受防滲標準影響的渠系水利用系數(shù)計算問題探討

廖文平

(南昌市水利電力建設公司，南昌 330000)

0 引 言

灌溉渠道凈流量和毛流量之比即為渠系水利用系數(shù)，當灌溉水從水源引出后直至進入田間被農(nóng)作物吸收利用，這一過程中必然發(fā)生水量損失，該系數(shù)取值可以綜合體現(xiàn)出灌區(qū)各級灌溉渠道運行情況及管理水平。當前國內(nèi)科研單位對于河網(wǎng)流域自然運行狀態(tài)下水資源利用程度研究較多，而對灌區(qū)渠系等人工灌溉網(wǎng)絡水資源利用情況并未展開深入研究。近年來，部分學者應用Horton定律進行國內(nèi)部分大型灌區(qū)渠系水利用程度的表征，并借助自組織分形理論進行了渠系分位數(shù)計算區(qū)間的構(gòu)建，以求確定渠系水利用系數(shù)的準確取值[1]。該方法是在假定渠系水利用系數(shù)滿足河系定律發(fā)展規(guī)則的基礎上進行分析研究，但這一假設條件在很多情況下無法滿足，結(jié)果的合理性和準確性也難保證。為此，文章引入防滲標準，并試圖構(gòu)建新型的渠系水利用系數(shù)計算模型，并對結(jié)果和真實性和有效性進行試驗論證。

1 渠系水等級劃分

為構(gòu)建新型的渠系水利用系數(shù)計算模型，首先必須在考慮防滲標準的基礎上，以防滲標準參數(shù)為依據(jù)進行渠系水等級劃分。防滲標準參數(shù)可從側(cè)面反映渠道輸水損失程度及渠系水利用程度，可按照以下公式計算：

(1)

式中：W為防滲標準參數(shù)；q為渠道輸水周期均值；ri為渠系水資源波峰利用率；ui為渠系水資源波谷利用率；E為渠系水資源極限利用率參考值；i為渠系水資源利用率波峰、波谷點坐標參數(shù)。

防滲標準參數(shù)可以通過等級渠頻數(shù)進行引申解釋，對渠系水等級劃分存在一定影響。等級渠頻數(shù)的確定過程也就是在確保灌區(qū)渠系管道、灌溉網(wǎng)絡均嚴格按照自然規(guī)律變化的基礎上，應用水資源利用系數(shù)分析技術(shù)確定渠系水體變動趨勢，并最終確定出等級渠頻數(shù)，達到渠系水等級的劃分。公式如下：

(2)

式中：p為等級渠頻數(shù)；yl為渠系水利用系數(shù)；t為周期變化系數(shù)；d為渠系水應用趨勢；S為渠系水參量目標值；S0為渠系水參量初始值；k為渠系水等級執(zhí)行劃分基量。

2 渠系水利用系數(shù)計算

在基于防滲標準下劃分渠系水等級的基礎上進行渠系水利用系數(shù)計算時，必須區(qū)分等效并聯(lián)利用系數(shù)和非等效并聯(lián)利用系數(shù)兩種情況。

2.1 等效并聯(lián)利用系數(shù)

所謂等效并聯(lián)是指從下級渠道向不同的上級渠道供水的方式，這種供水方式所連通的灌溉渠系面積有限，且忽略其余影響因素的基礎上，上下級渠道渠系水利用系數(shù)始終為λ，在渠系關聯(lián)參數(shù)為ξ的情況下，可以用下式表示等效并聯(lián)利用系數(shù)：

(3)

式中：F1為渠系水等效并聯(lián)利用系數(shù)；mb為渠系水灌溉條件實值；x為灌溉渠道關聯(lián)值積分下限；ω為灌溉渠道供水能力實值；T為渠系水利用系數(shù)冪次項積分。

2.2 非等效并聯(lián)利用系數(shù)

所謂非等效并聯(lián)是下級渠道向同一條上級渠道供水的方式，此方式下所連接的灌溉面積較大，并能實現(xiàn)支渠、干渠混合連通，并且各支流渠系水不與其余支流渠系水發(fā)生直接關聯(lián)；干渠渠渠道水利用系數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，受支流渠系水利用系數(shù)的影響不大[2]。

在得到以上兩種利用系數(shù)后，通過與等級渠頻數(shù)聯(lián)合的方式計算渠系水利用系數(shù)，基于式(2)和式(3)，關聯(lián)規(guī)則表示如下：

(4)

式中：R為關聯(lián)標準系數(shù)；F2為渠系水非等效并聯(lián)利用系數(shù)；ε為關聯(lián)周期下限；Q為渠系水利用極限系數(shù)；φ為渠頻數(shù)混合周期；σ為渠頻數(shù)回歸周期。在充分考慮關聯(lián)規(guī)則的情況下，進行渠系水利用系數(shù)受防滲標準影響的研究。

3 工程實例

3.1 工程概況

樂平市統(tǒng)籌整合資金推進高標準農(nóng)田建設項目19標段主要涉及樂平市雙田鎮(zhèn)龍廟村、德明村、雙華村、金童許村，主要建設內(nèi)容包括管網(wǎng)埋設、渠系防滲、水工建筑物、輸變電線路建設、高標準農(nóng)田建設等工程。項目區(qū)包含灌排渠系、耕地、荒地、道路等不同土地形式，其中耕地在灌區(qū)總面積中占比47%。結(jié)合該高標準農(nóng)田建設項目主要渠道規(guī)劃圖，通過Google earth衛(wèi)星影像進行工程區(qū)內(nèi)斗渠分布情況的補充描繪，并在2021年末進行該項目現(xiàn)場踏勘，應用GPS對工程區(qū)各渠道起點終點、主要建筑物位置等進行定位，最終完成渠系分布圖的繪制，并標記出襯砌材料、施工時間、損毀程度等詳細資料。將以上所得到經(jīng)緯度坐標參考Google earth衛(wèi)星影像進行項目區(qū)渠系分布點繪，并確定出渠道起始點；結(jié)合渠道沿程實際高程，確定出農(nóng)渠具體的灌溉范圍，為渠系水利用系數(shù)的測算提供數(shù)據(jù)基礎[3]。

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 與河系定律發(fā)展規(guī)則吻合程度

為進行防滲標準下新型渠系水利用系數(shù)計算方法和現(xiàn)有技術(shù)手段的比較，必須采用相同的試驗參數(shù)進行兩種手段試驗結(jié)果的記錄和比較，以保證試驗結(jié)果的真實性和可比性。兩種計算方法下防滲標準參數(shù)均為0.84，試驗歷時均為35min，目標吻合度均為74.32%，渠系水利用極限均為96.75%。

在35min的試驗歷時中，應用新型渠系水利用系數(shù)計算方法和現(xiàn)有技術(shù)手段所得到的渠系水利用系數(shù)和河系定律發(fā)展規(guī)則吻合程度的比較具體見圖1。根據(jù)圖中結(jié)果，當試驗歷時在10-15min以內(nèi)時，兩種方法所得到的渠系水利用系數(shù)及河系發(fā)展規(guī)則吻合程度均出現(xiàn)最大值，且兩者之間存在35.31%的差值，新型渠系水利用系數(shù)計算方法對應的試驗結(jié)果明顯高于現(xiàn)有技術(shù)；此后兩者變動趨勢趨于一致。

圖1 河系定律發(fā)展規(guī)則吻合程度比較

3.2.2 渠系水利用系數(shù)測算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，該高標準農(nóng)田建設項目農(nóng)渠渠系水利用系數(shù)取值在0.479-1.000之間，均值為0.761；斗渠渠系水利用系數(shù)取值在0.678-0.989之間，均值0.953。為研究不同防滲標準對渠系水利用系數(shù)的影響，在進行不同襯砌背景設置的基礎上計算渠系水利用系數(shù)，并分析各級渠道從不設置防滲標準到現(xiàn)狀防滲標準的情況下渠系水利用系數(shù)變動趨勢，比較防滲標準對渠系水利用系數(shù)的影響和貢獻。具體而言，設置四種防滲情景：方案1為全部渠道均不設置防滲標準；方案2為支渠全部采用現(xiàn)狀防滲標準，但斗渠和農(nóng)渠均不設置防滲標準；方案3為支渠、斗渠全部采用現(xiàn)狀防滲標準，但農(nóng)渠不設置防滲標準；方案4為全部灌溉渠道均采用現(xiàn)狀防滲標準。根據(jù)分析，隨著防滲標準的提高，襯砌輸水渠道等級增加，輸水損失流量也持續(xù)減小，渠系水利用系數(shù)隨之增大。具體見圖2。

圖2 同級別渠道渠系水利用系數(shù)

3.2.3 襯砌防滲位置的影響

在防滲標準一致的情況下，襯砌位置也對渠系水利用系數(shù)存在一定影響。假定各級渠道長度中60%均采用混凝土襯砌護面，襯砌段起始位置分別為與渠首相距0、10%、20%、30%和40%的位置，對應著5種襯砌方案，具體見圖3。圖中渠道長度為L，各方案下的黑色粗線表示實際襯砌段，黑色細線則表示未襯砌段。在設計灌水率為5.2×10-4m3/(s·hm2)，地下水埋深為2.0m的情況下所得到的5種方案渠系水利用系數(shù)結(jié)果匯總至表1。

4 結(jié) 論

綜上所述，文章所提出的新型渠系水利用系數(shù)計算方法所得出的結(jié)果和河系定律發(fā)展規(guī)則的吻合程度較高，且該方法計算過程簡單，隨著灌溉渠道防滲標準的提高，渠系水利用程度也穩(wěn)步提升。分析結(jié)果還表明，提升防滲標準并采取有效的防滲措施是提升農(nóng)田渠系水利用系數(shù)的可行之策，對于渠段部分襯砌的情況下，在渠首和渠尾分別預留出10%和30%的長度不襯砌時，渠系水利用系數(shù)的取值最大。值得注意的是，文章借助理論分析進行高標準農(nóng)田渠系水利用系數(shù)測算，并將渠床滲漏損失量近似視為輸水總損失量，忽略了渠道退水、閘門漏水、水面蒸發(fā)損失，所得到的渠系水利用系數(shù)值必定高于實際值，應在應用中注意。

圖3 襯砌位置設置

表1 渠系水利用系數(shù)結(jié)果匯總

由表1結(jié)果可知，不同襯砌方案下各級灌溉渠道渠系水利用系數(shù)取值差異較大，其中農(nóng)渠渠道不同方案差異不明顯，而支渠和斗渠渠系水利用系數(shù)方案2和方案3最大，方案5最小。這意味著在對灌溉渠道實施部分襯砌的情況下，必須先從渠首偏中部位置開始襯砌，利于渠系水利用系數(shù)的提升。