基于渠道流量的引黃灌區(qū)渠道滲漏水量損失分析

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(gè)級(jí)別到另一個(gè)級(jí)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(guó)內(nèi)外對(duì)有關(guān)渠道滲漏水量損失的研究已開(kāi)展大量工作,提出許多用于實(shí)測(cè)典型渠段或渠道滲漏水量損失的方法和用來(lái)估算滲漏水量損失的經(jīng)驗(yàn)公式,并對(duì)典型渠段開(kāi)展渠道水利用系數(shù)的估算。我國(guó)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(jí)渠道構(gòu)成,由于干渠以下各級(jí)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(lái)估算相應(yīng)的渠道水利用系數(shù)。為此,本文針對(duì)黃河下游引黃灌區(qū)干渠以下各級(jí)渠道的實(shí)際情況和特點(diǎn),將野外試驗(yàn)測(cè)定與理論計(jì)算相結(jié)合,應(yīng)用回歸分析法建立概化分類后的各級(jí)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(yàn)公式。2試驗(yàn)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(yàn)觀測(cè)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(kāi)展,灌區(qū)主干渠道均已襯砌,干渠以下各級(jí)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(shì)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(shí)空分布不均導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐哂写汉迪臐车娘@著氣候特點(diǎn)。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積11萬(wàn)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(jí)渠道的渠床土質(zhì)狀況基本相同?？紤]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(kāi)展有關(guān)渠道滲漏水量損失的野外試驗(yàn)測(cè)定。九支渠全長(zhǎng)7.5km,渠底寬4m,邊坡1∶1.5,縱坡1/8000,設(shè)計(jì)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(dòng)。從對(duì)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(kāi)展測(cè)試渠道滲漏水量損失的必備條件。2.2檢測(cè)方法測(cè)量野外實(shí)測(cè)渠道滲漏水量損失的方法主要有:動(dòng)水法、靜水法、壓力入滲儀法、沉箱測(cè)滲法、雙環(huán)測(cè)滲法等。本次試驗(yàn)中采用前3種方法對(duì)渠道滲漏水量損失進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)。2.2.1土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定壓力入滲儀法是采用圭爾夫滲透儀就地實(shí)測(cè)渠底的土壤飽和導(dǎo)水率Ks。該設(shè)備主要由供水與量測(cè)系統(tǒng)、入滲測(cè)頭和支架等組成。實(shí)測(cè)中將入滲測(cè)頭放入預(yù)制的測(cè)孔內(nèi),孔深可根據(jù)欲施測(cè)的土壤位置予以確定。可使用單水頭或雙水頭方法測(cè)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(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率。其中單水頭下計(jì)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(wú)量綱形狀系數(shù),其大小取決于H和a值,即C=f(H/a);H——測(cè)孔中水的穩(wěn)定深度,cm;A——滲透儀儲(chǔ)水容器的截面積,cm2;R——滲透儀儲(chǔ)水容器內(nèi)水位下落的穩(wěn)定速率,cm/s;a——測(cè)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(jì)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(wú)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(cè)孔中水的穩(wěn)定深度,cm;R1、R2——相應(yīng)水頭下滲透儀儲(chǔ)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(shí)測(cè)渠底下10cm處的土壤飽和導(dǎo)水率。施測(cè)中的測(cè)孔半徑a=6cm,滲透儀的儲(chǔ)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(cè)孔深度10cm,孔內(nèi)水的穩(wěn)定深度5cm,雙水頭下的測(cè)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(yàn)采用靜水法在特定的渠道水位下實(shí)測(cè)從初滲到穩(wěn)定入滲過(guò)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(kāi)展靜水試驗(yàn)。渠段兩端用土壩圍閉,每個(gè)土壩處設(shè)有水位觀測(cè)尺并在土壩外建有長(zhǎng)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(cè)井,距渠道中心線的距離分別為2、5、11m和18m,以便觀測(cè)渠道滲漏引起的地下水位變化情況。試驗(yàn)中的水源來(lái)自渠道南側(cè)的魚(yú)塘,用泵抽水進(jìn)入渠段。當(dāng)渠道內(nèi)水位達(dá)到70cm時(shí),停止供水,隨即定期觀測(cè)渠道內(nèi)水位的下降值和各觀測(cè)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(gè)靜水試驗(yàn)持續(xù)約44h。采用水位下降法計(jì)算渠道滲漏水量ΔVΔV=L[h1-h2+P]·[b+m(h1+h2-P)](3)式中L——渠段長(zhǎng)度,m;h1、h2——時(shí)段初和時(shí)段末的渠內(nèi)水位,m;P——該時(shí)段內(nèi)的降雨量,m;b——渠底寬,m;m——渠道邊坡。2.2.3u-wd試驗(yàn)動(dòng)水法是通過(guò)測(cè)量渠道上、下游兩個(gè)測(cè)流斷面間的流量,利用水量平衡方程來(lái)計(jì)算某時(shí)段內(nèi)的渠道滲漏水量SS=Wu-Wd(4)式中Wu——某時(shí)段內(nèi)流入上游斷面的水量,m3;Wd——某時(shí)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(gè)渡槽之間的渠段開(kāi)展動(dòng)水試驗(yàn),兩渡槽間距1km,在每個(gè)渡槽處采用流速儀測(cè)定流速,根據(jù)過(guò)水?dāng)嗝嬗?jì)算相應(yīng)的流量。在距下游渡槽約50m處的渠道外側(cè)布設(shè)觀測(cè)井,觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)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(jí)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(xiàng)研究基于對(duì)簸箕李灌區(qū)各級(jí)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(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行各級(jí)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(duì)簸箕李灌區(qū)干渠以下各級(jí)渠道現(xiàn)狀的抽樣調(diào)查結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)同級(jí)渠道在邊坡、縱坡、長(zhǎng)度上的變幅范圍相對(duì)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(duì)各級(jí)渠道進(jìn)行概化分類,并得到不同概化類型在同級(jí)渠道中所占的比例,其結(jié)果參見(jiàn)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(shí)測(cè)的土壤飽和導(dǎo)水率的變化范圍在0.48～3.3m/d之間,6個(gè)點(diǎn)的平均值為2.0m/d,變差系數(shù)Cv=0.67;單水頭條件下實(shí)測(cè)的土壤飽和導(dǎo)水率的變化范圍在0.48～3.2m/d之間,6個(gè)點(diǎn)的平均值為1.95m/d,變差系數(shù)Cv=0.62。以上觀測(cè)結(jié)果表明,兩種水頭條件下實(shí)測(cè)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(yàn)中對(duì)各觀測(cè)井地下水位變動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)結(jié)果,試驗(yàn)過(guò)程可大致分為三個(gè)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(yàn)進(jìn)行到1.6h時(shí),地下水位上升到距渠底7cm的位置,淺位地下水埋深開(kāi)始對(duì)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(yàn)進(jìn)行到16h以后,觀測(cè)的地下水位基本保持恒定,渠道進(jìn)入穩(wěn)定滲漏階段,對(duì)穩(wěn)定滲漏階段觀測(cè)所得的渠道累積滲漏量與累積滲漏時(shí)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(zhǎng)日滲漏量0.504m3/(d·m)。3.1.3移動(dòng)水法動(dòng)水試驗(yàn)過(guò)程中,選擇供試渠段上、下游流量相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期作為計(jì)算時(shí)段,計(jì)算得到每米渠長(zhǎng)日滲漏量為1.79m3/(d·m)。3.1.4渠道的過(guò)水運(yùn)行狀況壓力入滲儀方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備操作簡(jiǎn)單,試驗(yàn)過(guò)程節(jié)時(shí)省力,可通過(guò)多點(diǎn)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(guò)水運(yùn)行狀況相差較大,故難以反映動(dòng)水條件下渠道滲漏的實(shí)際情況。動(dòng)水法的實(shí)測(cè)過(guò)程最接近渠道的實(shí)際運(yùn)行狀況,但由于引起試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素較多,影響到觀測(cè)結(jié)果的精度。靜水法的適應(yīng)范圍較廣,觀測(cè)精度相對(duì)較高,但該方法費(fèi)時(shí)耗力,且由于測(cè)試渠段的長(zhǎng)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(duì)渠道滲漏的綜合分析計(jì)算。3.2測(cè)試結(jié)果分析考慮到上述各種實(shí)測(cè)渠道滲漏損失方法的特點(diǎn),首先根據(jù)靜水法和壓力入滲儀法的觀測(cè)結(jié)果,結(jié)合理論計(jì)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(gè)系數(shù)計(jì)算動(dòng)水試驗(yàn)條件下的渠道滲漏水量,并與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較。3.2.1u3000靜水條件下的q0、h0q0及壓力入滲率計(jì)算靜水試驗(yàn)下當(dāng)渠道進(jìn)入穩(wěn)定滲漏階段后,依據(jù)觀測(cè)得到的每米渠長(zhǎng)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(duì)渠道滲漏的頂托影響,用于計(jì)算入滲水流鋒面到達(dá)地下水位以后第t時(shí)刻單位渠長(zhǎng)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(shí)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(shí)每米渠長(zhǎng)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(shí)刻每米渠長(zhǎng)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(jì)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(cè)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(shí)測(cè)值間存在著1∶3的倍比關(guān)系,故對(duì)整條渠道而言,可對(duì)由壓力入滲儀實(shí)測(cè)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(shí)每米渠長(zhǎng)日滲漏量,而該時(shí)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(zhǎng)日滲漏量時(shí),則可利用該式計(jì)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(yàn)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(jì)算頂托滲漏條件下每米渠長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)自由滲漏β=1,對(duì)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(jì)算得出每米渠長(zhǎng)日滲漏量為1.9m3/(d·m),比前述由動(dòng)水試驗(yàn)條件下得到的實(shí)測(cè)值1.79m3/(d·m)略大,但誤差僅為6%,進(jìn)而驗(yàn)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(jì)算由式(8)表明特定渠道斷面形狀下單位渠長(zhǎng)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(duì)表2給出的各級(jí)概化分類渠道,在已知K和β的條件下,計(jì)算相應(yīng)于不同渠道水深的單位渠長(zhǎng)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(jì)算得到的q值當(dāng)采用m3/(s·km)的單位表示時(shí),被稱為單位渠長(zhǎng)滲漏流量,利用該式計(jì)算時(shí),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(guò)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(duì)計(jì)算得到的一系列(Q,q)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合,單位渠長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)表3。對(duì)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(jí)渠道中概化分類后的渠道占同級(jí)渠道的比例,對(duì)各類渠道單位渠長(zhǎng)滲漏流量與渠道流量間的關(guān)系進(jìn)行加權(quán)求和,計(jì)算得出相應(yīng)于各級(jí)渠道的單位渠長(zhǎng)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(jí)渠道平均長(zhǎng)度對(duì)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(jí)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(jí)渠道