渠系利用系数的测定方法
一个灌区的渠系水利用系数通常可采用图10-1给出的步骤进行计算。
图10-1 渠系水利用系数研究方法模块图
（一）重点灌区调查
在重点调查灌区的选择时遵循了以下4方面的原则：第一、所选择的灌区有效灌溉面积的大小应有代表性；第二、灌区干支渠防渗长度比的大小应有代表性；第三、各水资源分区应尽可能有相应的代表性灌区；第四、灌区近几年来的管理水平应有差异。从174个万亩以上灌区中选择了39个灌区，进行了深入细致的调查。
选定重点调查的39个灌区中，自流灌区24个，机电灌站15个；总有效灌溉面积为477.5万亩，占全省总有效灌溉面积的24%，固定渠道总长度15975km，占全省固定渠道总长度的14%；各级防渗渠长8461km，占全省防渗渠总长的14%；多年平均灌溉引提水量为52428.7万m3，占全省农田灌溉引提水量的14.5%。选定灌区见表10-2。
表10-2 选定重点调查灌区情况表
续表
注 带*者的灌区资料不全或未提供。
调查内容：
（1）包括渠系的分布情况，各条渠道的名称及分水口桩号。
（2）干支渠道状况调查，包括渠道的断面形式、底坡、渠床土质类别（砂壤土、轻壤土、中壤土、黏土）、防渗情况、地下水埋深等，要求逐条渠道进行调查。
（3）渠道过水情况，包括年实际过水天数、实际过水流量、引水量、设计流量、水深。填写近2～3年的平均值。
（4）斗渠以下固定渠道，因为数量多，断面尺寸，防渗情况，过水情况不易填写，可选择有代表性的渠道，填写2～3年的平均引水量和控制面积。
（二）方法选定
渠系（道）水利用系数的确定通常有3种方法：即测定法、调查法、推算法。
（1）测定法。根据SL207—98《节水灌溉技术规范》附录B有关参数的计算测定方法，渠系水利用系数应通过动水测定法和静水测定法确定，但是由于此次专题研究的时间紧、经费不足，不可能在重点灌区进行测定，如果只选择少量的渠段进行测定的话，也存在着测段数的代表性问题，所以不采用此方法进行渠系水利用系数的测定。
（2）调查法。分为灌区提供法和水量计算法。灌区提供法由灌区根据每条渠道的运行情况，提供每条渠道水利用系数η渠道；水量计算法，根据灌区提供的每条渠道的引水量W和各分水口引水量之和∑WOi的比值，求得每条渠道的η渠道。虽然调查法简便、明了、快捷，但是从收到的资料分析，有的灌区渠首引水量小于其下级各分水口引水量之和，有的灌区提供的各渠道的η渠道与此条渠道的水量法计算结果相矛盾，有些灌区对防渗形式、取水量、过水时间、断面形式均不相同的渠道，提供的η渠道都是相同的值。总之，情况很不理想，所以调查法计算结果只作为参考。
（3）推算法。利用现有渠道渗漏规律采用正向递推水量平衡法进行推算。正向递推水量平衡法，是1986年山西省在全省18个重点灌区采用静水法测试渠道渗漏损失，由山西省水利科学研究所提出的科研成果。按照SL207—98《节水灌溉技术规范》要求，渠系水利用系数应采用动水法和静水法测定，其中静水法测定的结果也需采用正向递推水量平衡法推算渠道水利用系数。
经过分析比较，决定采用推算法计算渠系水利用系数。
（三）正向递推水量平衡法
1.正向递推水量平衡法的概念
目前面临的问题是在运行条件下，已知渠首在一特定年份的总毛引水量时，如何推算出渠道水利用系数。这一问题和常规的在设计条件下求渠道水利用系数有着本质的不同。设计情况下推求渠道损失水量和渠道水利用系数是由渠尾向渠首逆向递推。在运行情况下，渠道水利用系数应由渠首至渠尾，正向递推。问题的难点在于，当一条渠道上有多个分水口时，这些分水口的引水量仅能由当年各分水口的量水情况得出它们的近似引水量，而不是精确引水量（如果知道了这些分水口的精确引水量，可以由之直接得出渠道的水量损失及渠道水利用系数，则不必再另行推算了）。在此情况下，尽管各分水口引水量的绝对数值不够精确，但由于它们的量测方法一致，因而它们之间的相对比值是较可靠的。在此基础上，根据水量平衡原理，将渠道划分成若干渗漏特性不同的渠段或子段，从渠首至渠尾逐段进行渗漏损失计算，通过试算、修正，在各渠段、各子段、各分水口节点满足水量平衡的前提下，得出各分水口的引水量，求出渠道水利用系数。
2.计算需要的基本资料
（1）渠道长度、渠道底坡、断面几何尺寸、衬砌状况、糙率、渠道上分水口的位置。若该条渠道上有m个分水口，则应将渠道分为m个渠段。每个分水口的位置称为节点，节点共有m个，渠首在一特定年或特定季节的引水量为W（m3），各分水口的引水量以WOi（m3）表示（i=1、2、…、m）。
（2）在各渠段内，由于渠道几何尺寸、渠道防渗形式和质量、土渠的渗漏特性不同，应将渠段再划分成若干子段。如第1个渠段划分为NO（1）个子段，第i个渠段划分为NO（i）个子段，第m个渠段划分为NO（m）个子段，每个子段皆有各自不同的渗漏规律或特性。各子段的进口水量以W1表示，各子段的出口水量以W2表示，渠段i子段j的渗漏损失水量以WSij表示，子段的进出口水量，损失水量见图10-2。
图10-2 渠段i的j子段进口及渗漏损失水量
（3）渠道在某一特定年份或灌溉季节，当渠首总引水量为W，根据当年或该季节的分水口量水统计资料可以求出各分水口的引水量比值Ri（i=1、2、…、m）。
3.计算步骤
（1）假定各分水口的引水量WO′i，它们之间应符合Ri的比值关系。
（2）从渠首至渠尾逐个渠段、逐个子段，根据W及WO′i及从上个子段推算出的本子段进口水量W1ij，计算该渠段该子段的渗漏损失水量WS ij及出口水量W2ij。
（3）每次计算出W2ij后，需与该子段后第一个分水口的引水量WOi进行比较。
1）若W2i，j＞WOi，则将W2i，j当作下一子段的进口水量，继续计算；当j子段是i渠段的最末一个子段时，则
2）若W2i，j≤WOi，则应按下式进行修正值计算
并修改各分水口引水量，得出新的分水口引水量WO′i，重新返回渠首计算。
3）若已算至渠尾的节点m，且满足式（10-6）要求，则转至式（10-8）进行下一步骤计算。(https://www.daowen.com)
式中：E1为计算精度要求。
4）若上述条件不满足，则应按式（10-7）计算修正值
再按式（10-5）修正各分水口引水量，返回渠首重新计算。
（4）按下式计算该渠道的总渗漏水量WS
4.计算渠道渗漏损失WS的计算方法研究
在正向递推水量平衡法计算中，需要逐段计算出渠道的渗漏损失WS，计算方法采用下列3种方法：
（1）单位面积渗漏量法。根据SL18—91《渠道防渗工程技术规范》附录J中所给出的不同防渗形式下允许最大渗漏量WEmax[m3/（m2·d）]，结合渠道的防渗形式选择单位面积渗漏量WE[m3/（m2·d）]，根据正向递推水量平衡法求得的各渠段的子段相应水深情况下的湿周Xij（m），各渠道子段的长度Lij（m），求得各段渠道子段渗漏量WS ij（m3）。
（2）单位渠长损失率法。根据GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》，渠道水量渗漏损失采用以下公式计算：
式中：σ为渠道单位长度水量损失率，%/km；ε′为受地下水顶托的渗水损失修正系数，由规范查出；ε0为衬砌渠道渗水损失修正系数，由规范查出；Lij为渠段i、子段j的长度，km。
渠道的总渗漏损失量WS仍可用
算出。
（3）山西法。单位面积渗漏量法和单位渠长损失率法计算渠道渗漏水量损失，其计算较为简便，但在选择渗漏参数时有一定的任意性，且在公式中渗漏损失与渠道的水深无关或没有直接的关系是其不足之处。1986年，山西省水利科学研究所及山西省水利厅在全省18个典型灌区开展了大规模的静水法测试渠道渗漏损失的研究工作，用大量现场试验资料，提出了各种类型渠道湿周上微元面积的渗漏损失与其上部水深关系的模式，求出了模式中的参数，并给出按此模式进行渠道渗漏水量的损失计算的方法，这一渠道湿周上微元面积的渗漏损失水量与该微元面积上作用水深关系的模式是：
式中：q F为渠道湿周上微元面积的折算稳渗强度，简称微元折算稳渗强度，kg/（m2·h）；h为微元面积所在处的渠道水深，m；K、d为反映渠床土质、衬砌护面材料及地下水位影响的参数，假定该参数在整个湿周面积上都是均匀一致的。1986年共进行了196个渠段的测试，具体数值见表10-3。具体采用时应根据计算的渠道的状况对照表中的测段数的情况合理选定。
表10-3 山西法渠道湿周上微元面积折算稳渗强度参数表
注 1.本表参数系山西省水利科学研究所、山西省水利厅1986年静水法测试渠道渗漏的科研成果。
2.土渠的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类分别对应于弱透水性（黏土、重壤土）、中等透水性、中强透水性、强透水性。其中两行数字中，上行为受地下水影响的情况，下行为不受地下水影响情况。
3.对于浆砌石渠的Ⅲ类，测段比较少，K值变化大，一般不选用。
有了上述微元面积上渗漏模式，求渠道单位渠长上的稳定渗漏损失量时，应沿渠道湿周X进行积分，即可求出每小时每米长的渠道在渠道水深为H时的稳定入渗量。对于梯形渠道，积分的结果公式为
式中：Q为每m渠长稳渗量，kg/h；B为渠道底宽，m；H为渠道水深，m；m为渠道边坡系数。
利用上式可得出渠道第i个渠段第j子段的稳定入渗量WSij（m3）。
式中：WSij为渠段第i子段j的稳定入渗量，m3；Ti为渠段i的年过水天数，d；Lij为渠段i子段j的渠道长度，m；Qij为渠段i子段j每米渠道稳渗量，kg/h。
渠道的总渗漏量：
按照以上3种方法，通过正向递推水量平衡计算，得出渠道渗漏损失WS。计算过程中，将水量平衡计算中的允许误差E1，控制在1‰以内。用3种方法计算出的WS值，经相互验证，分析对比，合理选定出该渠道的渗漏损失值，并用式（10-13）算出渠道水利用系数η渠道。
对于有多条干渠或多条支渠的灌区，通过对单条渠道所控制面积和年实际过水量进行加权平均，得出两组计算结果，取其算术平均值，得出本灌区的干支渠系水利用系数η干、η支。
用正向递推水量平衡法计算渠道水利用系数，考虑了多个影响因素，计算每个子段都需要整理出22个数据，本次研究共计算了2500个渠段，选用了5.7万个参数，具体数据统计见表10-4。
表10-4 渠道水利用系数计算数据统计表
（四）干、支渠道水利用系数的修正
采用正向递推水量平衡法计算渠道水利用系数时，所计算的是稳渗情况下渠道的渗漏量，而在实际中，渠道在进入稳渗状态前，有个初渗的过程，所以渠道总稳渗量应当是初渗量与稳渗量之和，将各级渠道全年总稳渗量加大一个比例，作为灌区全年渠道初渗量加上稳渗量的总渗漏量，采用IDS代表灌区总稳渗量与包括初渗量和稳渗量在内的总渗漏量的比值。
根据山西省水利科学研究所、山西省水利厅1986年静水法测试渠道渗漏后的大量分析计算，各级渠道的IDS可以采用以下综合平均数值。
干渠 IDS=0.95
支渠 IDS=0.80
斗渠 IDS=0.45
若采用未考虑初渗损失情况下得出的干、支渠的渠道水利用系数分别为η′干及η′支，则可以导出考虑了初渗损失后的干、支渠道水利用系数η干及η支分别为：
用以上方法计算得到重点调查灌区渠道防渗现状及干支渠系水利用系数η干支。
