灌區(qū)渠系輸水系統(tǒng)節(jié)水量的幾種計算方法

1、灌區(qū)渠系輸水系統(tǒng)節(jié)水量的幾種計算方法張厚玉 1 程獻(xiàn)國2（1、黃委會建設(shè)與管理局 鄭州 450003 2、黃河水利科學(xué)研究院引黃灌溉工程技術(shù)研究中心 新鄉(xiāng) 453003）摘要：本文介紹了幾種傳統(tǒng)的渠道節(jié)水量計算方法，在此基礎(chǔ)上提出了等效渠系法估算灌區(qū)渠系可能節(jié)水潛力的新方法，并用該法對寧蒙有關(guān)典型灌區(qū)的渠系可能最大節(jié)水潛力進(jìn)行了計算，計算方法簡便有效。關(guān)鍵詞 節(jié)水量 節(jié)水潛力 等效渠系我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國水資源的消費主體。隨著水資源供需矛盾日益突出，灌區(qū)節(jié)水改造與續(xù)建配套將是我國近期節(jié)水發(fā)展和節(jié)水投資的重點。就渠系節(jié)水改造而言，主要是對土渠或老化失修滲漏嚴(yán)重的渠道進(jìn)行防滲處理，減少滲漏損

2、失。本文將傳統(tǒng)的渠道節(jié)水量計算方法概括為直接法和間接法。在此基礎(chǔ)上提出了一種新的渠系節(jié)水量計算方法等效渠系法。1 傳統(tǒng)的渠道節(jié)水量計算方法1.1 直接法直接法是利用渠道襯砌前后滲漏損失量差值作為節(jié)水量的一種計算方法，直接法計算渠道節(jié)水量的公式如下： （11）式中：Ws 渠道節(jié)水量，m3； 渠道襯砌前滲漏損失量，m3； 渠道襯砌后滲漏損失量，m3； 單位長度未襯砌渠道滲漏量，m3/(s·km)； 單位長度襯砌渠道滲漏量，m3/(s·km)； 渠道襯砌長度，km； 輸水時間，s。由公式（1-1）可知，渠道襯砌前后單位長度滲漏量是計算節(jié)水量的關(guān)鍵。根據(jù)單位長度渠道滲漏量計算方法的

3、差異，可將其分為理論公式法和經(jīng)驗公式法二種情況。（1）理論公式法理論公式法是利用灌區(qū)渠道的水力要素和土壤物理參數(shù)計算渠道理論滲漏量的一種方法。襯砌前單位長度渠道滲漏量計算公式：干、支渠： （12） 斗渠以下渠道： （13） 受地下水頂托影響的渠道： （14）式中： 未襯砌渠道的土壤滲透系數(shù)，m/d； 渠底寬度，m； 渠道水深，m； 渠坡側(cè)向毛管滲吸修正系數(shù)，由渠道防滲工程技術(shù)查得； 考慮土壤毛管滲吸影響后的渠道水深，m； 邊坡系數(shù)； 毛細(xì)管水最大上升高度，可根據(jù)土壤情況由渠道防滲工程技術(shù)查得，m； 渠道水面寬度，m； 系數(shù)，取決于、，可由渠道防滲工程技術(shù)查得； 有地下水頂托情況下，未襯砌渠道每

4、公里渠長滲漏量，m3/s·km； 校正系數(shù)，可由渠道防滲工程技術(shù)查得。襯砌后單位長度渠道滲漏量計算公式： （15）式中： 渠道防滲措施下的滲漏量折減系數(shù)，由渠道防滲工程技術(shù)查得。（2）經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法是根據(jù)有關(guān)試驗研究成果，歸納出不同渠道參數(shù)、不同土壤結(jié)構(gòu)條件下，渠道襯砌前后單位長度滲漏損失量的經(jīng)驗計算公式，利用經(jīng)驗公式推廣計算不同渠道單位長度滲漏損失量的一種方法。一般經(jīng)驗公式表達(dá)式如下： （16）對于受地下水頂托影響的渠道水滲漏量公式 （17）式中： 單位長度渠道滲漏損失量，m3/(s·km)； 土壤透水系數(shù)； 渠首流量，m3/s；m 土壤透水指數(shù)； 受地下水頂托情況

5、下，單位長度渠道滲漏量，m3/(s·km)。直接法計算渠道節(jié)水量，概念明確，但易受資料限制，尤其是渠道單位長度損失量的計算。理論法計算渠道單位長度損失量需要渠道的斷面形態(tài)、水力要素、土壤質(zhì)地、地下水狀況、運(yùn)行管理等方面的詳細(xì)資料；經(jīng)驗公式法計算渠道單位長度損失量，雖能避免資料短缺帶來的問題，但存在試驗研究成果的移用、引用可信度問題。直接法多用于單條渠道節(jié)水量的計算。1.2 間接法間接法是根據(jù)渠道襯砌前后水利用效率的變化及渠道（渠首）引水量，分析計算渠道節(jié)水量的方法。間接法又分為逐級渠道法和綜合渠系法兩種。（1）逐級渠道法根據(jù)各級渠道襯砌前后的水利用系數(shù)和現(xiàn)狀進(jìn)入相應(yīng)渠道的水量，計算渠

6、道襯砌前后的滲漏損失量，其差值作為節(jié)水量。計算公式如下： （18） （19）式中： 第級渠道節(jié)水量，m3； 第級渠道的引水量，m3； 第級渠道襯砌后的水利用系數(shù)； 第級渠道襯砌前的水利用系數(shù)； 灌區(qū)渠道級別。（2）渠系綜合法根據(jù)現(xiàn)狀進(jìn)入田間的水量和襯砌后渠系水利用系數(shù)，折算襯砌后渠首引水量，以現(xiàn)狀渠首引水量與襯砌后渠首引水量之差作為節(jié)水量。計算公式為： = （110）式中： 襯砌前渠首引水量，m3； 襯砌后渠首引水量，m3； 襯砌前渠系水利用系數(shù)； 襯砌后渠系水利用系數(shù)。間接法避免了資料不足和其它因素的影響，將其歸結(jié)為渠道水利用系數(shù)。逐級渠道法需要知道每級渠道的水利用系數(shù)和相應(yīng)渠道的引水量，限

7、制了該法的使用。渠系綜合法將整個灌溉渠系視為一個系統(tǒng)，以現(xiàn)狀進(jìn)入田間的水量為基礎(chǔ)，利用渠系水利用系數(shù)推求渠首引水量，直接與灌溉引水量相銜接，方法簡練。但如何獲得渠系水利用系數(shù)是需要解決的關(guān)鍵問題。2 等效渠系法計算渠系可能節(jié)水潛力等效渠系法是用以估算灌區(qū)渠系全部襯砌后渠系水利用系數(shù)的方法，是渠系綜合法的延伸。具體思路為：首先，概化灌區(qū)不同級別渠道的等效渠道；其次，利用典型試驗區(qū)的實驗資料，分析不同級別渠道的單位長度損失量和單位長度渠道水利用系數(shù)；第三，根據(jù)試驗區(qū)的成果，分析計算等效渠道的單位長度水利用系數(shù)和渠道的水利用系數(shù)；第四，計算等效渠系的水利用系數(shù)；最后，利用渠系綜合法計算輸水系統(tǒng)節(jié)水量

8、。（1） 等效渠道概化等效渠道是指該級渠道能代表灌區(qū)中該類輸水渠道的輸水特性，包括長度等效和流量等效。等效渠系是灌區(qū)不同級別等效渠道的集合。其概化方法為：等效長度： （21）式中： 第級渠道的等效長度，km； 第級渠道的長度，km； 級渠道的總數(shù)量，條。等效流量： （22）式中： 第級渠道的等效流量，m3/s； 渠首總引水量，億m3； 第級渠道的運(yùn)行時間，天。（2） 等效渠道水利用系數(shù)由渠道滲漏量公式（16）可得： （23）式中： 等效渠道單位長度滲漏量，m3/(s·km)； 等效渠道流量，m3/s；、 灌區(qū)的土壤參數(shù)；、 分別代表典型試驗區(qū)渠道的單位長度滲漏量、流量、土壤參數(shù)。等效

9、渠道單位長度水利用系數(shù)： （24）式中： 第級渠道的單位長度水利用系數(shù)； 第級渠道的單位長度損失量，m3/(s·km)。等效渠道的水利用系數(shù)： （25）式中： 第級渠道的水利用系數(shù)。（3） 等效渠系水利用系數(shù) （26）式中：渠系水利用系數(shù)。（4） 渠系可能節(jié)水潛力計算將灌區(qū)的現(xiàn)狀引水量、現(xiàn)狀水利用系數(shù)、等效渠系的水利用系數(shù)代入公式（110），即可求得灌區(qū)整個輸水系統(tǒng)的可能最大節(jié)水潛力。3 等效渠系法計算實例以寧夏衛(wèi)寧引黃灌區(qū)和內(nèi)蒙古南岸引黃灌區(qū)為例，計算渠系可能節(jié)水潛力。兩灌區(qū)等效渠道概化結(jié)果見表31。表31 衛(wèi)寧灌區(qū)和南岸灌區(qū)等效渠道概化結(jié)果灌區(qū)名稱項目總干渠干渠支渠斗渠農(nóng)渠衛(wèi)寧灌

10、區(qū)總長度(km)344 1827 995 2645 條數(shù)5 261 474 4409 運(yùn)行時間（d）180553020等效長度(km)68.70 7.00 2.10 0.60 等效流量(m3/s)17.08 1.07 0.93 0.17 南岸灌區(qū)總長度(km)148.0 39.7 184.6 606.3 1150.0 條數(shù)1 2 85 425 1150 運(yùn)行時間（d）120120503020等效長度(km)148.00 19.80 2.20 1.40 1.00 等效流量(m3/s)40.80 20.40 1.15 0.38 0.21 根據(jù)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)典型試驗區(qū)試驗成果資料，建立不同流量襯砌渠

11、道單位長度損失量與渠道流量關(guān)系，如圖31所示。圖31 渠道襯砌后單位長度損失量與渠道流量的關(guān)系假定衛(wèi)寧灌區(qū)和南岸灌區(qū)渠系節(jié)水改造，與內(nèi)蒙古河套灌區(qū)典型試驗區(qū)情況相同，則兩灌區(qū)不同流量級別渠道襯砌后單位長度滲漏量可由圖31查得。根據(jù)公式24可以計算出衛(wèi)寧灌區(qū)和南岸灌區(qū)不同級別渠道單位長度等效渠道水利用系數(shù)，見表32。表32 寧蒙引黃灌區(qū)等效渠道單位長度渠道水利用系數(shù)灌區(qū)名稱總干渠干渠支渠斗渠農(nóng)渠衛(wèi)寧灌區(qū)0.99620.98960.98920.9791南岸灌區(qū)0.99760.99910.99020.98470.9808根據(jù)公式33，計算兩灌區(qū)各級渠道和渠系綜合水利用系數(shù)，結(jié)果見表33。表33 寧蒙引黃灌區(qū)等效渠道(渠系)水利用系數(shù)灌區(qū)名稱總干渠干渠支渠斗渠農(nóng)渠渠系衛(wèi)寧灌區(qū)0.77210.92910.97750.98740.6924南岸灌區(qū)0.70450.98180.97880.97830.98080.6496現(xiàn)狀衛(wèi)寧灌區(qū)和南岸灌區(qū)年引水量為4.88億m3和4.1億m3，渠系水利用系數(shù)為0.46和0.32。根據(jù)公式110，即可計算灌區(qū)可能最大節(jié)水量，結(jié)果見表34。衛(wèi)寧灌區(qū)可能節(jié)水潛力4.43億m3，南岸灌區(qū)可能節(jié)水潛力2.15億m3。表34 衛(wèi)寧、南岸灌區(qū)可能節(jié)水量計算成果灌區(qū)名稱引水量 （億m3）現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)襯砌后渠系水利用系數(shù)節(jié)水