大中型灌区渠道水利用系数计算方法

GXF360 2017-11-09

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大中型灌区渠道水利用系数计算方法

王儒涛

（辽宁省辽阳水文局，辽宁辽阳111000）

［摘要］大中型灌区所控制的灌溉面积较大，情况复杂，对灌区渠系水利用系数进行科学合理的评价是亟待解决的问题。通过对辽阳灌区渠道水利用系数的分析推导，在利用等比数列求和公式的基础上，总结出一套较为科学的评价大中型灌区渠道水利用系数的方法。

［关键词］渠道；水利用系数；方法研究；大中型灌区

如何科学计算渠道水利用系数，是进行水资源供需平衡、确定渠道规模和评估渠道节水量的重要依据。大中型灌区控制的灌溉面积大，情况复杂，又是节水改造的重点，如何评判其渠道水利用系数更是当务之急。通过对辽阳灌区渠道水利用系数的分析推导，总结出一种较为科学的渠道水利用系数计算方法。

辽阳灌区为中型灌区，位于太子河中部辽阳市城西的平原沿河地区。渠首位于辽阳市白塔区东关街道鹅房委。灌溉受益单位跨一县一区，包含辽阳县的黄泥洼镇、刘二堡镇、柳壕镇和太子河区太子河乡、望水台街道、小祁家镇、沙岭镇等7个乡镇和驻军部队农场。

灌区设计灌溉面积1万hm2，有效灌溉面积0.8万hm2，目前实际灌溉面积0.673万hm。渠系工程包括干渠、支渠、斗渠和农渠，全长515.74 km。全灌区设有一条干渠，6条支渠，71条斗渠，432条农渠。

1 测试要求

1.1 代表渠段选取原则

1）所选的典型渠道能代表整个灌区或同级渠道的平均水平，渠道的土质、防渗措施、输水流量的大小和工程完好率等指标应与全灌区或同级渠道相接近。

2）为了保证测验的精度和资料的可靠程度，满足规范的要求及资料分析的需要，所选的渠段要有足够的长度，以减小流量测验误差所带来的影响。干渠分为两段，一段是从渠首至三面闸，渠道长度8 864 m；另一段是从三面闸至两面闸，渠道长度4 825 m。干渠代表段长度6 500 m，选在渠首至三面闸段。

1.2 测流仪器

干渠和支渠流量和水深条件较好，LS25-1，LS68，LS78型等常规流速仪的测定范围即可满足测速的要求。斗渠和农渠的水深和流速均较小，采用LS45型流速仪和ADV等仪器，以保证流量测验精度。

2 渠道水利用系数公式推导

2.1 渠道水利用系数基本公式

通常所说的利用系数是指某级或渠系首尾之间的利用系数，在渠道任意两断面上若测得流量分别为Q上和Q下，且两断面之间的距离已知为△L，渠道的长度为L，则该渠道的水利用系数为：

式中：η渠道——渠道水利用系数；η渠段——典型渠段的渠道水利用系数；Q下/Q上——典型渠段上、下断面的流量，m3/s；L——该级渠道的长度，m；△L——典型渠段的长度，m。

用此公式计算出的渠道水利用系数，严格上讲是该渠道的渠尾利用系数，而不是渠道的平均利用系数。下面通过对辽阳灌区农渠的渠道水利用系数进行分析，提出渠道水利用系数计算方法。

2.2 农渠渠道水利用系数推导

在每条典型支渠上选取一条农渠，共选取典型农渠段6处。根据公式（1）计算各典型农渠的利用系数，计算结果见表1。

以上计算的农渠渠道水利用系数，是一种理想化状态，即认为每一个农渠只控制一个地块，只承担输水任务而无分配水流作用，见图1。但实际上农渠是具有多口分流特征，承担着田间水量分配任务。农渠上地块的分布如图2所示。

表1 农渠渠道水利用系数计算及修正表

△L /m农渠编号L /mη农渠nη农修1-2-2 0.024 1 0.022 4 0.930 100 500 0.694 11 0.862 2-1-3 0.016 8 0.015 7 0.935 120 600 0.713 13 0.863 3-3-5 0.015 2 0.014 2 0.934 170 800 0.726 17 0.856 4-7-3 0.080 0 0.074 1 0.926 160 700 0.715 15 0.856 5-2-4 0.042 9 0.040 1 0.935 180 850 0.727 18 0.854 6-2-2 0.016 0 0.015 0 0.938 160 800 0.724 17 0.855 /（m3·s-1）Q上/（m3·s-1）η农段Q下

图1 无分配水流任务的农渠渠道水利用图

图2 有分配水流任务的农渠渠道水利用图

从图2中可看出，只有在An地块上，农渠的利用系数才为η。而在其它地块上利用系数是不为η的。距离渠首越近，利用系数越大。如果不对以上所求系数进行修正，那么所求的农渠渠道水利用系数将比实际的利用系数小得多。下面利用理论公式对农渠渠道水利用系数的修正公式进行推导。

设农渠渠道上有n个地块（见图2），那么在不考虑从斗渠到农渠的第1个开口的情况下（从斗渠到农渠的第1个开口距离很小，为推导公式的需要，忽略不计），农渠被分成n-1段。设农渠全段的渠道水利用系数为η，根据公式（1）计算出农渠上各开口处的渠道水利用系数分别为：

农渠上各渠段的η段已求出，设进入各地块的水量为Wi，整个农渠渠道水利用系数采用水量加权的办法求出，表示为：

式中：η1——农渠上第1个开口处的渠道水利用系数；η2——农渠上第2个开口处的渠道水利用系数；…；ηn——农渠上第n个开口处的渠道水利用系数；W1——进入农渠第1个开口（地块）的水量；W2——进入农渠第2个开口（地块）的水量；…；Wn——进入农渠第n个开口（地块）的水量。

水量加权的方法求渠道水利用系数，是比较科学的。但是实用性不强，主要是进入各地块的水量不易测定。但因为Wi=AiM（A为地块的面积，M为灌溉定额，为定值），则公式（2）转化为：

即渠道水利用系数推求方法由水量加权转化为面积加权。

因为农渠上进入地块的开口基本上等距排列，每个块地的面积基本相等。即A1=A2=A3=A4=…= An，将各渠段利用系数代入公式：

不难看出，上式中分子部分是公比为的等比数列，根据等比数列求和公式，对上述公式进行化简可得：

公式（5）即为农渠渠道利用系数修正公式，式中n为农渠上的地块数。利用公式（5）对农渠渠道水利用系数进行修正，计算结果见表2。

以农渠1-2-2为例，修正前渠道水利用系数为0.694，修正后为0.862，修正前后相差很大。

3 灌区渠道水利用系数计算

3.1 斗渠和支渠渠道水利用系数

根据公式（1）对各典型斗渠和支渠的渠道水利用系数进行计算。与农渠一样，斗渠和支渠的渠道水利用系数也涉及到修正的问题。由于二者的修正原理一致，在这里不再详述。直接采用公式（5）进行修正，成果见表2。

表2 斗渠、支渠渠道水利用系数修正表

斗渠编号斗渠长度/m nη斗渠η斗修支渠编号支渠长度/m nη支渠η支修1-2 1 633 9 0.794 0.894一支1 250 3 0.826 0.912 2-1 2 312 13 0.779 0.885二支4 028 8 0.823 0.909 3-3 1 682 10 0.774 0.883三支15 674 16 0.795 0.894 4-8 1 950 11 0.776 0.884四支14 800 18 0.767 0.879 5-2 2 110 12 0.802 0.898五支4 100 6 0.819 0.907 6-2 1 760 10 0.793 0.893六支7 000 5 0.774 0.883

3.2 干渠渠道水利用系数

干渠共分为两段，根据公式（1）求出干渠渠道水利用系数η干1=0.949，η干2=0.968。

3.3 灌区渠道水利用系数

首先，根据公式η支=η干·η支·η斗·η农求出各支渠渠系渠道水利用系数，见表3。

全灌区渠道水利用系数仍采用面积加权法计算，即用每个支渠渠系的渠道水利用系数乘以其

表3 支渠渠系渠道水利用系数计算表

支渠编号η农η斗η支η干1η干2η支一支0.862 0.894 0.912二支0.863 0.885 0.909三支0.856 0.883 0.894四支0.856 0.884 0.879五支0.854 0.898 0.907六支0.855 0.893 0.883 0.949 0.667 0.949 0.659 0.949 0.968 0.621 0.949 0.968 0.611 0.949 0.968 0.639 0.949 0.968 0.619

所控制的灌溉面积之和除以灌区的总面积。根据公式（3）：