渠道流量损失计量研究

 在前几年的灌区续建配套设计中，对渠道流量进行计算时，多次根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）求渠道水利用系数，结果总觉得比实际中的大得多，后来经过仔细推敲，得出以下心得，和同行一起探讨。现以湖南省新化县半山灌区干渠渠道流量设计说明。

    1 渠道水利用系数理论计算

    根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），渠道水量损失率可取自实测资料，当缺乏实测资料时，可采用以下公式计算：

    （1）

    式中σ——渠道单位长度水量损失率（%/km）；

    K——土壤透水性系数，K=1.9；

    m——土壤透水性指数，m=0.4；

    Q^m_净——渠道净流量（m³/s）。

    本设计根据实际情况不考虑地下水顶托影响。

    渠道采用现浇混泥土进行衬砌，水量损失率用以下公式修正：

  （2）

    式中σ₀——衬砌渠道单位长度水量损失率；

    ε₀——衬砌渠道渗水损失修正系数，按规范并结合实际取0.15。

  （3）

    式中η₀——渠道水利用系数；    

    L——渠道长度（km）。

    计算渠首流量常用方法是从下而上依次分段计算流量至渠首，这样计算的结果比较准确，而且也可得出各节点处（分水口处干渠）的流量，但由于各干渠渠道为配水渠道，沿程分水口较多，这样计算过程比较繁琐。在计算过程中为了简便，将各分水口的分水量计于渠末，即将所有分水量相加作为渠道末净流量，然后按渠道整体长度推算渠首流量。简算方法的结果是将流量损失算大了，也就是渠道水利用系数结果偏小，求得的渠首流量比前种方法计算的流量要稍微偏大。但通过论证，后者比前者计算的流量误差在1.5%以内，而且流量越大该误差越小，所以常采取后者来进行渠首流量和渠道水利用系数的计算。

    已知半山灌区各干渠渠末流量（即净流量）和长度，得出各渠道水利用系数和各渠首流量。如表1。

 

    2 理论计算成果与实测数据的差异

    由表1可知，各渠道水利用系数都比较大，从总干渠首至右干渠末长约40km长的渠道水利用系数达0.923，由此也可得出灌溉水利用系数将达0.68～0.75，但是在目前现有的施工条件和灌区管理模式下，灌溉水利用系数一般仅为0.35～0.4，这就是我们得出的不一致性所在。

    出现以上问题的原因是：以上求得的损失只是渗水损失，而渠道的输水损失包括水面蒸发损失、漏水损失、渗水损失。水面蒸发损失是指沿渠水面蒸发掉的水量，可根据水面蒸发资料及渠道总水面积近似求得，因其总水面积很小，求得的水面蒸发损失量很小，仅占渗漏损失的5%以下，可忽略不计。漏水损失是指由于地质条件、生物作用或施工不良而形成漏洞或裂隙所损失的水量，或管理不善、工程失修、建筑物漏水等原因造成的水量损失。对常见的混凝土衬砌渠道来说，由于混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料，受混凝土施工和本身结构、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。这就是我们理论结果与实际测算成果相差较大的原因。笔者认为在计算渠道流量损失时应采用理论计算与实际测算相结合。

    3 渠道水利用系数测定方法

    2004年以来，各省均开展了渠系水利用系数的测试工作。测试方法有静态测定法和动态测定法。

    静水测定法。选择一段具有代表性的渠段，长度（50～100）m，两端堵死，渠道中间设置水位标志，然后向渠中充水，观测该渠段内水位下降过程，根据水位变化即可计算出损失水量和和渠道水利用系数。

    动态测定法。根据渠道布置情况，选择中间无支流、长度满足要求的代表性渠段，观测上、下游两个断面同一时段的流量，通过量化渠道损失水量的方法推求该段渠道水利用系数。

    因动态测定法所用理论与渠道水利用系数定义完全一致，且该方法可操作性强，实际操作中常采用动态测定法进行对渠道水利用系数的测定。在进行灌区渠道水利用系数的计算时，应在该灌区内选取与将要设计施工的渠道情况（包括渠道形状、过流量、衬砌等）接近的渠段进行测定，找出与理论计算结果的差异，并对测定的结果进行认真仔细分析，在此基础上可合理适当地对理论计算结果进行必要的修正，从而得出扣除不可避免的漏水损失后的更接近实际的水利用系数。

    4 利用实测数据，采用FD法对理论成果进行修正

    下面以半山灌区左干渠为例来修正理论计算出的渠道水利用系数。选取渠段0+100~0+400长300m，根据上述渠道水利用系数计算公式得出该段渠道混凝土衬砌后的理论水利用系数为0.999，比实际测得的0.996要高。根据测得的300m渠段水利用系数推求得出左干渠（长12.468km）实测水利用系数为0.834，与理论结果0.968有较大出入，有必要进行理论水利用系数的修正。

    首先，采用表格形式列出影响衬砌渠道水利用系数的各种因素：分水口完好率、土壤、地形、水文地质以及施工管理养护水平等。其次，采用强制评分法（又称FD法）中的0-1法，对各影响因素两两对比评分，重要的打1分，相对不重要的打0分，根据半山灌区左干渠现状对各因素进行打分，如分水口不太完好与土壤对比，前者影响大，得1分，后者影响小，得0分。同理确定各因素影响程度的大小，计算各因素得分，为避免得分为0，对得分结果进行修正，依修正得分得出各因素影响重要性系数并填入表格，见衬砌渠道流量损失影响系数计算表。再次，将测定的水利用系数结果和影响因素的评比结果与设计渠道进行类比，仔细分析在设计渠道上各种因素可能出现的情况，哪些因素的影响可以通过灌区续建配套和提高管理水平减少甚至消除，哪些因素的影响不可避免。通过对灌区续建配套渠道衬砌后，土壤、地形的影响均存在，分水口和水文地质的影响可以大大减小，渠道衬砌的影响将消除，施工管理养护水平的影响将减小。最后，对照测定结果和理论计算结果，将两者的差值乘以不可消除的影响重要性系数之和A，即为不可消除（必须考虑的）的渠道水损失百分数，在理论计算结果基础上考虑不可消除的渠道水损失百分数，得出更符合实际的渠道水利用系数。

    半山左干渠测定结果和理论计算结果两者的差为0.134，灌区配套后各影响因素的修正系数分别为a=0.2，b=0.4，c=0.3，则不可消除的影响系数之和A=0.363，左干渠渠道水利用系数可修正为0.968-0.134×0.363=0.919，为更符合实际的考虑了漏水损失的水利用系数，由此去推求渠道所需设计流量，使渠首流量满足灌溉需水要求，同时达到节水灌溉的目的，见表2。