渠道衬砌状况对渠系水利用系数的影响分析

周玉琴，石 佳，万 昕

（1.湖北省水利水电科学研究院，武汉430072；2.湖北省节水研究中心，武汉430072；3.武昌理工学院，武汉430223）

0 引言

渠系水利用系数是衡量渠系工程状况和输水效率的重要指标[1,2]。渠道衬砌是灌区节水改造、提升渠道水利用系数的主要措施，现有的研究主要是基于试验对比得到衬砌的防渗效果，再将其应用直接扩大到整个灌区的节水量计算，没有考虑到各渠道土质、衬砌状况等不同因素的影响。因此，如何方便快捷地估算出灌区内多种情景下的渠系水利用系数是生产实践中需要解决的问题。“渠系水利用系数软件v1.0”基于修正的考斯加科夫公式，以渠道土质、衬砌状况、渠道流量等特征参数为输入条件，输入参数少、计算方便，在信息化程度较高的灌区可以实现渠系水利用系数的快速估算[3,4]，充分提高灌区渠系水利用效率与水系管理水平。

目前渠系水利用系数的研究主要侧重于渠道渗漏损失的测算方法、水面蒸发量的计算方法、灌溉水利用系数的计算方法等[5,6]，对于衬砌渠道对灌溉水利用系数的研究较少，本文基于渠系水利用系数测算软件及石门水库灌区现状，研究不同衬砌状况下的渠道和不同因素组合对于整个灌区的渠系水利用系数影响，研究成果对于选择衬砌方案和衬砌效果的评估具有参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文以湖北省石门水库灌区（112°40′～113°5′E，31°6′40″～31°7′30″N）为研究对象，石门水库位于湖北省钟祥市东南隅，是湖北省兴建的第一座大型水库，始建于1954年10月，1957年10月竣工。研究区属亚热带气候，全年温和多雨，四季分明。灌区多年平均气温16 ℃，无霜期258 d，多年平均日照2 240 h，盛夏（7-8月）高温炎热；多年平均蒸发量为1 101 mm，多年平均降雨量为1 009 mm，年内降雨分布不均，主要降雨集中在4-9月，多以暴雨形式出现，占全年降雨量的75.2%，多年平均径流量为0.8 亿m³，汛期常引发山洪和下游平原区洪涝，冬春季雨少，夏季伏旱频繁。灌区地势大体为东北高、西南低，依灌区沿线可分成两个地貌单元，灌区长滩镇上游为低山丘陵区，地表高程55～98 m，地表起伏较大，沟谷河谷发育；灌区中、下游紧邻汉江，位于汉江凹陷冲积平原之上，地表高程35～55 m，为广阔的冲洪积平地。灌区南北长约68 km，东西宽约15 km，总土地面积为831 km2，灌区设计灌溉面积23 200 hm2，有效灌溉面积16 533 hm2，现有耕地面积34 067 hm2，人均耕地0.114 hm2；种植作物有水稻、小麦、棉花、油菜、花生、沙梨等，复种指数为1.81。

1.2 渠系水利用系数的计算方法

1.2.1 渠道水量损失

渠道在输水过程中存在水量损失[7]：

式中：Ql为渠道输水损失流量，m3/s；Qg为渠道毛流量，m3/s；Qn为渠道净流量，m3/s。

渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失一般不足渠床渗漏损失的5%，在渠道流量计算中常忽略不计。闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平，可以通过加强灌区管理工作予以控制，在计算渠道流量时不予考虑。故把渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量[7–9]

对于渠道长度为L的渠段，常用下式计算渠道输水损失流量[7]：

式中：σ为每公里渠道输水损失系数，km-1；L为渠道长度，km。

常用考斯加科夫渠道渗漏经验公式估算σ[8]：

式中：A为渠床土壤透水系数；m为渠床土壤透水指数。土壤透水性参数A和m应根据实测资料分析确定。在缺乏实测资料的情况下，文献[8]推荐了针对不同土壤质地的参考值，研究区内土壤多为轻黏土，A和m分别取2.65和0.45。

1.2.2 地下水顶托修正系数和渠道衬砌折减系数

公式(2)是在不受地下水顶托及渠道衬砌影响条件下、根据渠床天然土壤透水性计算出来的渠道输水损失流量。如灌区地下水位较高，渠道渗漏受地下水壅阻影响，或者在采取渠道衬砌护面防渗措施的情况下，需对以上计算结果分别乘以地下水顶托修正系数和渠道衬砌折减系数[7,10]：

1.2.3 计算流程

为方便编程计算，假设干支渠和所属各斗渠、农渠均为续灌，自下而上逐级计入输水损失流量，推算出各级渠道的毛流量、净流量，进一步求得各级渠道水利用系数、渠系水利用系数。

1.3 计算参数与情景设置

当渠道输水流量和地下水埋深等条件不发生变化时，渠道衬砌能显著减小渠床渗漏损失，从而提高渠道水利用系数及渠系水利用系数。为探究渠道衬砌对渠系水利用系数的影响，本文根据衬砌率和衬砌位置拟定了多种情景，计算了相应的各级渠道水利用系数和渠系水利用系数，并分析了它们随衬砌情况不同而变化的规律。

1.3.1 计算基本参数

石门水库灌区干渠总长64.7 km，支渠总长12.72 km。由于斗农渠缺乏统计数据，采用典型扩大指标估算，其方法为：对渠长、控制面积具有一定代表意义的四支渠、七支渠和烂泥湖支渠三条典型支渠进行斗农渠的布设与断面设计，用得到的三条典型支渠的斗（农）渠总长度除以这三条支渠的总灌溉面积，得到单位灌溉面积上的斗（农）渠长度。以此为指标，得到其他支渠的斗农渠长度。灌区内地下水位取灌区内的平均值3 m。设计灌水模数与田间水利用系数：取设计灌水模数为6 m³/（s·万hm2），田间水利用系数为0.93[11]。根据上述参数和现状各级渠道的衬砌状况，计算得出现状渠系水利用系数为0.713。

1.3.2 不同衬砌率的情景设置

假设在土渠的基础上进行衬砌，各级渠道的衬砌率相同，且均从渠首开始连续衬砌。计算各级渠道距渠首衬砌率分别为0、20%、40%、60%、80%、100%时的渠系水利用系数。

1.3.3 不同衬砌组合的情景设置

渠道衬砌能有效降低渠道输配水过程中的渠床渗漏损失，减小干渠从水源地引入渠系的水量。当用于提高渠道衬砌率的混凝土总量（或用于购买混凝土的资金）一定时，分析各级渠道衬砌后的节水效果，从而确定应优先衬砌的渠道级别。

本设计中，石门水库灌区有干、支、斗、农四级渠道，根据各级渠道是否衬砌进行组合，共有16 种方式，如表1所示。

表1 四级渠道是否衬砌的衬砌组合Tab.1 Whether the four-level channel lining lining combination

1.3.4 不同衬砌位置的情景设置

假设各级渠道的衬砌率均为60%且衬砌连续，衬砌部分在渠道上的相对位置相同。设x为各渠道衬砌段首端距该渠道进水口的距离，L为渠道长度。如图1所示。共设置x/L=0、10%、20%、30%、40%等5种衬砌位置的情景。

图1 各渠道衬砌部分连续时的计算示意图Fig.1 The calculation diagram when the lining part of each channel is continuous

2 结果与分析

2.1 不同衬砌率对渠系水利用系数的影响

根据1.3.2 节中设置的情景计算各级渠道的渠道水利用系数以及整个灌区的渠系水利用系数，并绘制渠系水利用系数与各级渠道衬砌率的关系曲线，如图2所示。

图2 各级渠道水利用系数及渠系水利用系数与衬砌率的关系曲线Fig.2 The relation curve between the water utilization coefficient of various channels and the water utilization coefficient of canal system and lining rate

由图2可知，随着渠道衬砌率的提高，各级渠道的渠道水利用系数及渠系水利用系数均近似呈线性增长。其中渠系水利用系数增长速度最快，当衬砌率为0（即不衬砌）时，渠系水利用系数为0.604 4，当全部衬砌时，渠系水利用系数为0.969 4。

需要指出的是，由于软件在计算中只计入了渠床渗漏损失，未考虑渠道因跑水、退水等损失的水量，得到的与实际情况相比，渠道毛流量偏小、渠道水利用系数偏大。

2.2 不同衬砌组合的结果分析

2.2.1 不同衬砌组合的渠系水利用系数和年节水量

若各衬砌组合的年总引水量用Wi（i=1，2，…，16）表示。经计算可知，第1种衬砌组合（干支斗农均不衬砌）对应的总引水量W1最大；第16 种衬砌组合（干支斗农全部衬砌）对应的总引水量W16最小。

以干支斗农均不衬砌的节水量为基础，计算第i种（i=2，3，…，16）衬砌组合的节水量为：

计算各衬砌组合的年总引水量、年节水量及渠系水利用系数，如表3所示。由表3 可知，节水量随着衬砌级数的增多而增加，如果只衬砌某一级渠道，节水量从大到小的顺序为：衬砌农渠>衬砌干渠>衬砌斗渠>衬砌支渠。

表3 各衬砌组合的总引水量及节水量汇总表Tab.3 Summary of total water diversion and water saving of each lining combination

2.2.2 单位体积混凝土的年节水量

根据渠道的断面、衬砌厚度和衬砌渠道的总长度得到干渠、支渠、斗渠和农渠分别衬砌时需要使用的混凝土量为9.03、8.49、8.42 和11.14 万m³，同时得到各衬砌组合下的混凝土使用量。各情景的年节水量除以混凝土总使用量即为各情景的单位混凝土年节水量，结果见表4，可知：

表4 各衬砌组合的混凝土使用量表Tab.4 Concrete usage scale for each lining combination

（1）每立方米混凝土的年节水量的变化范围是70.47～157.40 m³，平均值为114.10 m³。

（2）当只有农渠衬砌时，单位体积混凝土的年节水量最大；当干农衬砌时，单位体积混凝土的年节水量最小。

（3）组合2（只有农渠衬砌）、组合4（斗农渠衬砌）、组合8（支斗农渠衬砌）、组合16（干支斗农渠全部衬砌）的每立方米混凝土的年节水量分别为157.40、143.12、120.46、112.48 m3。

由此可见随着衬砌的渠道级别数目增多，单位体积混凝土的年节水量逐渐减小。这说明对石门水库灌区而言，当混凝土使用量一定时，优先衬砌农渠所获得的节水量最大。

2.3 不同衬砌位置对渠系水利用系数的影响

根据1.3.4 节中设置的情景，各级渠道衬砌率为60%且连续衬砌段时，不同衬砌位置各级渠道水利用系数和渠系水利用系数的计算结果见表5。

表5 不同衬砌位置各级渠道水利用系数和渠系水利用系数Tab.5 The water utilization coefficient of channel and canal system at different lining positions

综合分析表5中结果可知：

（1）除x/L=10%的两条渠道外，大部分渠道随着各渠道衬砌部分的位置向渠道尾部移动（即x/L逐渐增大），渠系水利用系数逐渐减小。当各级渠道均从渠首开始衬砌时，渠系水利用系数最大，为0.816 5；当各级渠道衬砌部分的尾端与渠道的尾端重合时，渠系水利用系数最小，为0.771 0。

（2）随着各渠道衬砌段的位置逐渐后移，干渠的渠道水利用系数逐渐减小，支、斗两级的渠道水利用系数先增大再减小，农渠的渠道水利用系数基本不变。

3 结论

渠道衬砌可以显著减少渠道渗漏量，提高渠道水利用系数和灌溉水利用系数。本文利用“渠系水利用系数软件v1.0”，计算了各种渠道衬砌状态下的渠系水利用系数，得到以下结论：

随着渠道衬砌率的提高，各级渠道的渠道水利用系数及渠系水利用系数均近似呈线性增长。单位混凝土衬砌对于渠道水利用系数的影响，与渠道的断面，长度，控制的灌溉面积等有关。在石门水库灌区，每立方米混凝土的年节水量的变化范围是70.47～157.40 m³，平均值为114.10 m³；当混凝土使用量一定时，将混凝土优先用于衬砌农渠，所获得的节水量最大。对于同一渠道而言，衬砌时应首先选择渠首位置。

需要指出的是，渠系水渗漏损失包括跑水、漏水、渗水、泄水；本文只是利用渠道渗漏公式计算了渗水，此外，渠系水渗漏损失计算时，采用《灌溉与排水工程设计标准》（GB50288-2018）上的衬砌折减系数是衬砌施工后初期值，此时衬砌防渗效果最好，实际上随着衬砌混凝土使用年限的增加，折减系数会减少，渠系水利用系数会降低。基于上述原因，本文所计算的渠系水渗漏损失偏小，渠系水利用系数偏大，因此本文所得数据更多的反映了在不同衬砌状况的情况下，渠系水利用系数的变化趋势，通过相互比较，确定灌区范围内多种情景下的渠系最佳衬砌方式，同时本文计算所得出的数据经过灌区实测资料的验证后方具有实际意义。