水利工程論文-渠道水利用系數(shù)估算摘要：渠道防滲是塔里木河綜合治理節(jié)水改造，提高水的利用效率，實(shí)現(xiàn)各源流灌區(qū)向塔里木河干流下放生態(tài)水的重要手段之一，而渠道防滲節(jié)水效果又主要是通過渠道水利用系數(shù)來體現(xiàn)的；如何估算渠道水利用系數(shù)，是進(jìn)行水資源供需平衡分析確定渠道規(guī)模的重要依據(jù)之一，也是渠道節(jié)水量計(jì)算的重要依據(jù)。本文引入了渠道水損失率的概念，并基于渠道損失強(qiáng)度的兩個基本假設(shè)從理論上推導(dǎo)出渠道水利用系數(shù)的統(tǒng)一估算式，并結(jié)合葉爾羌河灌區(qū)的情況說明這一估算式具有十分廣泛的應(yīng)用價值，且進(jìn)一步研究了流量取值對渠道水利用系數(shù)的影響。關(guān)鍵詞：渠道防滲渠道水利用系數(shù)輸水損失率1概述塔里木河流域由于近數(shù)十年來各源流灌區(qū)的無序開發(fā)，大量攔截水資源，使注入塔里木河干流水量逐年減少，從而形成干流逐漸枯竭，使下游數(shù)百公里河道斷流，沿岸曾經(jīng)生長非常茂盛的數(shù)百公里生態(tài)林逐年衰敗甚至死亡，進(jìn)而造成塔里木河流域大生態(tài)環(huán)境的急劇惡化，這種狀態(tài)如不及時得到改變，大沙漠周邊的綠洲也將面臨被沙漠蠶食的古樓蘭一樣，成為大生態(tài)災(zāi)害的犧牲品，后果是不堪設(shè)想的。目前各源流灌區(qū)加大灌區(qū)節(jié)水改造力度，盡最大努力增加對干流生態(tài)水的排放量，達(dá)到改善塔里木盆地大生態(tài)環(huán)境的目的工作正在進(jìn)行，采取的主要手段之一就是大規(guī)模的采用渠道防滲工程，以提高水資源的利用率和生產(chǎn)效率。渠道防滲的研究是與灌溉發(fā)展過程緊密聯(lián)系的。我國對渠道防滲的研究高潮在80年代，多次召開了全國性的學(xué)術(shù)交流會議。目前我國正在進(jìn)行的大型灌區(qū)的續(xù)建配套和節(jié)水改造工作以及對于塔里木河流域正在進(jìn)行的綜合治理工作也都是以渠道防滲為主要工程手段進(jìn)行的，而渠道防滲效果又是通過渠道水利用系數(shù)體現(xiàn)的，所以在實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，分析渠道水利用系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的合理性，給出統(tǒng)一的估算公式，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對于渠道水利用系數(shù)的估算，實(shí)質(zhì)上可以歸結(jié)為如何正確計(jì)算渠道的輸水損失，以及渠道輸水損失怎樣合理的轉(zhuǎn)化為渠道水利用系數(shù)。渠道的輸水損失計(jì)算可以采用理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。理論計(jì)算主要是求解各種初、邊界條件下的渠道的滲流基本方程的解，理論分析的方法從損失機(jī)理、結(jié)果表達(dá)方面是相對精確的，但給出的初邊界條件較為嚴(yán)格，操作上較為復(fù)雜，生產(chǎn)上應(yīng)用不多。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主要通過對現(xiàn)場實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì)分析和或?qū)ｉT試驗(yàn)得出的。經(jīng)驗(yàn)公式可以分為兩大類，一類是對未襯砌渠道采用的經(jīng)驗(yàn)公式，一類是對襯砌渠道采用的公式：對未襯砌渠道即土質(zhì)渠道的滲漏損失總結(jié)的公式如埃及的莫爾斯沃斯和延尼達(dá)米婭的公式（C為現(xiàn)場采用靜水法試驗(yàn)得出的渠道濕周上的滲透系數(shù)，d為水深，l為渠道長，x為濕周），以及AH考斯加可夫根據(jù)大量的實(shí)際數(shù)據(jù)的土渠輸水損失經(jīng)驗(yàn)公式為（式中為每公里渠道輸水損失占渠道凈流量的百分?jǐn)?shù)，A為渠床土壤的透水系數(shù)，m為流量指數(shù)）；對于襯砌渠道的輸水損失，主要有戴維斯和威爾遜根據(jù)印度襯砌渠道總結(jié)的公式如(式中：S為各種渠床的滲漏損失，x,d,l,v分別為渠道的濕周，水深，渠長和流速，C為與襯砌材料有關(guān)的系數(shù))?？傊?，這些基于實(shí)測資料上的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)式，大都具有形式簡單、應(yīng)用方便的特點(diǎn)。在有一般土質(zhì)渠道輸水損失的經(jīng)驗(yàn)公式后，襯砌渠道的輸水損失往往根據(jù)襯砌體的形式采用了不同的折減系數(shù)進(jìn)行折減估計(jì)。從以上渠道的損失計(jì)算式的大致分類可以看出，以渠道的輸水損失率形式表達(dá)的渠道輸水損失可以方便的推出渠道水利用系數(shù)，因?yàn)閺膯挝婚L度渠道損失率的定義就可以得出其與單位長度渠道水利用系數(shù)顯然存在的關(guān)系，有了單位長度渠道的水利用系數(shù)，知道了渠道上流量沿程如何變化，就可以依據(jù)單位長度渠道水利用系數(shù)求得全渠道的水利用系數(shù)。2渠道輸水損失率從概述當(dāng)中可以看出渠道的損失計(jì)算對渠道水利用系數(shù)的估算是十分重要的，因此，分析并給出渠道輸水損失統(tǒng)一的、一般的、合理的公式就具有重要的意義。根據(jù)水在土壤中滲流的理論，當(dāng)?shù)叵滤裆詈艽螅袧B流速度近似等于K，水力坡降近似等于1，則每公里渠道滲漏損失的機(jī)理表達(dá)式為,每公里渠道損失率可以寫成為。式中：S為每公里渠道損失流量（m3/skm）；K為渠床土壤滲透系數(shù)(m/d)；為每公里損失流量占渠道凈流量的百分?jǐn)?shù)(%)；為渠道的凈流量(m3/s)；是考慮斷面邊坡側(cè)向毛管吸水的修正系數(shù)，決定于土壤的毛管特性，取值為1.11.4；b、h、M分別為渠道斷面的底寬（m）、渠深（m）、邊坡系數(shù)。因有渠道流量，而寬深比，則渠道的水深，代入渠道的損失率公式有，這一表達(dá)式經(jīng)過變換后可以寫成如下更為一般的表達(dá)式：，若以滲透性系數(shù)A代替，同時為使中的0.5次方更具有統(tǒng)計(jì)方面的河相意義，以流量指數(shù)m表示，則渠道輸水損失率可以表達(dá)為更為簡潔的形式上更接近于AH考斯加可夫的公式即。由此可見AH考斯加可夫公式與從損失機(jī)理推導(dǎo)的公式是相通的，從推導(dǎo)的過程我們也更進(jìn)一步了解了AH考斯加可夫公式中各參數(shù)的實(shí)質(zhì)物理含義：在AH考斯加可夫公式中A為滲透性系數(shù)，是K的倍數(shù)關(guān)系，與渠道的幾何尺寸以及渠床的毛管吸水特性有關(guān)；在AH考斯加可夫公式中m為流量指數(shù)，是與渠道流量狀況有關(guān)的指數(shù)。由于AH考斯加可夫公式是從大量實(shí)測土質(zhì)渠道統(tǒng)計(jì)分析得出的，而從損失機(jī)理理論推導(dǎo)的這一公式與AH考斯加可夫公式具有如此的相似性，說明推導(dǎo)的這一理論公式是可以表達(dá)土質(zhì)渠道的輸水損失的，只是公式對渠道水損失率計(jì)算是基于地下水埋深很大，渠床為土質(zhì)渠道的情況下得出的，根據(jù)渠道的地下水情況，由于地下水對渠道存在頂托作用，計(jì)算出的渠道水損失率還需要在規(guī)范的要求內(nèi)進(jìn)行一定的折減。從我們對葉爾羌河灌區(qū)在世界銀行一期項(xiàng)目已經(jīng)防滲的渠道的渠道損失的統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析表明，對于襯砌渠道公式所表達(dá)的形式也是一樣的，只是公式中的流量指數(shù)以及滲透性系數(shù)取值不同而已。葉爾羌河灌區(qū)塑膜防滲和漿砌石防滲的統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)系數(shù)在0.75以上，具有較好的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)資料表明土渠存在，對于塑料薄膜防滲存在，而對于漿砌石渠道存在的關(guān)系，可見所推導(dǎo)的理論公式的確具有十分廣泛的應(yīng)用價值，對于襯砌形式不同的渠道以及土質(zhì)渠道都可以得出形式上相同的表達(dá)渠道輸水損失的公式來，所得出的理論公式中參數(shù)A以及參數(shù)m所具有的不僅僅是上述的物理意義了，更多的是渠道水損失率的統(tǒng)計(jì)意義，不同地區(qū)或地域可以依據(jù)現(xiàn)有的渠道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出與推導(dǎo)的理論公式形式上相同的公式用以指導(dǎo)實(shí)際工作。3渠道水利用系數(shù)在渠道地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道上，設(shè)起始段面的流量為Q0，離該斷面樁號為x處的流量為Q(x),我們把x點(diǎn)處的流量Q(x)對x的導(dǎo)數(shù)的負(fù)值定義為該段面的流量損失強(qiáng)度P(X)，。流量的損失強(qiáng)度與渠道本身的性質(zhì)和流量的大小有關(guān)，可以假定，渠道某一段面的流量損失強(qiáng)度與該段的流量比值為常數(shù)k，。基于以上對渠道的兩個基本假定，可以得出，對此式進(jìn)行在0x上的積分有，積分得出流量沿程變化的基本關(guān)系式，由此可見，沿程流量為一指數(shù)函數(shù)，k的數(shù)字反映流量消減的快慢，它是一個由渠道本身性質(zhì)決定的參數(shù)。有了渠道流量關(guān)系式，現(xiàn)在可以利用這一關(guān)系式推求每公里渠道水利用系數(shù)。對于前后斷面存在，即，而距離起始段面一公里處的流量為，把損失強(qiáng)度代入此式有。因此每公里渠道水利用系數(shù)，可以表達(dá)為，同理對于渠道水利用系數(shù)也可進(jìn)行推算即，此式表明了全渠道水利用系數(shù)與單位長度水利用系數(shù)的關(guān)系。很顯然單位渠道水利用系數(shù)與單位渠道水損失率存在關(guān)系式，由此關(guān)系式再依據(jù)上述渠道水利用系數(shù)與單位渠道水利用系數(shù)的關(guān)系式，則有，這就是我們想要得到的渠道水利用系數(shù)的估算式。L為地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件完全相同的渠道長度。對于地質(zhì)條件、幾何斷面及襯砌形式等條件不同的渠道可以首先劃分為不同的計(jì)算渠段，利用估算式分別計(jì)算不同渠段的渠道水利用系數(shù)，全渠道水利用系數(shù)顯然有，在此就不加推證了。我們對渠道水利用系數(shù)推求，具有十分廣泛的意義，主要是由于引入了單位流量損失率，而單位流量損失率具有形式簡單的特點(diǎn)，所有渠道均可以采用統(tǒng)計(jì)的方式得出這一形式。從而更廣的推求了渠道水利用系數(shù)。4成果分析渠道水利用系數(shù)估算式引入的渠道水損失率和渠道長度這兩個參數(shù)中，由于渠道的計(jì)算段長度是一定的，因而影響渠道水利用系數(shù)的主要參數(shù)是渠道水損失率。而渠道水損失率又是由渠道的凈流量、流量指數(shù)、滲透性系數(shù)三個參數(shù)得出的，因而渠道水利用系數(shù)最終可以歸結(jié)為對這三個參數(shù)的正確確定。假定A、m值是確定的，并給出一系列m值，渠道的長度取1km。則渠道