干渠和三级渠道水损失的现场测量和分析

张赞荣

(江西省上饶市余干县水利局水利事务服务中心，江西 上饶 334000)

灌溉系统的正常运行取决于各个部件的性能，输水设施是灌溉系统的主要部分。在我国，超过85%的农田灌溉使用低效的地面灌溉系统。由于施工和运营条件的差异，灌溉渠的浪费量占总输送水量的30%～50%。

渠道输水效率受多种因素影响，如裂缝、渗滤、渗漏和物理损坏。葛静等[1]使用输入-输出法测量了河南省陆浑灌区灌溉渠的渗流损失。干渠主要采用土工膜衬砌，而二级和三级渠道为无衬砌。在本研究中，干渠、二级渠道和三级渠道的渗流损失分别为1.09(m3/m2)/d、3.38(m3/m2)/d和2.14(m3/m2)/d。土工膜衬砌损坏和维护不到位是造成高水损的主要原因。因此加强渠道的维护和维修，是减少渗流损失的关键[2]。李德成[3]研究表明，渠道流量与渗流损失之间存在直接关系。用土工膜代替渠道的混凝土衬砌可以降低成本，并将输水效率提高20%。有研究表明有衬砌的渠道输水效率为75%，无衬砌的渠道为52%[4]。检查衬砌渠道运行状态时最重要的是泥沙的积累和渠道衬砌的破坏。如果渠道衬砌施工正确，所有渗流损失都是可以避免的。随着时间的推移，渠道的衬砌可能发生变化，丧失最初的性能。裂缝、杂草生长和不兼容的建筑材料等因素都会导致渗透损失增加[5]。一般来说，确定灌溉渠中的确切渗流损失量既困难又费时。然而，与其他方法(经验公式和软件方法)相比，现场实验和直接测量产生的结果更准确。当灌溉渠施工不当且运行不合理时，输入-输出法是估算渗流最合适、最精确的方法。

三塘河灌区灌溉是江西省最大的灌溉系统之一，始建于20世纪50年代初，近年来各灌溉渠存在坍塌、淤堵现象，渠系建筑物老化破损、漏水严重，输水结构性能差导致水分配不当和不公平，降低了输水效率，使系统运行和维护变得困难。灌区种植面积有所扩大，而供水量却在减少。因此，有必要改善灌溉管理，提供准确可靠的渠道输水效率和水损失信息。本文检查了三塘河灌区灌溉方案中输水设施的物理结构和管理结构，并通过现场测量对选定渠道的渗流、输送效率和衬砌状态进行调查，以提供合适的解决方案来解决问题并提高水资源生产率。

1 材料和方法

1.1 三塘河灌区灌溉方案

三塘河灌区灌溉面积3890 hm2，其水工结构的使用年限超过30年，灌区通过导流坝以及污水处理厂进行供水。如图1所示，三塘河灌区灌溉方案的灌溉指挥区约为2000 hm2，由6条二级渠道组成(表1)，干渠AB和BC的长度分别为5 km和6 km。所有干渠、二级渠道和三级渠道都有混凝土衬砌。在超过1500 hm2区域执行数据挖掘过程，使用超声波流量计记录70多个选定点(渠道横截面)的流量参数。干渠、二级渠道和三级渠道中研究河段的平均长度分别为1820 m、925 m和870 m。在数据采集过程中，由于水流浊度、非几何断面和渠道中的沉积等因素，无法精确确定渠道横断面中的流速。因此，最后将3条干渠河段、6条二级渠道河段和12条三级渠道河段纳入结果分析。

图1 三塘河灌区灌溉方案图示

表1 二级渠道特征

1.2 输水效率(ec)

为补偿输水路径中的水损失，有必要确定准确的输水效率。输水效率取决于各种因素，如渠道长度、土壤类型和渠道衬砌材料。本文选择多个河段作为样本，以确定渠道中的水量损失，这些河段的水损失量通过输入-输出法计算。通过该方法可以获得所有输水损失，包括通过渠道的渗流损失和水面蒸发损失。灌溉渠中的蒸发水损并不显著，因此本文未单独确定。计算输水效率见式(1)。

(1)

式中：ec为输水效率，%;Vd为输送至配水系统的水量，m3；V2为非灌溉用水，m3；Vc为从水源分流的水量，m3；V1为从其他水源输送至输水系统的输入水量，m3。根据粮农组织提供的数据，不同长度衬砌渠道的输水效率预期值为95%。

1.3 渗流损失(S)

渗漏受各种因素的影响，如水深、渠道衬砌质量、渠道尺寸、河床坡度、泥沙量、渠道年龄、流量、流速以及渠道实施和运营的质量。图2为渠道使用时间会影响渗流损失量。据观察，在渠道建设完成14年里，膨润土衬砌的渗漏率增加了12 000倍 以上。这是输水渠道使用适当衬砌的决定性因素。同样，随着时间的推移，混凝土渠道会发生结构变化，渗流损失量也会增加。

图2 渗漏率随着时间推移的变化

低流速是增加渗流损失的最有效因素之一。灌溉渠中防止水流沉淀的最小允许流速为0.6～0.9 m/s。为了克服渠道中水生植物和苔藓的生长，建议最小流速大于0.75 m/s。方程式(2)用于确定渗流损失量。

(2)

式中：S为渗流损失量，(m3/m2)/d；Δq为渠道河段的输入和输出之差，l/s；P为湿润周长，m；L为渠道河段长度，m。

用于测量灌溉渠流量的常见方法是采用水槽、文丘里流量计、孔板和堰等简单工具测量，其精度取决于使用方法和环境条件。在本研究中，使用超声波流量计来提高测量精度，该装置由超声波测速探头和测量水深的压力变送器组成。传感器位于水渠底部，与水流方向相反。

尽管干渠会出现非恒定流(三级灌溉渠道中则较少)，但大多数运行周期都是在稳定状态下进行的。本文在恒定流条件下测量了渠道河段起始和结束处的流速。流量计每2.5 s报告一次深度和流速。因此，在数据挖掘过程中，可以检测到由于闸门或其他非稳态来源而导致的水位变化。

2 结果与讨论

结果汇总见表2。本表第2列为选定河段长度。第3列为每个河段的平均流速。第4列为每个河段的平均湿周。第5列为渗流面，本文将渗流面定义为渠道衬砌与水直接接触的面积，即用第4列乘以第2列得出。第6列为与选定河段相关的输入和输出流量，由超声波流量计测得。第7列为使用式(2)计算的渗流损失量。第8列为使用式(1)计算的输水效率值。第9列为每公里水损失百分比，干渠、二级渠道、三级渠道渗流损失平均值分别为1.22(m3/m2)/d、1.18(m3/m2)/d、0.63(m3/m2)/d。

表2 各级渠道输水效率和渗流损失测定

由表2可知，在平均长度为1823 m的干渠中平均输水效率为91.1%，在平均长度为925 m的二级渠道中平均输水效率为92.1%，在平均长度为869 m的三级渠道中平均输水效率为91.8%。通过统一河段长度条件，确定干渠、二级渠道、三级渠道每公里的输水效率分别为95.0%、91.5%和89.3%。尽管干渠的渗流面最大，但与二级和三级渠道相比，其相对损失(相对于总流量)较小。相比之下，三级渠道的相对损失最高。这表明在三塘河灌区灌溉方案中，与二级渠道相比，干渠的性能更好，而二级渠道的性能优于三级渠道。

评估结果表明，三级渠道的水损失在0.27～1.50(m3/m2)/d之间变化。这种差异是由于渠道衬砌的破坏、渠道接缝处水的渗透以及渠道内杂草生长造成的。一般来说，植物的生长以3种方式造成水损失：(1)用于植物生长。(2)植物根部会破坏混凝土，造成其抗水渗透性降低。(3)植物堵塞了渠道路径并降低了流速。在这种情况下，有效渗流面增加，渗流量也增加。在该方案中，二级渠道的平均渗流损失量为1.18(m3/m2)/d。运营操作不当会对渠道的某些区域造成严重破坏，形成大量接缝和缝隙，大小裂缝的发展为水进入下层混凝土提供了条件。

图3为评估渠道中流速和湿周之间的关系。流速和湿周之间的最大差值出现在二级渠道。这些渠道的地形条件(图1)导致渠道河床坡度和流速降低，泥沙淤积增加。根据连续性方程和经验公式估算渗漏，随着速度的降低，渗流面和渗漏增加。

图3 各级渠道测点处的平均流速与湿周

图4为各级渠道输入量、湿润周长与水损失关系，从图中可知干渠的渗流损失量最高，平均值为1.22(m3/m2)/d。图5为渠道每公里的渗流面与平均渗流损失量之间的关系。由表2和图5分析可得：

图4 渠道输水量和湿润周长与水损失之间的关系

图5 渗流面与干渠、二级渠道和三级渠道平均渗流损失量的关系

(1)就每公里渠道输水效率，干渠渗流面高于二级渠道，二级渠道渗流面大于三级渠道。

(2)对于公里的输水渠道表面，干渠的平均渗流损失量大于二级渠道，二级渠道的平均渗流损失量大于三级渠道。

(3)将每公里河段的干渠和二级渠道渗流面进行比较，流量减少50%以上，渗流面仅减少12%。

(4)将每公里河段的干渠和三级渠道渗流面进行比较，从干渠到三级渠道减少90%以上的流量，渗流面仅减少36%。

干渠和三级渠道的进出流、渗流面比较表明，流量减少率远远高于渗流面减少率。其原因与渠道的几何特征有关。在梯形渠道内发生流量增减时，渗流面不一定随流量变化而变化。相比之下，在三级渠道中，式(2)中的分子和分母均比干渠小。然而，分母的减少要高得多，因此，三级渠道中的分数总量增加。为了研究通过流量对渗流损失的影响，引入了Sr作为无量纲参数,如式(3)：

(3)

式中：Sr为规定时间内渗流损失量与过流体积及渗流面的比值；VS为同时来自渠道和渗流面的渗流损失量，m3；TF为在同一时间通过同一渠道的总流量,m3。干渠、二级渠道和三级渠道每平方米渗流面的Sr平均值分别为1.51×10-3，2.87×10-3和8.4×10-3。图6为各级渠道每公里的输水效率与Sr值之间的变化。

图6 输送效率与Sr参数的变化

由图可知，与干渠和二级渠道相比，三级渠道输水效率低的主要原因为测量长度。当输入流量恒定，渠道长度改变，输出流量和输水效率也会改变。因此，有必要在输水效率报告中提及河段长度。此外，灌溉渠输水效率报告中还需考虑渠道的物理条件和运行条件。

防止水生植物生长的最小允许速度为0.75 m/s，防止渠道淤积的最小允许速度为0.60～0.90 m/s。根据表2，二级和三级渠道的平均流速为0.50 m/s，这可能会导致沉积。二级渠道中流速的降低导致渗流增加，三级渠道长度长、水量小、渠道扭曲等因素是造成水损增加的主要原因。本研究表明，渗流经验方程计算结果存在较大误差，尤其是在三级渠道中。

3 结 论

为更精确地研究渠道中的输水情况和水损失，本文通过使用超声波流量计现场测量和分析了三级灌溉渠道的渗流和输水效率。结果表明：

(1)每公里河段内干渠、二级渠道和三级渠道的输水效率分别为95.0%、91.5%和89.3%。

(2)对于干渠、二级渠道和三级渠道，每单位面积渗流面的渗流损失量分别为1.22(m3/m2)/d、1.18(m3/m2)/d和0.63(m3/m2)/d。干渠的性能优于二级和三级渠道。

(3)在一定长度上，干渠的输水效率较高，但与二级和三级渠道相比，其绝对损失最大。因此，干渠的适当维护将改善方案的整体性能，其损坏将导致更多水量损失。

(4)影响干渠渗流和输水效率的主要因素为衬砌质量和建筑材料的损坏等；影响二级和三级渠道渗流和输水效率的因素主要是操作不当。因此应强化农民在渠道运营和管理中的教育和参与度，提高渠道预防性维修也更具成本效益。