变水位静水法在渠道水利用系数计算中的应用

静水法是测验渠道渗漏水平、计算渠道水利用系数的试验方法之一,其测验精度高于动水法。尤其对于衬砌渠道,其测验精度更能得到体现。而变水位静水法是分析变动流量渠道水利用系数的适用方法。该文以水量平衡为依据,分析了渠道水利用系数的计算过程,以及当渠道水深变化时渠道水利用系数计算中相关因素的变化规律,并将渠道水利用系数计算过程概化为6步。以石津灌区四干三分干南四支混凝土衬砌渠道0+054~0+475渠段的变水位静水法和流量观测为实据,展示了衬砌渠道水利用系数的计算过程,计算水深介于0.56~0.99 m之间,渠道水利用系数为0.988~0.991之间。实例分析结果表明:随着渠道水深的增加,虽流量和渗漏强度均增加,但渠道水利用系数随水深呈增加趋势,该实例在水深大于0.7 m时,渠道水利用系数变化趋势渐趋平缓。可见,当渠道流量不稳定时,渠道水利用系数宜采用变水位静水法结合流量进行计算。     

基于非恒定水流模拟的渠道运行状态分析及渗漏检测方法

为提高灌区水的利用系数以及实时掌握渠道运行状态,提高灌区管理水平,该文以石头水库东干渠前10 km为研究对象,采用渠道非恒定流模拟方法,对渠道在不同水流情况下的运行状态进行模拟分析,并分析采用该方法进行渠道渗漏检测的可行性。通过模拟分析及渗漏检测验证表明采用非恒定水流模拟方法不仅可以实时了解渠道的运行状态,同时结合渠道水位测量可以进行渠道渗漏点位置检测,从而为提高渠道的安全运行、优化管理提供依据。     

灌区干支渠渗漏估算方法及其在水资源优化配置中的应用

为解决大尺度农业水资源规划中遇到的渠道渗漏估算精度低且估算方法不符合渠道渗漏机理问题,该研究在对前人的研究成果与渠道渗漏关键要素进行分析基础上提出了渠道渗漏估算方法。根据提出的渠道渗漏估算方法,渠道渗漏系数通常是随渠道引水量变化的单调函数,传统方法中使用固定的渠系渗漏系数方法在渠道引水量变化时会对渠道渗漏量有一定程度的低估和高估。为进一步验证不同的渠道渗漏估算方法对于农业水资源优化配置的影响,以甘肃省黑河中游17个大中型灌区的水资源优化配置问题为例,建立了农业水资源多目标随机规划模型对有限水资源进行合理分配。模型同时选择了渠道渗漏估算方法与传统的固定系数方法。优化结果显示,使用固定渗漏系数的传统方法不能体现黑河中游灌区干支渠的渠道渗漏系数随渠首引水量的动态变化关系,使用固定渗漏系数方法可能会导致对渗漏量的估计产生10%以上的偏差,进而影响实际的田间可用水量、预期产量、预期收益的估计,使得优化目标不能真正实现。同时,对比研究发现,当可用地表水量发生改变时,渠道渗漏估算方法可以更好反映出渠道渗漏率动态变化,为农业水资源规划提供更加精确的水量信息,增加了水资源规划方案的有效性与可行性。     

机翼形量水槽的试验研究

渠道量水设施对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义，研究具有结构简单、水头损失小、量水精度较高、流量计算公式简明的渠道量水设备，是灌区迫切需要的灌溉管理应用技术之一。该文提出了一种仿真机翼形状的渠道量水设施，在U形渠道中通过12种量水槽收缩比进行了系统的组合试验，试验结果表明：该量水槽过流顺畅，水头损失小，试验数据资料表现出极好的相关性，相关系数为R²=0.9988。应用量纲分析法建立的流量公式具有量纲和谐性，拟合的具有指数形式的流量计算公式简明实用，流量计算平均误差小于3%，临界淹没度可达0.92。     

新疆地区农业灌溉水利用系数分析

采用传统渠道断面测验法、典型灌区田间水利用系数测验、“灌区首尾”等方法,综合研究干旱灌区灌溉水利用系数。结果表明：引输水渠灌、提水井灌、喷灌、微灌、低压管道输水5种灌溉用水模式,灌溉水利用系数分别为0.370、0.687、0.795、0.860、0.800;5种模式2011年综合灌溉水利用系数所对应的全疆灌区、南疆、东疆、北疆片区分别为0.498、0.479、0.682和0.581。基于柯布-道格拉斯模型分析相关因素对综合灌溉水利用系数的影响效应,结果表明,灌溉系统大力推进渠道防渗、井灌和高效农业节水建设,对于提升灌区综合灌溉水利用系数贡献明显。研究结果为干旱新疆灌区农业用水效率和水资源总量控制管理提供了技术依据。     

U 形渠道量水平板水力性能试验研究

根据北方灌区渠道底坡缓且灌溉水流多泥沙的现状,该文针对U型渠道设计了平板量水装置。为了探索不同尺寸悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的水力学特性,确定流量与平板偏转角度之间的关系。分析水流流态,将渠道运动水流分为3部分,对平板部分水流应用闸孔淹没出流公式,建立流量计算模型,得出流量与角度的半经验关系式。对流量系数计算模型中的待定系数进行估计,得到了统一形式的流量公式。U型平板测流范围为9～44L/s,经验证,计算流量与实测流量之间最大相对误差为6.9%,平均相对误差为3.2%,其中收缩比0.547、0.439平板测流相对误差均小于5%,满足灌区量水要求。同一收缩比板型,相对水头损失随着流量增大而减小,不同收缩比板型,相对水头损失随着板型收缩比增大而增大,除收缩比0.715平板在小流量(本试验大约为10L/s)测流时,相对水头损失比在10%以上,其余平板测流时相对水头损失均小于10%,其中收缩比为0.439和0.337平板最大水头损失不超过上游总水头6%。经过综合分析,选择0.547到0.439为平板最佳收缩比测流范围。研究可为灌区量水设施的改进提供依据。     

敦化灌区渠道防渗工程冻胀破坏分析与防治

太原市敦化灌区始建于1964年,地处山西中部汾河与潇河交叉口南端,属冲积平原型灌区。现拥有主要干、支渠道51.76 km,可灌溉农田6 973.33 hm~2。多年来,干、支渠道均为土体结构,输水渗漏损失严重,渠系水利用系数约为0.45。为减少输水渗漏损失,1996年对部分渠道进行了防渗工程处理。在防渗渠道运行过程中,又出现了裂缝、空鼓、错位滑落等冻胀破坏情况。在分析渠道防渗工程冻胀破坏原因的基础上,提出了系统的防治措施。     

灌区农业灌溉节水潜力估算理论与方法

为了估算农业灌溉的节水潜力,提出了基于灌区尺度的农业节水潜力估算理论和方法,将不同节水措施实现的灌溉节水量分为“毛节水量”和“净节水量”,用于区分目前关于“工程节水量”和“真实节水量”的争论。毛节水量指由于提高灌溉效率,降低渗漏损失和田间蒸发等而少引的灌溉水量。净节水量指采取节水措施后减少的无效消耗水量和无效流失水量之和。案例分析在徒骇马颊河流域现有节水灌溉工程措施基础上分别估算了节水灌溉率提高20%和40%两种场景的节水量。估算结果表明,节水灌溉工程措施的节水潜力很大,但主要是毛节水量,即减少了从水源取用的水量,而净节水量的节水潜力不大。这是由于大多数工程措施的主要作用是提高灌溉水的利用系数,减少渗漏损失,而减少的耗水量相对比较小。     

基于动水法的流量过程线推移法在渠道渗漏计算中的应用

动水法观测渠道渗漏较静水法便捷,但由于动水法观测条件苛刻,通常使得动水法定义下的计算结果可靠性较差。该文通过对动水法观测问题及特点分析,建立了流量过程线推移法,通过数据平行检验,绘制有效数据的流量过程线,并对流量过程线进行顺流推移和逆流推移,从而获得某观测时段内上、下游观测断面的流量过程线差,进而算得损失流量。该文以石津灌区四干三分干南四支梯形混凝土衬砌渠道为例进行了分析,对该段渠道上6种衬砌形式进行静水法和流量过程线推移法观测。静水法分析得6种衬砌形式的渗漏量与渠道水深之间均表现为幂函数形式。流量过程线推移法通过平行检验得到19组数据,计算得到渗漏量,将其与静水法得到结果进行比较,得到有12组数据绝对误差小于10 m3/(km·h)。两种方法的渗漏量与水深相关分析呈现相同的变化趋势,即渗漏量随水深的增加而增加。该研究初步验证了流量过程线推移法在渗漏量计算上的可行性。     

基于变水位静水法的梯形渠道渗漏强度函数构建及验证

变水位静水法受规范中观测方法限制,相邻2次观测时间段的计算只能代表平均水深的平均渗漏强度,且将观测期间渠道渗漏的非线性过程假设为线性变化,该假设将导致计算误差,从而使拟合的渗漏强度幂函数存在系统误差。该文以渠道内水位随时间的渗漏过程拟合函数为基础,建立了关于梯形渠道变水位静水法(dropping head ponding test,DHPT)的渗漏强度函数。以石津灌区6种梯形衬砌渠道的变水位静水法试验为依据进行实例分析,分析获得6种梯形渠道的传统幂函数和DHPT渗漏强度函数,并应用各函数进行了渗漏时长计算。通过渗漏时长计算值与实测值对比表明,DHPT函数平均估计误差0.978 h,最大相对误差为1.552%;而传统方法平均估计误差为3.997 h,最大相对误差为5.632%。表明DHPT函数能够更好地描述梯形渠道的渗漏过程,可用于计算点水深下的渗漏强度。通过DHPT函数与传统方法的计算结果对比,表明传统方法计算的渗漏强度普遍偏高,实例中平均误差达到0.248 L/(m~2·h),而DHPT函数直接建立于观测数据之间的函数关系,可避免线性假设的影响,提高计算精度,为分析变水位工况下的渠道水利用系数提供依据。     

多级灌溉渠系配水优化编组模型与算法研究

合理安排各级渠道的配水时间和流量,实现灌溉渠系大流量短历时输配水,减小整个渠系的渗水损失,是目前灌区管理中亟需解决的技术问题.该文基于大系统分解协调的思想,以陕西省冯家山灌区为例,建立了一种解决多级渠系配水优化编组问题的分解协调模型.针对模型中存在多约束条件和大搜索空间问题,设计了基于自适应遗传算法模型求解方法,并比较分析了用该文方法与传统方法确定的配水编组方案性能,结果表明该文确定的算法能实现多约束条件下模型的稳定快速求解,确定的优化配水方案下级渠道配水过程搭配合理,上级渠道配水流量较为均匀且总输水损失小等优点,能解决多级渠系配水优化编组问题,可满足灌区管理需要.     

基于自由搜索算法的灌渠配水优化模型

国内外现有的渠道配水模型是建立在下级渠道流量相等、上级渠道断面均匀水力参数相同的基础上,无疑限制了模型的应用范围。针对该种不足,该文建立了考虑下级渠道流量不等和上级渠道断面变化的精细化配水模型。在模型求解方面,通过构建合理的适应度函数和对约束条件的高效处理,应用自由搜索算法对模型进行了求解。应用结果表明,采用本模型和算法得到的配水方案与原配水方案相比,输水渗漏损失减少了8.26%;配水过程也更加均匀,有效减少了闸门调节次数。     

基于排水过程分析的水稻灌区农田面源污染模拟

对前郭灌区主要面源污染物迁移、转化及汇集过程开展了2a的系统试验与监测,模拟了灌区面源污染水质水量过程,分析了灌区农田面源污染形成机制。水均衡测定结果表明,灌区排水主要由灌溉退水、稻田地表弃水和稻田渗流排水3部分组成,采用马斯京根法和连续分段马斯京根法能够有效地模拟各级排水沟道的排水过程。主要面源污染物随水体发生迁移及掺混,采用一级动力学方法描述污染物转化过程,模拟的灌区水质水量过程与实际过程符合较好,稻田地表退水主要影响水稻抽穗前的面源污染入河过程,而渗流排水则在抽穗后灌区排水水质中起主要作用。结果表明水稻灌区中地表排水和稻田渗漏排水对于面源污染过程起主要作用。     

渠系配水优化编组通用化软件的研发与应用

针对国内外己开发的渠系优化配水软件存在的通用化程度不高的问题,在对渠系结构及优化配水模型抽象概化的基础上,以VC++6.0为开发平台,研制了一种渠系优化配水的通用化软件。该软件以渠系层状树形结构图、空间布局概化图、渠道特征参数数据库等直观表达复杂渠系上下级关系、空间布局和特征参数,并实现了上述图形与数据库的交互使用,使用户可以方便的完成复杂渠系的空间布局搭建、渠道特征参数的输入与修改。在对渠系配水过程分析的基础上,建立了所需参数少、通用性强、计算结果稳定可靠的渠系优化配水模型。并通过对模型特点的分析,提出     

渠井用水比对灌区降水响应及其环境效应分析

渠井结合灌区适宜渠井用水比例关系灌区地下水环境和区域农业可持续发展。该文以人民胜利渠灌区为例,集合了灌区1954-2014年农业用水量及降水量、研究区域2008-2014年渠井用水比、地下水埋深、地下水水化学特征数据,分析了降雨量、地下水动态特征与渠井用水比例的相关性,以期探明渠井结合灌区渠井用水比对降雨的响应及其对土壤和地下水环境的影响。结果表明,典型渠井结合灌区渠井用水比与年降水量呈线性正相关;渠系上游地下水水位变化较下游更为剧烈,在用水水平、用水方式一致条件下,渠井用水比例越大,地下水埋深超过11 m区域增幅越小,较大的渠井用水比例对于上游地下水位下降减缓效果明显;平水期、枯水期,由于渠井用水比例不合理,地下水无序开采且超采严重,区域地下水碱化趋势明显;受气候变化影响,近5 a渠灌水量仅为多年均值的75.52%,未来区域降水量具有减小趋势,这势必进一步加剧农业水资源紧缺的形式。为了满足农业的正常生产,增加灌区地下水开采成为唯一解决途径,这势必加剧地下水的碱化趋势及地下水超采区的扩大。因此,确定灌区适宜的渠井用水比例对于灌区水资源的科学利用与农业的可持续发展具有重要意义。     

旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环，导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重，直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展；在此基础上，指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点；探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势，为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。