基于渠道流量的引黃灌區(qū)渠道滲漏水量損失分析

1渠道水利用系數(shù)的確定灌溉路線的總水量是指渠道從一個級別到另一個級別的總水量與引入該通道頂部的總水量之間的比率。該值的大小反映了渠道水量的損失和管理水平。渠道水量損失主要包括滲漏水量損失和蒸發(fā)造成的水量損失,其中前者是影響渠道水利用系數(shù)的主要因素。國內(nèi)外對有關(guān)渠道滲漏水量損失的研究已開展大量工作,提出許多用于實測典型渠段或渠道滲漏水量損失的方法和用來估算滲漏水量損失的經(jīng)驗公式,并對典型渠段開展渠道水利用系數(shù)的估算。我國絕大多數(shù)灌區(qū)的灌溉渠道系統(tǒng)通常由干、支、斗、農(nóng)等各級渠道構(gòu)成,由于干渠以下各級渠道密集成網(wǎng)、星羅棋布,故難以在確定各條渠道滲漏水量損失的基礎(chǔ)上,逐一來估算相應(yīng)的渠道水利用系數(shù)。為此,本文針對黃河下游引黃灌區(qū)干渠以下各級渠道的實際情況和特點,將野外試驗測定與理論計算相結(jié)合,應(yīng)用回歸分析法建立概化分類后的各級渠道滲漏水量損失與渠道流量間的相關(guān)關(guān)系,給出依據(jù)渠道流量估算渠道水利用系數(shù)的經(jīng)驗公式。2試驗和方法2.1渠道互通的土壤條件和渠道斷面尺寸渠道滲漏水量損失的野外試驗觀測和渠道水利用系數(shù)的估算在位于黃河下游的山東省簸箕李引黃灌區(qū)內(nèi)開展,灌區(qū)主干渠道均已襯砌,干渠以下各級渠道都是土渠。該灌區(qū)位于黃河下游左岸的濱州地區(qū)西部,地處黃河沖洪積平原,地勢平坦。灌區(qū)內(nèi)的年均降雨量586mm,年均蒸發(fā)量1240mm,年均氣溫12℃,降雨的時空分布不均導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐哂写汉迪臐车娘@著氣候特點。灌區(qū)設(shè)計灌溉面積11萬hm2,采用冬小麥-夏玉米連作的作物種植模式,一年兩季。受黃河沖洪積自然地貌條件和多年引黃灌溉泥沙沉淀淤積的影響,簸箕李灌區(qū)干渠以下各級渠道的渠床土質(zhì)狀況基本相同。考慮到渠床土質(zhì)條件和渠道斷面尺寸的代表性,選擇簸箕李灌區(qū)的九支渠作為典型渠道,開展有關(guān)渠道滲漏水量損失的野外試驗測定。九支渠全長7.5km,渠底寬4m,邊坡1∶1.5,縱坡1/8000,設(shè)計流量1m3/s。該渠底以下1m土層范圍內(nèi)的土壤平均體積含水率35%,其中0～80cm為粉砂土,80～100cm為粉質(zhì)土,100cm以下為亞粘土。地下水位在距渠底1～1.5m的范圍內(nèi)變動。從對簸箕李灌區(qū)現(xiàn)有渠道的調(diào)查結(jié)果可知,該渠道在渠床土質(zhì)條件和渠道斷面尺寸上具有較好的代表性,并且具備開展測試渠道滲漏水量損失的必備條件。2.2檢測方法測量野外實測渠道滲漏水量損失的方法主要有:動水法、靜水法、壓力入滲儀法、沉箱測滲法、雙環(huán)測滲法等。本次試驗中采用前3種方法對渠道滲漏水量損失進(jìn)行實地觀測。2.2.1土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定壓力入滲儀法是采用圭爾夫滲透儀就地實測渠底的土壤飽和導(dǎo)水率Ks。該設(shè)備主要由供水與量測系統(tǒng)、入滲測頭和支架等組成。實測中將入滲測頭放入預(yù)制的測孔內(nèi),孔深可根據(jù)欲施測的土壤位置予以確定。可使用單水頭或雙水頭方法測定土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài)下的速率,然后根據(jù)相應(yīng)的公式計算土壤飽和導(dǎo)水率。其中單水頭下計算土壤飽和導(dǎo)水率的公式為Ks=C·A·R/[2π·H2+π·C·a2+(2π·H/α*)](1)式中C——無量綱形狀系數(shù),其大小取決于H和a值,即C=f(H/a);H——測孔中水的穩(wěn)定深度,cm;A——滲透儀儲水容器的截面積,cm2;R——滲透儀儲水容器內(nèi)水位下落的穩(wěn)定速率,cm/s;a——測孔半徑,cm;α*——土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)參數(shù),cm-1,取值依土壤質(zhì)地狀況在0.01、0.04、0.12和0.36中進(jìn)行選擇。雙水頭下計算土壤飽和導(dǎo)水率的公式為Κs=G2?Q2-G1?Q1G2=Η1?C2/{π[2Η1?Η2(Η2-Η1)+a2(Η1?C2-Η2?C1)]}G1=G2?(Η2?C1)/(Η1?C2)Q1=A?R1Q2=A?R2(2)Ks=G2?Q2?G1?Q1G2=H1?C2/{π[2H1?H2(H2?H1)+a2(H1?C2?H2?C1)]}G1=G2?(H2?C1)/(H1?C2)Q1=A?R1Q2=A?R2(2)式中C1、C2——相應(yīng)水頭下的無量綱形狀系數(shù),其大小取決于H1、H2和a值;H1、H2——相應(yīng)水頭下測孔中水的穩(wěn)定深度,cm;R1、R2——相應(yīng)水頭下滲透儀儲水容器內(nèi)水位下落的穩(wěn)定速率,cm/s;其余變量的物理意義同上。在簸箕李灌區(qū)九支渠內(nèi)隨機(jī)選取6處位置,利用圭爾夫滲透儀(GP-2800)在單水頭和雙水頭兩種條件下分別實測渠底下10cm處的土壤飽和導(dǎo)水率。施測中的測孔半徑a=6cm,滲透儀的儲水容器截面積A=35.39cm2,土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)參數(shù)α*=0.12cm-1。單水頭下的測孔深度10cm,孔內(nèi)水的穩(wěn)定深度5cm,雙水頭下的測孔深度15cm,孔內(nèi)水的穩(wěn)定深度分別為5cm和10cm。2.2.2渠道滲漏試驗采用靜水法在特定的渠道水位下實測從初滲到穩(wěn)定入滲過程中的渠道滲漏水量損失。在簸箕李灌區(qū)九支渠上游內(nèi)選取20m渠段開展靜水試驗。渠段兩端用土壩圍閉,每個土壩處設(shè)有水位觀測尺并在土壩外建有長5m的保護(hù)區(qū)。在渠段中部北側(cè)沿垂直渠道方向布設(shè)有4眼觀測井,距渠道中心線的距離分別為2、5、11m和18m,以便觀測渠道滲漏引起的地下水位變化情況。試驗中的水源來自渠道南側(cè)的魚塘,用泵抽水進(jìn)入渠段。當(dāng)渠道內(nèi)水位達(dá)到70cm時,停止供水,隨即定期觀測渠道內(nèi)水位的下降值和各觀測井的地下水位變化狀態(tài)。渠段內(nèi)水深平均保持在64cm左右,整個靜水試驗持續(xù)約44h。采用水位下降法計算渠道滲漏水量ΔVΔV=L[h1-h2+P]·[b+m(h1+h2-P)](3)式中L——渠段長度,m;h1、h2——時段初和時段末的渠內(nèi)水位,m;P——該時段內(nèi)的降雨量,m;b——渠底寬,m;m——渠道邊坡。2.2.3u-wd試驗動水法是通過測量渠道上、下游兩個測流斷面間的流量,利用水量平衡方程來計算某時段內(nèi)的渠道滲漏水量SS=Wu-Wd(4)式中Wu——某時段內(nèi)流入上游斷面的水量,m3;Wd——某時段內(nèi)流出下游斷面的水量。在簸箕李灌區(qū)九支渠上選擇兩個渡槽之間的渠段開展動水試驗,兩渡槽間距1km,在每個渡槽處采用流速儀測定流速,根據(jù)過水?dāng)嗝嬗嬎阆鄳?yīng)的流量。在距下游渡槽約50m處的渠道外側(cè)布設(shè)觀測井,觀測試驗過程中地下水位的變化情況。2.3渠道水利用系數(shù)的確定影響渠道滲漏水量損失的因素除與渠床土壤滲透能力有關(guān)外,還與渠道幾何斷面尺寸和相關(guān)參數(shù)有關(guān)。由于干渠以下各級渠道密集成網(wǎng)、星羅棋布,很難根據(jù)每條渠道的斷面形狀和水力學(xué)參數(shù)逐一確定其滲漏水量損失。為此,本項研究基于對簸箕李灌區(qū)各級渠道現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果,根據(jù)渠道幾何斷面形狀尺寸、縱坡、長度等參數(shù)進(jìn)行各級渠道的概化分類,在此基礎(chǔ)上估算渠道水利用系數(shù)。表1給出對簸箕李灌區(qū)干渠以下各級渠道現(xiàn)狀的抽樣調(diào)查結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)同級渠道在邊坡、縱坡、長度上的變幅范圍相對較小,但在渠底寬度上的變幅范圍卻較大。為此確定以渠道底寬為基礎(chǔ)對各級渠道進(jìn)行概化分類,并得到不同概化類型在同級渠道中所占的比例,其結(jié)果參見表2。3結(jié)果與分析3.1控制路線的損失3.1.1飽和導(dǎo)水率的變化采用圭爾夫滲透儀在雙水頭條件下實測的土壤飽和導(dǎo)水率的變化范圍在0.48～3.3m/d之間,6個點的平均值為2.0m/d,變差系數(shù)Cv=0.67;單水頭條件下實測的土壤飽和導(dǎo)水率的變化范圍在0.48～3.2m/d之間,6個點的平均值為1.95m/d,變差系數(shù)Cv=0.62。以上觀測結(jié)果表明,兩種水頭條件下實測的土壤飽和導(dǎo)水率之間相差不大,Cv<1意味著渠底土壤入滲能力沿渠道的空間分布呈中等變異性。3.1.2淺位地下水埋深的影響根據(jù)靜水試驗中對各觀測井地下水位變動情況的監(jiān)測結(jié)果,試驗過程可大致分為三個階段:(1)在地下水位抬升到渠底之前,渠道處于自由滲漏階段,渠道滲漏水量不受地下水埋深的影響;(2)當(dāng)試驗進(jìn)行到1.6h時,地下水位上升到距渠底7cm的位置,淺位地下水埋深開始對渠道滲漏產(chǎn)生頂托影響,渠道進(jìn)入頂托滲漏階段;(3)試驗進(jìn)行到16h以后,觀測的地下水位基本保持恒定,渠道進(jìn)入穩(wěn)定滲漏階段,對穩(wěn)定滲漏階段觀測所得的渠道累積滲漏量與累積滲漏時間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析表明兩者間呈線性關(guān)系(R2=0.99),其斜率為0.007m3/min,換算為每米渠長日滲漏量0.504m3/(d·m)。3.1.3移動水法動水試驗過程中,選擇供試渠段上、下游流量相對穩(wěn)定的時期作為計算時段,計算得到每米渠長日滲漏量為1.79m3/(d·m)。3.1.4渠道的過水運行狀況壓力入滲儀方法的優(yōu)點是設(shè)備操作簡單,試驗過程節(jié)時省力,可通過多點布設(shè)了解渠道滲漏的空間變異狀況,但由于供試土體的受水面積小,與渠道的過水運行狀況相差較大,故難以反映動水條件下渠道滲漏的實際情況。動水法的實測過程最接近渠道的實際運行狀況,但由于引起試驗結(jié)果誤差的因素較多,影響到觀測結(jié)果的精度。靜水法的適應(yīng)范圍較廣,觀測精度相對較高,但該方法費時耗力,且由于測試渠段的長度有限,難以反映整條渠道滲透性能的空間分布變異情況,應(yīng)輔之以其它方法完成對渠道滲漏的綜合分析計算。3.2測試結(jié)果分析考慮到上述各種實測渠道滲漏損失方法的特點,首先根據(jù)靜水法和壓力入滲儀法的觀測結(jié)果,結(jié)合理論計算公式,綜合分析確定渠床滲透系數(shù)和地下水頂托修正系數(shù),然后利用這兩個系數(shù)計算動水試驗條件下的渠道滲漏水量,并與實際觀測值進(jìn)行比較。3.2.1u3000靜水條件下的q0、h0q0及壓力入滲率計算靜水試驗下當(dāng)渠道進(jìn)入穩(wěn)定滲漏階段后,依據(jù)觀測得到的每米渠長日滲漏量,可利用MS解析模型和GA公式反求土壤飽和導(dǎo)水率。其中MS解析模型考慮了地下水位抬升對渠道滲漏的頂托影響,用于計算入滲水流鋒面到達(dá)地下水位以后第t時刻單位渠長的日滲漏量,qt=q0(1-h0Η0+h)qt=q0(1?h0H0+h)(5)q0=Κs?WΗ0+hΗ0q0=Ks?WH0+hH0(6)式中W——渠面寬度,m;h——渠道水深,m;H0——初始地下水位,m;h0——第t時刻距離渠底中心處的地下水位上升高度,m;Ks——土壤飽和導(dǎo)水率,m/d;q0——入滲水流鋒面到達(dá)地下水位時每米渠長日滲漏量,m3/(d·m);qt——入滲水流鋒面到達(dá)地下水位后第t時刻每米渠長日滲漏量,m3/(d·m)。在靜水條件下,若已知qt=0.504m3/(d·m),W=4m,H0=1.1m,h=0.64m和h0=0.92m,利用式(5)計算得到q0,再利用式(6)反求得到渠段的土壤飽和導(dǎo)水率為0.17m/d,該值僅為在同一渠段內(nèi)采用壓力入滲儀測得的相應(yīng)值0.48m/d的1/3。考慮到渠底土壤入滲性能空間變異性并不強(qiáng)烈以及相同渠段內(nèi)由兩種方法得到的實測值間存在著1∶3的倍比關(guān)系,故對整條渠道而言,可對由壓力入滲儀實測的土壤飽和導(dǎo)水率平均值1.95m/d進(jìn)行倍比縮小,近似確定渠道土壤飽和導(dǎo)水率為1.95m/d÷3=0.65m/d,該值近似等于渠床土壤滲透系數(shù)。3.2.2安定高度渠道的頂托修正系數(shù)地下水頂托修正系數(shù)應(yīng)為渠道頂托入滲下的滲漏量與渠道自由入滲下的滲漏量之比值。由于式(5)中的q0為入滲水流鋒面到達(dá)地下水位時每米渠長日滲漏量,而該時刻渠道仍處于自由入滲階段,當(dāng)qt為頂托滲漏下每米渠長日滲漏量時,則可利用該式計算地下水頂托修正系數(shù)ββ=qtq0=1-h0Η0+hβ=qtq0=1?h0H0+h(7)將靜水試驗中渠道到達(dá)穩(wěn)定入滲階段后的各變量值代入式(7),即可求得地下水頂托修正系數(shù)β為0.46。3.2.3日滲漏量k在確定了渠床土壤滲透系數(shù)的情況下,可利用修正的Kostiakov理論公式計算頂托滲漏條件下每米渠長日滲漏量q=β?Κ(b+2γ?h√1+m2)q=β?K(b+2γ?h1+m2??????√)(8)式中q——每米渠長日滲漏量,m3/(d·m);K——渠床土壤滲透系數(shù),m/d;b——渠底寬度,m;h——渠道水深,m;m——渠道邊坡;γ——考慮渠坡側(cè)向毛管滲吸的修正系數(shù),通常在1.1～1.4范圍內(nèi)取值;β——地下水頂托修正系數(shù),對自由滲漏β=1,對頂托滲漏β=0.46。將以上確定的渠床土壤滲透系數(shù)K=0.65m/d、地下水頂托修正系數(shù)β=0.46、渠坡側(cè)向毛管滲吸修正系數(shù)γ=1.2和有關(guān)渠道斷面及水深的參數(shù)代入式(8),計算得出每米渠長日滲漏量為1.9m3/(d·m),比前述由動水試驗條件下得到的實測值1.79m3/(d·m)略大,但誤差僅為6%,進(jìn)而驗證了由靜水法和壓力入滲儀法共同確定的渠床土壤滲透系數(shù)和由靜水法獲得的地下水頂托修正系數(shù)的合理性。3.3渠道流量計算由式(8)表明特定渠道斷面形狀下單位渠長日滲漏量q可表示為渠床土壤滲透系數(shù)K、地下水頂托修正系數(shù)和渠道水深h的函數(shù),即q=f(K,β,h)。由于渠道流量Q與渠道水深h有關(guān),該函數(shù)又可表示為:q=f(K,β,Q)。針對表2給出的各級概化分類渠道,在已知K和β的條件下,計算相應(yīng)于不同渠道水深的單位渠長日滲漏量q和渠道流量Q,得到兩者間的函數(shù)關(guān)系:q=f(Q)。由式(8)計算得到的q值當(dāng)采用m3/(s·km)的單位表示時,被稱為單位渠長滲漏流量,利用該式計算時,支渠和斗渠按頂托滲漏條件考慮,農(nóng)渠則按自由滲漏狀態(tài)處理。渠道流量采用如下公式求算Q=1nAR2/3i1/2Q=1nAR2/3i1/2(9)式中n——糙率系數(shù);A——過水?dāng)嗝?A=h(b+m·h),m2;R——水力半徑,R=A/χ,m;χ——濕周,χ=b+2h√1+m2?mχ=b+2h1+m2??????√?m;i——渠底縱坡;其它變量同前。利用回歸分析法,對計算得到的一系列(Q,q)數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合,單位渠長滲漏流量與渠道流量間的關(guān)系呈冪函數(shù)形式,即q=AQB。圖1例舉出相應(yīng)于支渠底寬分別為2、3和4m下單位渠長滲漏流量與渠道流量間的關(guān)系曲線,相應(yīng)的擬合參數(shù)等參見表3。對各類概化分類的渠道而言,q與Q間的相關(guān)系數(shù)都在0.96以上,兩者間存在較強(qiáng)相關(guān)性。根據(jù)表2給出的各級渠道中概化分類后的渠道占同級渠道的比例,對各類渠道單位渠長滲漏流量與渠道流量間的關(guān)系進(jìn)行加權(quán)求和,計算得出相應(yīng)于各級渠道的單位渠長加權(quán)平均滲漏流量q支=40%×0.0236Q0.194支0.194支+40%×0.0214Q0.231支0.231支+20%×0.0197Q0.278支0.278支(10)q斗=30%×0.028Q0.278斗0.278斗+50%×0.0285Q0.314斗0.314斗+20%×0.0302Q0.335斗0.335斗(11)q農(nóng)=50%×0.05550.337農(nóng)0.337農(nóng)+35%×0.0578Q0.354農(nóng)0.354農(nóng)+15%×0.062Q0.374農(nóng)0.374農(nóng)(12)3.4各級渠道平均長度對渠道水利用系數(shù)的影響根據(jù)渠道水利用系數(shù)的概念,灌區(qū)各級渠道水利用系數(shù)可采用下式求算式中η支、η斗、η農(nóng)——灌區(qū)支、斗、農(nóng)各級渠道