灌区渠系输水系统节水量的几种计算方法

1、灌区渠系输水系统节水量的几种计算方法张厚玉 1 程献国2（1、黄委会建设与管理局 郑州 450003 2、黄河水利科学研究院引黄灌溉工程技术研究中心 新乡 453003）摘要：本文介绍了几种传统的渠道节水量计算方法，在此基础上提出了等效渠系法估算灌区渠系可能节水潜力的新方法，并用该法对宁蒙有关典型灌区的渠系可能最大节水潜力进行了计算，计算方法简便有效。关键词 节水量 节水潜力 等效渠系我国是农业大国，农业是我国水资源的消费主体。随着水资源供需矛盾日益突出，灌区节水改造与续建配套将是我国近期节水发展和节水投资的重点。就渠系节水改造而言，主要是对土渠或老化失修渗漏严重的渠道进行防渗处理，减少渗漏损

2、失。本文将传统的渠道节水量计算方法概括为直接法和间接法。在此基础上提出了一种新的渠系节水量计算方法等效渠系法。1 传统的渠道节水量计算方法1.1 直接法直接法是利用渠道衬砌前后渗漏损失量差值作为节水量的一种计算方法，直接法计算渠道节水量的公式如下： （11）式中：Ws 渠道节水量，m3； 渠道衬砌前渗漏损失量，m3； 渠道衬砌后渗漏损失量，m3； 单位长度未衬砌渠道渗漏量，m3/(s·km)； 单位长度衬砌渠道渗漏量，m3/(s·km)； 渠道衬砌长度，km； 输水时间，s。由公式（1-1）可知，渠道衬砌前后单位长度渗漏量是计算节水量的关键。根据单位长度渠道渗漏量计算方法的

3、差异，可将其分为理论公式法和经验公式法二种情况。（1）理论公式法理论公式法是利用灌区渠道的水力要素和土壤物理参数计算渠道理论渗漏量的一种方法。衬砌前单位长度渠道渗漏量计算公式：干、支渠： （12） 斗渠以下渠道： （13） 受地下水顶托影响的渠道： （14）式中： 未衬砌渠道的土壤渗透系数，m/d； 渠底宽度，m； 渠道水深，m； 渠坡侧向毛管渗吸修正系数，由渠道防渗工程技术查得； 考虑土壤毛管渗吸影响后的渠道水深，m； 边坡系数； 毛细管水最大上升高度，可根据土壤情况由渠道防渗工程技术查得，m； 渠道水面宽度，m； 系数，取决于、，可由渠道防渗工程技术查得； 有地下水顶托情况下，未衬砌渠道每

4、公里渠长渗漏量，m3/s·km； 校正系数，可由渠道防渗工程技术查得。衬砌后单位长度渠道渗漏量计算公式： （15）式中： 渠道防渗措施下的渗漏量折减系数，由渠道防渗工程技术查得。（2）经验公式法经验公式法是根据有关试验研究成果，归纳出不同渠道参数、不同土壤结构条件下，渠道衬砌前后单位长度渗漏损失量的经验计算公式，利用经验公式推广计算不同渠道单位长度渗漏损失量的一种方法。一般经验公式表达式如下： （16）对于受地下水顶托影响的渠道水渗漏量公式 （17）式中： 单位长度渠道渗漏损失量，m3/(s·km)； 土壤透水系数； 渠首流量，m3/s；m 土壤透水指数； 受地下水顶托情况

5、下，单位长度渠道渗漏量，m3/(s·km)。直接法计算渠道节水量，概念明确，但易受资料限制，尤其是渠道单位长度损失量的计算。理论法计算渠道单位长度损失量需要渠道的断面形态、水力要素、土壤质地、地下水状况、运行管理等方面的详细资料；经验公式法计算渠道单位长度损失量，虽能避免资料短缺带来的问题，但存在试验研究成果的移用、引用可信度问题。直接法多用于单条渠道节水量的计算。1.2 间接法间接法是根据渠道衬砌前后水利用效率的变化及渠道（渠首）引水量，分析计算渠道节水量的方法。间接法又分为逐级渠道法和综合渠系法两种。（1）逐级渠道法根据各级渠道衬砌前后的水利用系数和现状进入相应渠道的水量，计算渠

6、道衬砌前后的渗漏损失量，其差值作为节水量。计算公式如下： （18） （19）式中： 第级渠道节水量，m3； 第级渠道的引水量，m3； 第级渠道衬砌后的水利用系数； 第级渠道衬砌前的水利用系数； 灌区渠道级别。（2）渠系综合法根据现状进入田间的水量和衬砌后渠系水利用系数，折算衬砌后渠首引水量，以现状渠首引水量与衬砌后渠首引水量之差作为节水量。计算公式为： = （110）式中： 衬砌前渠首引水量，m3； 衬砌后渠首引水量，m3； 衬砌前渠系水利用系数； 衬砌后渠系水利用系数。间接法避免了资料不足和其它因素的影响，将其归结为渠道水利用系数。逐级渠道法需要知道每级渠道的水利用系数和相应渠道的引水量，限

7、制了该法的使用。渠系综合法将整个灌溉渠系视为一个系统，以现状进入田间的水量为基础，利用渠系水利用系数推求渠首引水量，直接与灌溉引水量相衔接，方法简练。但如何获得渠系水利用系数是需要解决的关键问题。2 等效渠系法计算渠系可能节水潜力等效渠系法是用以估算灌区渠系全部衬砌后渠系水利用系数的方法，是渠系综合法的延伸。具体思路为：首先，概化灌区不同级别渠道的等效渠道；其次，利用典型试验区的实验资料，分析不同级别渠道的单位长度损失量和单位长度渠道水利用系数；第三，根据试验区的成果，分析计算等效渠道的单位长度水利用系数和渠道的水利用系数；第四，计算等效渠系的水利用系数；最后，利用渠系综合法计算输水系统节水量

8、。（1） 等效渠道概化等效渠道是指该级渠道能代表灌区中该类输水渠道的输水特性，包括长度等效和流量等效。等效渠系是灌区不同级别等效渠道的集合。其概化方法为：等效长度： （21）式中： 第级渠道的等效长度，km； 第级渠道的长度，km； 级渠道的总数量，条。等效流量： （22）式中： 第级渠道的等效流量，m3/s； 渠首总引水量，亿m3； 第级渠道的运行时间，天。（2） 等效渠道水利用系数由渠道渗漏量公式（16）可得： （23）式中： 等效渠道单位长度渗漏量，m3/(s·km)； 等效渠道流量，m3/s；、 灌区的土壤参数；、 分别代表典型试验区渠道的单位长度渗漏量、流量、土壤参数。等效

9、渠道单位长度水利用系数： （24）式中： 第级渠道的单位长度水利用系数； 第级渠道的单位长度损失量，m3/(s·km)。等效渠道的水利用系数： （25）式中： 第级渠道的水利用系数。（3） 等效渠系水利用系数 （26）式中：渠系水利用系数。（4） 渠系可能节水潜力计算将灌区的现状引水量、现状水利用系数、等效渠系的水利用系数代入公式（110），即可求得灌区整个输水系统的可能最大节水潜力。3 等效渠系法计算实例以宁夏卫宁引黄灌区和内蒙古南岸引黄灌区为例，计算渠系可能节水潜力。两灌区等效渠道概化结果见表31。表31 卫宁灌区和南岸灌区等效渠道概化结果灌区名称项目总干渠干渠支渠斗渠农渠卫宁灌

10、区总长度(km)344 1827 995 2645 条数5 261 474 4409 运行时间（d）180553020等效长度(km)68.70 7.00 2.10 0.60 等效流量(m3/s)17.08 1.07 0.93 0.17 南岸灌区总长度(km)148.0 39.7 184.6 606.3 1150.0 条数1 2 85 425 1150 运行时间（d）120120503020等效长度(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 根据内蒙古河套灌区典型试验区试验成果资料，建立不同流量衬砌渠

11、道单位长度损失量与渠道流量关系，如图31所示。图31 渠道衬砌后单位长度损失量与渠道流量的关系假定卫宁灌区和南岸灌区渠系节水改造，与内蒙古河套灌区典型试验区情况相同，则两灌区不同流量级别渠道衬砌后单位长度渗漏量可由图31查得。根据公式24可以计算出卫宁灌区和南岸灌区不同级别渠道单位长度等效渠道水利用系数，见表32。表32 宁蒙引黄灌区等效渠道单位长度渠道水利用系数灌区名称总干渠干渠支渠斗渠农渠卫宁灌区0.99620.98960.98920.9791南岸灌区0.99760.99910.99020.98470.9808根据公式33，计算两灌区各级渠道和渠系综合水利用系数，结果见表33。表33 宁蒙引黄灌区等效渠道(渠系)水利用系数灌区名称总干渠干渠支渠斗渠农渠渠系卫宁灌区0.77210.92910.97750.98740.6924南岸灌区0.70450.98180.97880.97830.98080.6496现状卫宁灌区和南岸灌区年引水量为4.88亿m3和4.1亿m3根据公式110，即可计算灌区可能最大节水量，结果见表34。卫宁灌区可能节水潜力4.43亿m3，南岸灌区可能节水潜力2.15亿m3。表34 卫宁、南岸灌区可能节水量计算成果灌区名称引水量 （亿m3）现状渠系水利用系数衬砌后渠系水利用系数节水量