郭超平

(山東省聊城市位山灌區(qū)管理服務中心，山東 聊城 252001)

中國是一個以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的國家，擁有龐大的灌溉渠、跨流域輸水渠。農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟的支柱之一[1]。由于大半部分地區(qū)是干旱和半干旱地區(qū)，人們普遍認為有必要通過修建水利工程來灌溉農(nóng)業(yè)作物[2-3]。山東省西部的位山灌區(qū)于1970年就建立了灌溉網(wǎng)絡(luò)，灌區(qū)涉及聊城市的東昌府區(qū)、臨清市、茌平縣、高唐縣、開發(fā)區(qū)的全部和東阿縣、冠縣、陽谷縣的部分耕地，共包括89個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，3532個行政村，控制面積5380k，耕地面積569萬畝。灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)以糧食種植為主，產(chǎn)品較單一，灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物以小麥、玉米、棉花為主，兼作花生、大豆等。該灌區(qū)每年的河水從攔河壩分流到灌溉渠的渠首，由于滲漏，大量水流經(jīng)河道干渠系統(tǒng)的過程中流失，這也導致了鹽漬化和內(nèi)澇的雙重威脅[4-5]。渠道滲漏的負面影響包括：淡水枯竭、地下水污染、導致內(nèi)澇和鹽堿化、地下水位上升導致有用土地浪費、灌溉效率降低和運營成本增加等[6-7]。渠道滲流主要取決于土壤滲透性、渠道中的水深、濕潤周長、渠道幾何形狀、地下水位位置、流動水流速、剪切應力(移動水流在河床上的力)、渠道內(nèi)水面與含水層地下水面之間的坡度、對地下水流的限制，例如排水溝[8]。河道水粘度、河道水鹽度、泥沙量和大小分布、河道年齡和植物。滲透性由土壤的物理性質(zhì)決定[9]。土壤分類(基于粒度)影響孔隙大小和孔隙空間百分比，以及作用于水分子的以下力，即粘附力、內(nèi)聚力和重力[10]。土壤顆粒之間的空隙越大，重力損失的水量就越大。粘土和礫石的混合物起到防滲層的作用，而質(zhì)地較粗糙的土壤(如沙子)具有較高的滲透率和滲透率。本文以位于山東省西部的位山灌區(qū)的7條混凝土襯砌分流渠道為研究區(qū)域，使用流入流出法進行實測滲流數(shù)據(jù)；并確定了5個經(jīng)驗公式在計算渠道滲流中的適用性。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為位山灌區(qū)，該灌區(qū)位于山東省西部，地處東經(jīng)115°16′～116°30′，北緯35°47′～37°03′之間。灌區(qū)涉及東昌府區(qū)、聊城經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、聊城高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、聊城江北水城旅游度假區(qū)、臨清市、陽谷、在平縣、冠縣、東阿縣、高唐縣共4區(qū)1市5縣，設(shè)計灌溉面積508萬畝。現(xiàn)有輸水干渠共計3條。一干渠：控制灌區(qū)東部東阿、在平、高唐3縣，徒駭河以東區(qū)域，設(shè)計灌溉面積130萬畝，干渠0+000～59+000段已襯砌完畢，很大程度上改善了輸水輸沙條件。二干渠：控制灌區(qū)中北部徒駭河、四新河以西，馬頰河、小河道以東東昌府區(qū)、在平、高唐3縣區(qū)部分面積，設(shè)計灌溉面積130萬畝，現(xiàn)已對0+000～68+730段渠道已進行了襯砌。三干渠：控制灌區(qū)西部馬頰河、小河道以西陽谷、東昌府區(qū)、冠縣、臨清4縣市區(qū)全部或部分面積，控制灌溉面積達到280萬畝。交通生產(chǎn)橋已基本滿足，但調(diào)控建筑物配套程度較差。由于長期運行及資金不足，管理機構(gòu)不健全，措施不力，致使工程老化退化嚴重，工程完好率下降。

1.2 研究方法

1.2.1滲流測量

本研究使用流入流出法進行滲流測量。使用流速儀測量流速。采用速度面積法測量流入段和所有流出段的流量。渠道寬度用電纜測量，深度用涉水桿測量。使用測量鏈測量伸展長度。在試驗開始前24h，選擇用于滲流測量的試驗渠道河段的流入量保持恒定。然后，標記了到達的起點和終點。建立了一個參考點，以測量河段起點和終點的深度。河道橫截面分為8～10個小節(jié)。通過涉水桿和電纜測量每個分段的水流深度和寬度。平均深度取兩個連續(xù)分段深度的平均值。在使用流速儀進行流速測量之前，對流速儀進行了校準。對于小于0.6m的深度，使用單點法進行速度測量，對于0.6～2m的深度，使用兩點法。

1.2.2濕周測量

在河段的4個不同位置測量河道的深度和寬度，從中計算出平均深度和寬度。使用平均深度和寬度計算濕周周長。

1.2.3土壤分類

在7個不同的位置進行了標準貫入試驗，以在河道河岸下方1.5～2m的深度處獲得原狀樣品。進行了以下試驗：篩分分析、比重計分析、液限和塑限。然后根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)對土壤進行分類。結(jié)果表明，該地區(qū)的土壤類型可歸類為粉壤土。粉質(zhì)壤土是一種含50%或以上粉土(0.005～0.075mm)和12%～27%粘土(0.001～0.005mm)的土壤，或含50%～80%粉土和少于12%粘土的土壤。

1.2.4用流入流出發(fā)計算實測滲流

在流入流出滲流測量方法中，河段中的滲流通過水量平衡公式獲得除滲流外，所有輸入均已知的方程。

S=Q1-Q2-Qf-F-U-E

式中，每個變量的單位均是m3/s。S—渠道滲流；Q1—河段上游端的流入；Q2—河段下游端的流出；Qf—分流到排水渠的流量；F—排水渠的損失(本研究中為0)；E—蒸發(fā)損失，蒸發(fā)損失估計為流入流量的0.5%；U—通過減少未測量孔口的水損失(本研究中忽略)。

1.2.5經(jīng)驗公式

使用5種不同的經(jīng)驗公式，即Moritz方程、Swamee方程、Punmia方程、Kostiakov公式和Davis-Wilson混凝土襯砌渠道公式，對7條選定渠道的滲流進行了估算。

Moritz方程：

(1)

式中，S—滲透損失(單位長度)，m3；Q—流量，m3/s；V—速度，m/s；C—根據(jù)土壤類型的定值，混凝土襯砌渠道等于0.1。

Punmia公式：

K=0.349×Q0.68

(2)

式中，K—滲透損失(每平方米)，m3/s；Q—流量，m3/s；(河段開始時)

Swamee方程：

qs=KyF

(3)

式中，qs—單位長度渠道的滲流流量，m2/s；K—多孔介質(zhì)的導水率，m/s；y—渠道中的水深，m；F—渠道幾何形狀的函數(shù)(無量綱)。

(4)

式中，b—渠道寬度，m；y—水流深度，m；m—邊坡坡度(本研究中為1)。對于正?，F(xiàn)澆混凝土襯砌，使用的滲透值為：k=1×10-7m/s。而對于開裂的混凝土襯砌，k=1×10-6m/s。

Kostiakov公式：

(5)

式中，Q—滲流量，m3/s；Qnetflow—通過渠道的凈流量，m3/s；a—渠床土壤的滲透系數(shù)(流體流速和水頭之間的比例系數(shù)；b：渠床土壤的滲透指數(shù)(定義土壤的粒度。公式中使用的滲透系數(shù)a和滲透指數(shù)b的值為分別為2.65和0.45。

Davis和Wilson方程：

(6)

式中，S—滲透損失(每段渠道每天)，m3；L—渠道長度，m；Pw—濕潤周長，m；Hw—渠道水深，m；V—渠道流速，m/s；C—襯砌的恒定值(對于混凝土襯砌渠道，C等于1。

2 結(jié)果與討論

2.1 實測滲流

7條選定渠道的滲透損失率如圖1所示。損失率為1.4×10-7～5.1×10-7m/s，平均3.5×10-7m/s。滲透損失的變化源于渠道襯砌的狀況，渠道襯砌的裂縫或塊體之間的空隙促進了滲透?？梢钥闯觯?條河道中有4條超過了建議值。這是對河道維護狀況不佳的間接體現(xiàn)。河道的照片顯示，襯砌中不同位置生長著草，這表明植物根部區(qū)域存在滲漏。例如，1號河段沒有雜草過度生長，是該地塊中最好的，而6號河段是泄漏最嚴重的一個，存在大量過度生長的雜草，如圖2所示。此外，維護不善的河道，其滲漏損失會急劇增加，即流入流量的45.5%。相關(guān)文獻指出，維護良好的混凝土襯砌渠道的滲透損失應小于3×10-7m/s。1號河段河段和7號河段位于上游；3號河段和5號河段在河流下游，其余在中游。

圖1 比較7條渠道的實測滲透損失Δqs，其中直線表示維護良好渠道的滲透損失率上限

2.2 使用各種經(jīng)驗公式計算的滲流率

為了與各個方程計算結(jié)果進行比較，測量流量用試驗河段的長度和濕潤參數(shù)進行歸一化，給出單位為m/s的滲流結(jié)果，詳情結(jié)果見表1。

(1)Swamee方程

Swamee方程是作為有效最小損失渠道的設(shè)計指南推導出來的。這個滲流計算為幾何變量F、水流深度和混凝土襯砌滲透性的乘積。變量F為關(guān)鍵變量，由混凝土的滲透性決定如圖3所示。結(jié)果表明Swamee方程低估了除4號河段外的所有河道。然而，對于1號河段和3號河段，誤差不超過50%。這3條渠道的實測滲透損失較小，滿足了維護良好的渠道襯砌的標準。與此同時，其他4條河道的損失增加?？梢院侠淼丶僭O(shè)，主要不確定參數(shù)是k，即混凝土的滲透性，隨著裂縫的存在而增加。這表明，通過Swamee經(jīng)驗公式，選擇混凝土襯砌滲透性的代表值可以為滲流提供合理準確的結(jié)果。

在大多數(shù)河道中，Swamee方程低估了滲流。平均誤差為-0.42，標準偏差為0.28，這是所有其他經(jīng)驗公式中最小的。為了改進Swamee方程的結(jié)果，建議對方程中的參數(shù)F的計算進行修改，并對比b/y進行修改，對于渠床寬度b，使用水面頂部寬度。這導致參數(shù)F的平均值增加約38%。此外，平均誤差降低至-0.20，相當于平均誤差減少約52%。

(2)Punmia方程

Punmia方程的性能表現(xiàn)的非常好，平均誤差為+0.19。然而，結(jié)果中的離散程度相對較大，為0.92，與Swamee的0.28和Moritz公式的0.75相比，這是不利的。該公式以冪律形式將滲透量q與渠道承載流量聯(lián)系起來，即q=cQd。系數(shù)c和d反映了實測滲流率數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量。其計算結(jié)果較好的原因是，它更接近于當?shù)匾r砌條件。

表1 使用經(jīng)驗公式比較實測滲流和估算滲流

圖2 選取的各段河道圖

圖3 混凝土襯砌開裂和未開裂的滲流計算

(3)Moritz方程

(4)Kostiakov公式

Kostakov公式以q=cQd冪形式表示滲流，其中c和d分別取決于滲透系數(shù)和滲透指數(shù)，Q表示渠道河段的凈體積流量。參數(shù)c和僅以土壤質(zhì)地表示，并從中給出的表格中選擇。由于對土壤質(zhì)地的描述很少，故使用考慮穩(wěn)定滲流狀態(tài)的土壤特性。Kostiakov公式與Punmia方程具有類似的冪律形式。然而，Punmia方程僅在Kostiakov公式取決于土壤滲透性的情況下，才是流量體積率Q的函數(shù)。此外，流量體積率Q也是Kostiakov公式性能相對較差的原因，也可能是由于長期試驗達到現(xiàn)場未達到穩(wěn)態(tài)滲流條件。

(5)Davis-Wilson方程

Davis-Wilson方程結(jié)果計算的滲流量體積很小(約10-6)。與測量結(jié)果相比，因此未顯示。其性能不佳的原因可能與以下事實有關(guān)：滲流隨著水深的增加而變化，達到1/3的冪次方。另一個原因可能是，它不適合當?shù)氐臈l件。

3 結(jié)語

本研究使用流入流出法對研究區(qū)7條襯砌渠道進行了滲流測試。與其他方法相比，該方法對流量測量誤差更小。利用現(xiàn)場滲流數(shù)據(jù)，利用5個經(jīng)驗滲流公式，即Davis-Wilson、Kostiakov、Moritz、Punmia和Swamee，對滲流估算進行了比較研究。觀測證據(jù)表明，襯砌完整且裂縫較少的渠道泄漏較少，而從襯砌裂縫中生長較多雜草的渠道泄漏較多。實測公式和經(jīng)驗公式結(jié)果存在差異的原因主要是流量測量的不確定性、混凝土襯砌中是否存在裂縫以及經(jīng)驗公式中出現(xiàn)的參數(shù)值的不確定性。本研究的可以幫助渠道設(shè)計工程師使用經(jīng)驗公式準確估計渠道的滲流，有助于參與河道系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和運營。