，宽20 cm；（桩号2+160～3+630）段为梯形断面，采用现浇C20混凝土全断面衬砌，厚度l0 cm，衬砌高1.3 m，坡顶设压顶，宽20 cm。

表1 实测水力要素结果Table1 Measured hydraulic factor results

东干渠（桩号0+000～3+660）段为梯形断面，采用现浇C20混凝土全断面衬砌，厚度l0 cm，宽20 cm；（桩号3+660～4+990）段为矩形断面，设计宽1.3～1.6 m，渠壁厚25 cm，渠底厚25 cm。

东干二支（桩号 0+000～2+530）段为挡土墙式矩形断面，设计宽1.6～2 m，渠壁厚25 cm，渠底厚25 cm，高度1.5 m。各渠道水力要素如表1所示。

依据灌区干支渠各渠段衬砌方式及材料不同，划分 8段流量段。其中梯形渠道衬砌方式渠段有3+675～4+745、0+000～2+160、2+160～3+630、0+000～3+660；矩形渠道衬砌方式渠段有 4+745～6+100、6+100～7+100；矩形挡土墙式衬砌方式渠段有 3+660～4+990、0+000～2+530。东干渠 0+000～3+660干渠段水利设施复杂，其各复杂段位置的渠底宽、正常流速、比降均采用加权平均求得。渠系划分各渠道如表2所示。

表2 复式断面渠道划分Table 2 Complex section channel division

全灌区土壤大部分为沙壤土、沙土、黏土等。沙土面积约467 hm2，主要分布在灌区下游沙河南岸近区，这类土壤有机质量 1.2%左右，通气性与渗水性良好，适宜种植花生等；黏土面积为2 467 hm2，主要分布在灌区的中、上游，这种土壤pH值6.7～7.6，有机质量2.0%左右，速效磷7.4 ppm，该土壤因土层浅(1.0～1.5 m），结构散，孔隙大，所以水分易蒸发，自然含水率常低于枯萎含水率，但其心土黏重紧密，透水性、通气性均差，排水不良，雨季土壤过于潮湿，造成上浸泡浆；沙壤土分布在灌区中下游，其pH值在 6.5～7.9之间，有机质量 1.5%左右，土壤淋溶作用较强，底层紧，不漏肥，通气性好，自然含水率大于枯萎含水率，是灌区主要产粮区。渠道1～5处为沙壤土，渠道6～8处为黏土。

2.2 渠系水有效利用系数测算结果

1）戴维斯－威尔逊公式

现场实测数据如表3所示，由经验值C1取0.1，代入戴维斯－威尔逊经验公式[14]，求各渠道单位长度损失。

渠道单位长度的输水损失ηL与渠长的乘积可以求得渠道损失流量，已知渠首流量4.75 m3/s，即：

渠系水利用系数为0.82。由表3可以看出，渠道底部越宽，渠道的单位长度渗漏损失量越大，并且由于东干渠是引水干渠，分流、损失等原因致使后面支渠流量、流速锐减，符合实际情况。

表3 各渠道水力要素Table 3 Hydraulic elements of each channel

2）考斯加科夫渠道渗漏经验公式[15]

根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99）取沙壤土土壤透水性系数K=3.4，M=0.5；黏土土壤透水性系数K=0.7，M=0.3。渠道均采用混凝土护面的防渗措施，所以衬砌渠道渗水损失修正系数取0.15，结果如表4所示。

表4 各渠道水力要素Table 4 Hydraulic elements of each channel

渠道单位长度的输水损失率η等于所选该级各典型渠道输水损失率ηL按渠道长度L进行加权平均的计算值，计算方法同式（4）。

渠系水利用系数为0.75。由结果可知，渠道为标准梯形断面时，渠道水利用系数最大，当渠段为矩形断面时，渠道水利用系数较小，造成经济、水量浪费，而矩形挡土墙式衬砌方式渠道单位长度损失最大。由图1可以看出，戴维斯－威尔逊公式推求的渠道单位长度损失率，在渠道6的地方损失率最大，这是因为渠道6底宽6.3 m，在所有渠道中最宽，而采用的戴维斯－威尔逊公式更多地考虑衬砌渠道的水力要素，所以作为干渠的渠道6单位长度损失率最大，而其余支渠单位长度损失率相对平均。

图1 戴维斯－威尔逊公式渠道单位长度输水损失Fig.1 Davis-Wilson formula for channel unit length water loss

图2 考斯加科夫公式渠道单位长度输水损失率Fig.2 Kosgakov formula channel unit length water loss rate

由图2可以看出，考斯加科夫渠道渗漏经验公式推求的渠道单位长度损失率，在渠道6处单位长度损失最小，这是由于干渠处渠道流量大并且采用的衬砌方式最佳，渠道7和渠道8由于采用的衬砌方式为矩形挡土墙式衬砌，并且流量较小，渠道单位长度损失率较大。综合来看，戴维斯－威尔逊公式相对于考斯加科夫渠道渗漏经验公式，不能很好地反映不同衬砌方式带来的渗漏损失。

3）西一支渠渠末流量1.05 m3/s，西二支渠渠末流量1.21 m3/s，东二干渠渠末流量1.84 m3/s，渠首流量4.75 m3/s。渠系水利用系数η实际=0.86，对比结果可知，采用戴维斯－威尔逊经验公式在推算不同衬砌形式下灌区渠道渠系水利用系数更加合理。

3 讨 论

渠道衬砌是农业灌溉中非常有效的节水措施，而且不同的衬砌形式所带来的节水效果并不相同，混凝土衬砌效果好于土渠。本文研究区域采用了3种衬砌方式，其中最佳衬砌方式是标准梯形断面的渠道衬砌，带来的节水效果最好，这是由于标准梯形断面为水力最佳断面，有利于水流通过，增大了流速，这一结果与肖雪等[2]研究结论一致。

渠系水利用系数的测算受到多因素的影响，大致分为二类影响因素。①关于渠道相关水力要素的测算，本文采用的动水测定法测量渠道水力要素，其适用于复杂渠道衬砌条件、不区分渠道渗漏差异以及不停水测量等特点，基本符合复式断面衬砌渠道的特点，这与荣丰涛[6]、秦海等[7]关于动水测定法的适用特征一致；②渠系水利用系数最后分别采用戴维斯－威尔逊公式、考斯加科夫渠道渗漏经验公式进行推求，戴维斯－威尔逊公式测算方法显示在渠道 6部分渠道单位损失最大，反映了衬砌断面形式对于渠道损失影响占比较大，而通过考斯加科夫渠道渗漏经验公式测算方法对比发现，渠道7和渠道8本身衬砌方式并不理想，会造成较大渗漏损失，戴维斯－威尔逊公式并无明显反映，这一结果与肖雪等[9]研究结果一致。最终结果也显示了采用戴维斯－威尔逊公式的测算方法更适用于采用复式断面渠道衬砌的渠系工程。

本文所采用的测算复式断面渠道的渠系水利用系数方法可以提升常规测算方法的精准度。然而，在渠系水有效利用系数的测算上仍存在着不小的问题，以澎河灌区为例，本文测算渠系水利用系数并未考虑渠道上的水利设施对结果的影响，同时，灌区进行灌溉取用水时，当渠道水面达不到一定高度，将无法抽水，该灌区渠道上设有大量的节制闸、进水闸、分水闸等取用水设施，此时将关闭闸门使水面上升进而抽水灌溉，然而这样的方式也将产生灌溉水的渗漏损失，本次研究并未考虑，因此，渠系水利用系数的推求还可进一步考虑灌溉时间与农田水利工程等因素。

4 结 论

1）动水测定法更适于测定复式断面渠系工程的渠道水力要素。

2）采用标准梯形断面的混凝土衬砌方式为最佳衬砌方式，可以大大减少灌溉水的损失。

3）对比分析结果后，发现戴维斯－威尔逊公式更适用于复式断面渠系工程的渠系水利用系数测算。

4）戴维斯－威尔逊公式更适用于复杂的衬砌渠道，但不能显示出渠道衬砌的效果；考斯加科夫渠道渗漏经验公式可以展现出渠道衬砌的效果，但只适用于单一衬砌渠道，对于复杂的渠系工程，测算的渠系水利用系数精度较差。