灌区渠道水利用系数计算和分析探讨

陈浩 周艳 王朝江

我国农业灌溉一直都在进行旨在提高水资源承载能力，实现农业可持续发展的节水措施。灌溉水利用系数（IWUE）是衡量农业节水效果的关键指标，是衡量灌区工程技术水平状况和管理水平的重要指标，也是灌区规划设计、水资源分配的基础数据。

目前我国IWUE 总体水平在0.5，而发达国家，如美国和以色列等国家和地区，一般在0.7～0.8。与其相比，我国IWUE 明显偏低，尚有很大节水潜力。

渠道输水损失约占灌溉损失水量的60%～80%，故提高渠道水利用系数是灌区水利设计、灌溉管理、用配水计划编制的重要内容，直接关系到工程设计是否合理、用水计划是否可行、水量分配是否合理。通过分析比较国内外不同国家采用的渠道输水损失计算公式和方法，对灌区渠道水利用系数的计算和取值进一步分析研究。

1 渠道水利用系数计算理论

对于渠道而言，渠道的净流量与该渠道渠首引入流量之比，为渠道水利用系数。根据GB 50288—1999《灌溉与排水工程设计规范》，渠道水利用系数的计算分两种情况：情况1 为当地或类似地区的灌区有实测资料；情况2 为无实测资料情况。

1.1 情况1 渠道水利用系数计算公式

当地或类似地区的灌区有实测资料情况时，渠道水利用系数计算公式采用如下式：

式中η0——渠道水利用系数；

Qdj——渠道净流量，m3∕s；

Qd——渠道毛流量，m3∕s；

1.2 情况2渠道水利用系数计算公式

当地或类似地区的灌区无实测资料情况时，渠道水利用系数计算公式采用如下式：

式中η0——渠道水利用系数；

σ——渠道单位长度水量损失率，%∕km；

L——渠道长度，km；

渠道单位长度水量损失率计算公式如下：

式中A——土壤透水性系数；

Qdj——渠道净流量，m3∕s；

m——土壤透水性指数。

此公式，实际为引用考斯加可夫（Kostiakov）公式：其实际含义就是对渠道的渗流损失进行计算。

2 渠道输水损失的组成和含义

2.1 渠道输水损失的含义

灌溉渠道在输水过程中的部分流量损失为输水损失ΔQ，渠道断面设计时，设计流量Qd为Q毛应包括输水损失，即：

式中Qd——渠道设计流量，m3∕s；

Qdj——设计净流量，m3∕s；

ΔQ——渠道输水损失，m3∕s。

2.2 渠道输水损失的组成

渠道输水损失主要由渗水损失、漏水损失、管理损失和水面蒸发等4 部分组成。

2.2.1 渗水损失

包括渠道底部、边坡土壤孔隙渗漏的水量，约占80%。

2.2.2 漏水损失

包括有地质条件、生物作用或施工不良等各种原因造成的漏缝或裂隙损失的水量、渠堤和建筑的漏水、渠堤决口跑水等。根据经验和统计，一般不应超过18%。

2.2.3 管理损失

管理不善、用水计划和调度不科学而产生的泄水、弃水，以及渠道越级取水等，一般不应超过18%，且应该尽量避免。

2.2.4 蒸发损失

渠道在输水过程中水面蒸发引起的损失，因其总水面积很小，求得的水面蒸发损失量也很小，一般占渗漏损失的5%以下。根据有关资料，蒸发损失为2%～5%，与当地气温、湿度、渠道的流速都有关系。

对于灌溉渠道，水量平衡方程可表示为Qd=Q毛=Qdj+Q渗+Q漏+Q管+Q蒸。只有在充分提高灌溉管理水平，避免了漏水、管理等渠道输水损失，并根据当地条件分析蒸发损失后，认为确实可以忽略蒸发损失后（比如，蒸发损失小于渗流损失的5%），在水量平衡方程中，输水损失才可以近似看作由渗流损失唯一确定。

2.3 理论计算成果与实测数据的差异

渠道的输水损失中，如果灌区管理完善，一般情况下渗水损失为80%，为渠道的主要输水损失，其它损失（漏水损失、蒸发损失和管理损失会）约占20%，但在管理不完善的情况下，其它损失往往超过20%。工程规划设计中，设计人员经常忽略了这部分损失，而将渗水损失作为了全部的渠道输水损失，这样就会导致理论计算成果与实测数据形成巨大差异，造成渠道水利用系数计算值偏高，而实际达不到，影响灌区的正常运行。另外，忽略了其它损失的详细计算和分析，忽视了改进节水措施和管理水平，导致渠道水利用系数偏低，造成水的极大浪费。

当然，对常见的混凝土衬砌渠道来说，受混凝土施工和本身阶段、变形、约束等影响，无论施工方法如何先进、混凝土裂隙的存在都是难以避免的，而且无论灌区管理水平如何，渠道中各分水口的漏水都是存在的。这也就是理论计算结果与实际测算成果会有一定差距的原因。因此，在计算渠道输水损失时应采用理论计算与实际测算相结合，科学地计入其它输水损失。

3 渠道输水损失中渗流损失的经验计算公式分析

3.1 各种经验公式简介

渠道的输水损失，一般应通过实测确定。但实际操作中，很难做到通过实测全部渠道的配水数据来评估渠道的输配水特性，因此，在工程规划设计中，多采用经验公式计算渠道的渗流损失。

渗流损失水量与渠床土壤性质、衬砌条件、地下水埋深、渠道工作制度、渠道的断面形式及水力特性等因素有关。主要有以下几种经验公式：

美国垦务局（USBR）莫里兹公式：

考斯加可夫（Kostiakov）公式：

戴维斯-威尔逊（Davison-Wilson）公式：

埃及莫尔斯沃斯和延尼达米亚（Molesworth）公式：

巴基斯坦公式：

式中S——每公里渠道长度输水损失流量，m3∕（s·km）；

Qdj——设计净流量，m3∕s；

P——湿周，m；

H——渠道水深，m；

v——渠道水流流速，m∕s；

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R——水力半径，m；

Q——平均流量，m3∕s；

C1、C2——常数，见表1 和表2；

C3——随土壤特性和土温而定的系数，黏土取0.0015，砂土取0.003；

A、m——土壤透水性参数[1]。

C4——系数，未衬砌渠道取0.13或衬砌渠道取0.08。

表1 土壤参数C1值

表2 土壤参数C2值

上述5 种经验公式将流量、水深、湿周、流速、衬砌方式中的一种或几种影响因素作为变量来计算渠道渗漏量。其中式（1）—式（4）均为自由渗漏的计算公式，对有地下水顶托渗漏的情况，一般是在自由渗漏的基础上，乘以一个顶托系数，从而考虑地下水位对渗漏的影响。式（5）为综合考虑所有输水损失的一个简单的经验公式。

（1）莫里兹公式选择流量和流速作为变量来确定渠道渗漏量，式中的Q∕v也就是渠道过水断面的面积，反映了渗漏量与渠道过水断面面积的正相关关系，常数C1则体现了渠床土壤对渗漏的影响。

（2）考斯加可夫（Kostiakov）公式形式简单，仅考虑了土壤和流量对渠道渗漏的影响，且采用2 个土壤参数A、m来反映渠床土壤的影响，在实际应用时，需要根据渠床土壤质地来确定它们的参数值。

（3）戴维斯-威尔逊（Davison-Wilson）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。该公式是针对衬砌渠道提出来的，不同衬砌形式对渠道渗漏的影响主要通过常数C2来体现。

（4）埃及Molesworth 公式反映了渗漏量与湿周、渠道水力半径和土壤之间的关系，其中，反映土壤质地的常数C3，现有文献仅提供了黏土和砂土两种土质的取值，其他土质则需根据实测资料确定。

（5）巴基斯坦公式形式简单，仅考虑了流量和衬砌影响系数，将渠道简单的归为非衬砌和衬砌两种，输水损失包含了渗水损失、漏水损失、管理损失和水面蒸发等全部损失。没有反映出输水损失与渠道湿周、渠道水力半径和土壤之间的关系。

3.2 计算实例分析

根据有关文献[3]的分析研究结果，莫里兹公式、考斯加可夫、Molesworth 公式对同一级渠道的单位渠长渗流损失进行计算时，计算结果与实测值的平均相对误差分别为：5.21%、5.68%和36.3%。即莫里兹公式的计算精度最高，考斯加可夫公式计算精度次之，Molesworth公式误差较大。

3.2.1 巴基斯坦公式计算实例

巴基斯坦高摩赞灌区，总净灌溉面积6.6 万hm2（99万亩），主渠1 条，总长60.8 km，为梯形混凝土衬砌明渠，渠首设计引用流量Q设计=24.1 m3∕s；支渠16 条，平均长度7 km，梯形混凝土衬砌渠道；斗渠121 条，梯形非衬砌渠道，平均长度3 km。通过分析，计算综合渠道水利用系数仅仅0.57。虽然，这也符合当地的灌溉习惯，但明显渠道水利用系数偏低。

3.3.2 考斯加可夫（Kostiakov）公式计算实例

老挝南圣灌区土壤为中黏壤土，总净灌溉面积3.5万hm2（52.5 万亩），渠首设计引用流量Q设计=51.5 m3∕s，灌溉渠系布置为四级，即干渠、分干渠、支渠和斗渠。其中：干渠1 条，总长26.8 m；分干渠3 条（一至三分干渠），总长50.2 km；支渠36 条，总长170 km；斗渠275条，总长510 km，均采用混凝土衬砌。

通过采用考斯加可夫公式分析，结果见表3。

表3 渠道水利用系数计算结果表

从表3 可以看出，当采用中黏壤土透水系数A=1.9，m=0.4，如果仅考虑渗流损失，则渠道水综合利用系数高达0.91，而实际上，这在目前的灌溉实践中是不可能达到的。因此，考虑了15%～18%的渗漏、蒸发、管理损失等，采用渠道水综合利用系数0.74，这是一个合理且可以接受的数值。但也说明了一个问题，对于渠道输水损失中的渗漏、蒸发、管理损失等不可忽视。通过加强实施科学的灌区管理、水量调配，加强渠道衬砌、配套和维修养护等节水措施，可以大幅提高水的利用率。

4 提高渠道水利用系数的措施

4.1 实施科学的水量调配

4.1.1 合理确定灌区干支渠配水方式

当渠首枢纽引水量为正常流量（平均值）时，实行续灌，灌区各干支渠同时按比例放水；低于正常流量40%左右时，改续灌为轮灌，以提高灌区渠道水利用率，减少渠道渗漏。

4.1.2 合理采用“渠井并灌，合井并流”的办法

针对灌区地下水丰富、河源供水不足的具体特点，在冬春灌以渠水为主，夏秋灌渠井并用，提高用水保证率，减少灌区渠道渗漏损失。

4.1.3 合理确定斗渠放水流量

斗渠流量增加到一定程度，水的利用系数趋于稳定。因此，在不引起渠系水量调配困难和田间用水安排发生冲突的前提下，斗渠流量适当集中，从而可减少输水渗漏损失，提高水利用率。

4.1.4 合理划分轮灌组及轮灌顺序

灌区干支渠和斗渠以下，应合理划分轮灌组。轮灌时，灌溉渠道流量比较集中，工作长度和时间较短，从而可减少输水渗漏损失，据多年灌溉资料统计，集中轮灌比分散用水的利用系数可提高2%～5%。

4.2 加强衬砌和维修养护

渠道衬砌是进行防渗、提高灌区渠道水利用系数最有效的措施。根据计算，并参考有关统计数据，渠道衬砌并得到好的维修养护后，可减少土渠渗漏量的95%。

5 结 语

（1）渠道输水损失主要由渗水损失、漏水损失、管理损失和水面蒸发等四部分组成。工程规划设计中，设计人员经常忽略了其它部分损失，这样会导致计算成果与实测数据形成巨大差异，造成渠道水利用系数计算值偏高，而实际达不到，影响灌区的正常运行。

（2）忽略渗水损失以外的其它损失计算和分析，会导致忽视改进节水措施，造成水的极大浪费。因此，应采用理论计算与实际测算相结合，科学地计入其它输水损失，而不能简单地忽略。

（3）对于渗流损失计算，几种经验公式各有优点和不足，优先推荐使用莫里兹公式和考斯加可夫公式。

（4）合理提高渠道水利用系数是灌区水利设计、灌溉管理、用配水计划编制的重要内容，直接关系到工程设计是否合理、用水计划是否可行、水量分配是否合理。

（5）目前，我国规模大于2 万hm2（30 万亩）的灌区，渠道水利用系数为0.55，而以色列和美国则达到0.78～0.88。应加强实施科学的水量调配，加强渠道衬砌、配套和维修养护等节水措施，提高水的利用率。