2.2 灌区灌溉渠道系统
2.2.1 灌溉渠系概述
灌溉渠道系统是指从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统，包括渠首工程、输配水工程和田间工程三大部分。
在现代灌区建设中，灌溉渠道系统和排水沟道系统是并存的，两者互相配合，协调运行，共同构成完整的灌区水利工程系统，如图2-1所示。
图2-1 灌区水利工程系统
灌溉渠系由各级灌溉渠道和退（泄）水渠道组成。灌溉渠道按其使用寿命分为固定渠道和临时渠道两种：多年使用的永久性渠道称为固定渠道；使用寿命小于一年的季节性渠道称为临时渠道。按控制面积大小和水量分配层次又可把灌溉渠道分为若干等级：大、中型灌区的固定渠道一般分为干渠、支渠、斗渠、农渠四级，如图2-1所示，在地形复杂的大型灌区，固定渠道的级数往往多于四级；干渠可分成总干渠和分干渠，支渠可下设分支渠，甚至斗渠也可下设分斗渠；在灌溉面积较小的灌区，固定渠道的级数较少，如灌区呈狭长的带状地形，固定渠道的级数也较少，干渠的下一级渠道很短，可称为斗渠，这种灌区的固定渠道就分为干、斗、农三级。农渠以下的小渠道一般为季节性的临时渠道。
退、泄水渠道包括渠首排沙渠、中途泄水渠和渠尾退水渠，其主要作用是定期冲刷排放渠首段的淤沙、排泄入渠洪水、退泄渠道剩余水量及下游出现工程事故时断流排水等，达到调节渠道流量、保证渠道及建筑物安全运行的目的。中途退水设施一般布置在重要建筑物和险工渠段的上游。干、支渠道的末端应设退水渠道。
2.2.2 渠系建筑物
渠系建筑物指各级渠道上的建筑物，按其作用的不同，可分为以下几种类型。
2.2.2.1 引水建筑物
不同的取水方式其首部枢纽的引水建筑物不同。从河流无坝引水灌溉时的引水建筑物为渠首进水闸，其作用是调节引入干渠的流量；有坝引水时的引水建筑物是由拦河坝、冲沙闸、进水闸等组成的灌溉引水枢纽，其作用是壅高水位、冲刷进水闸前的淤沙、调节干渠的进水流量、满足灌溉对水位、流量的要求。需要提水灌溉时修筑在渠首的水泵站和需要调节河道流量满足灌溉要求时修建的水库，也均属于引水建筑物。
2.2.2.2 配水建筑物
配水建筑物主要包括分水闸和节制闸。
1.分水闸
建在上级渠道向下级渠道分水的地方。上级渠道的分水闸就是下级渠道的进水闸。斗、农渠的进水闸惯称为斗门、农门。分水闸的作用是控制和调节向下级渠道的配水流量，其结构形式有开敞式和涵洞式两种。
2.节制闸
节制闸垂直渠道中心线布置，其作用是根据需要抬高上游渠道的水位或阻止渠水继续流向下游。在下列情况下需要设置节制闸：
（1）在下级渠道中，个别渠道进水口处的设计水位和渠底高程较高，当上级渠道的工作流量小于设计流量时，就进水困难，为了保证该渠道能正常引水灌溉，就要在分水口的下游设一节制闸，壅高上游水位，满足下级渠道的引水要求。
（2）下级渠道实行轮灌时，需在轮灌组的分界处设置节制闸，在上游渠道轮灌供水期间，用节制闸拦断水流，把全部水量分配给上游轮灌组中的各条下级渠道。
（3）为了保护渠道上的重要建筑物或险工渠段，退泄降雨期间汇入上游渠段的降雨径流，通常在它们的上游设泄水闸，在泄水闸与被保护建筑物之间设节制闸，使多余水量从泄水闸流向天然河道或排水沟道。
2.2.2.3 交叉建筑物
渠道穿越山岗、河沟、道路时，需要修建交叉建筑物。常见的交叉建筑物有隧洞、渡槽、倒虹吸、涵洞、桥梁等。
1.隧洞
当渠道遇到山岗时，或因石质坚硬，或因开挖工程量过大，往往不能采用深挖方渠道，如沿等高线绕行，渠道线路又过长，工程量仍然较大，而且增加了水头损失。在这种情况下，可选择山岗单薄的地方凿洞而过。
2.渡槽
渠道穿过河沟、道路时，如果渠底高于河沟最高洪水位或渠底高于路面的净空大于行驶车辆要求的安全高度时，可架设渡槽，让渠道从河沟、道路的上空通过。渠道穿越洼地时，如采取高填方渠道工程量太大，也可采用渡槽（图2-2）。
图2-2 渠道跨越河沟时的渡槽
3.倒虹吸
渠道穿过河沟、道路时，如果渠道水位高出路面或河沟洪水位，但渠底高程却低于路面或河沟洪水位时；或渠底高程虽高于路面，但净空不能满足交通要求时，就要用压力管代替渠道，从河沟、道路下面通过，压力管道的轴线向下弯曲，形似倒虹，见图2-3。
图2-3 倒虹吸
4.涵洞
渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较小时，常在路面下面埋设平直的管道，叫做涵洞。当渠道与河沟相交，河沟洪水位低于渠底高程，而且河沟洪水流量小于渠道流量时，可用填方渠道跨越河沟，在填方渠道下面建造排洪涵洞。
5.桥梁
渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较大、水面较宽时，要在渠道上修建桥梁，以满足交通要求。
2.2.2.4 衔接建筑物
当渠道通过坡度较大的地段时，为了防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，就把渠道分成上、下两段，中间用衔接建筑物联结，这种建筑物常见的有跌水和陡坡，见图2-4和图2-5。当渠道通过跌差较小（一般为5m以内）的陡坎时，可采用跌水；跌差较大、地形变化均匀时，多采用陡坡。
图2-4 跌水
图2-5 陡坡
2.2.2.5 泄水建筑物
为了防止由于沿渠坡面径流汇入渠道或因下级（游）渠道事故停水而使渠道水位突然升高，威胁渠道的安全运行，必须在重要建筑物和大填方段的上游以及山洪入渠处的下游修建泄水建筑物，泄放多余的水量。通常是在渠岸上修建溢流堰或泄水闸，当渠道水位超过加大水位时，多余水量即自动溢出或通过泄水闸宣泄出去，确保渠道的安全运行。泄水建筑物具体位置的确定，还要考虑地形条件，应选在能利用天然河沟、洼地等作为泄水出路的地方，以减少开挖泄水沟道的工程量。从多泥沙河流引水的干渠，常在进水闸后选择有利泄水的地形，开挖泄渠，设置泄水闸，根据需要开闸泄水，冲刷淤积在渠首段的泥沙。为了退泄灌溉余水，干、支、斗渠的末端应设退水闸和退水渠。
2.2.2.6 量水建筑物
灌溉工程的正常运行需要控制和量测水量，以便实施科学的用水管理。在各级渠道的进水口需要量测入渠水量，在末级渠道上需要量测向田间灌溉的水量，在退水渠上要量测渠道退泄的水量。可以利用水闸等建筑物的水位～流量关系进行量水，但建筑物的变形以及流态不够稳定等因素会影响量水的精度。在现代化灌区建设中，要求在各级渠道进水闸下游，安装专用的量水建筑物或量水设备。
图2-6 巴歇尔量水槽
量水堰是常用的量水建筑物，三角形薄壁堰、矩形薄壁堰和梯形薄壁堰在灌区量水中广为使用。巴歇尔量水槽（图2-6）是广泛使用的一种量水建筑物，虽然结构比较复杂，造价较高，但壅水较小，行近流速对量水精度的影响较小，进口和喉道处的流速很大，泥沙不易沉积，能保证量水精度。
2.2.3 渠道流量
在灌溉实践中，渠道的流量是在一定范围内变化的，设计渠道的纵横断面时，要考虑流量变化对渠道的影响。通常用以下三种特征流量覆盖流量变化的范围，代表在不同运行条件下的工作流量。
1.设计流量
在灌溉设计标准条件下，为满足灌溉用水要求，需要渠道输送的最大流量。通常是根据设计灌水模数（设计灌水率）和灌溉面积进行计算的。
在渠道输水过程中，有水面蒸发、渠床渗漏、闸门漏水、渠尾退水等水量损失。需要渠道提供的灌溉流量称为渠道的净流量，计入水量损失后的流量称为渠道的毛流量，设计流量是渠道的毛流量，它是设计渠道断面和渠系建筑物尺寸的主要依据。
2.最小流量
在灌溉设计标准条件下，渠道在工作过程中输送的最小流量。用修正灌水模数图上的最小灌水模数值和灌溉面积进行计算。应用渠道最小流量可以校核对下一级渠道的水位控制条件和确定修建节制闸的位置等。
3.加大流量
考虑到在灌溉工程运行过程中可能出现一些难以准确估计的附加流量，把设计流量适当放大后所得到的安全流量。简单地说，加大流量是渠道运行过程中可能出现的最大流量，它是设计渠堤堤顶高程的依据。
在灌溉工程运行过程中，可能出现一些和设计情况不一致的变化，如扩大灌溉面积、改变作物种植计划等，要求增加供水量；或在工程事故排除之后，需要增加引水量，以弥补因事故影响而少引的水量；或在暴雨期间因降雨而增大渠道的输水流量。这些情况都要求在设计渠道和建筑物时留有余地，按加大流量校核其输水能力。
2.2.4 渠道水位及测量
1.水位概念
水位是水体在某一地点的水面离标准基面的高度，单位为m。我国统一采用青岛附近黄海海平面为标准基面。
水位和水深是不同的，后者是水体某一水面至水底的垂直距离，是相对距离，而水位是绝对距离。
水位测量是指利用各种手段确定某一时刻水体水面高程的工作。由于水位测量的易于施测且便于自动观测，因而在灌区渠道量水中占有重要地位。
2.水位测量的重要性
水位测量是灌区量水中的基本观测，其重要性主要体现在：一方面，水工建筑物量水，流速仪在明渠中量水和浮标量水，或者直接利用水尺量水等灌区量水方法均需要辅助水位测量。另一方面，水位测量中产生的误差，包括水尺零点的设置误差、水尺刻度的描绘误差和水位的观测误差，在灌区量水过程中不同程度地存在，成为影响量水精度的重要因素。
3.水位观测的方法
按照观测设备分类，水位测量的基本方法可以分为水尺法和水位计法两大类。
水尺是使用度最广泛直接的观测设备，一般分为直立式，倾斜式，矮桩式和悬锤式等四种。观测时，水面在水尺上的读数加上水尺零点的高程即得水位值。该方法操作简单方便，可以长期使用。随着科技的发展，电子水尺的出现也提高了水尺量测的精度。
水位计是利用机械，压力，电流等的感应作用，间接的自动测记水位的设备。目前常用的水位计有需要建设水位观测井的浮子式水位计，无需建井的压力式水位计和超声波式水位计。压力式水位计工作原理是应用静水压力的基本原理，利用水深变化代替水位变化过程。浮子式水位计由浮筒感应水位变化带动水位轮旋转来模拟水位曲线。超声波水位计基于声学测距原理，利用声波往返于液面的时间来模拟水位变化。具体测量方法详见本书相关章节。
2.2.5 渠道输水损失
渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失，渠床渗漏损失，闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失水量不足渗漏损失水量的5%，在渠道流量计算中常忽略不计。闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平，可以通过加强灌区管理工作予以限制，在计算渠道流量时不予考虑。把渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量。渗漏损失水量和渠床土壤性质，地下水埋藏深度和出流条件，渠道输水时间等因素有关，渠道开始输水时，渗漏强度较大，随着输水时间的延长，渗漏强度逐渐减小，最后趋于稳定。
根据周利民等（2006年）在清远市迎咀灌区开展的灌区供水渠道渗漏损失试验研究—恒水位静水法渠损测定，结果表明，供水渠道的渗漏量与入渗水体变化量、降雨量以及蒸发量的关系如下：
式中 ΔW——两次水位观测期间，测试渠段每米渠长的渗漏量，m3；
ΔV——两次水位观测期间，测试渠段的入渗水体变化量，m3；
P——两次水位观测期间，根据实测降雨强度计算出的进入测试渠段每米渠长的降雨量，m3；
E——两次水位观测期间，根据实测蒸发强度计算出的测试渠段每米渠长的蒸发量，m3。
而供水渠段的渗漏强度与渗漏量、渠道供水湿周及供水历时等之间的函数关系如下：
式中 Qsl——正常供水时渠道的渗漏损失强度，m3/（m·h）；
ΔW——测试时段内每米渠长的渗漏量，m3；
χ——测试时段内渠段的平均湿周，m；
T——测试时段的历时长度，h。
此外，供水渠段每米渠长的水量损失与供水渠道的断面、水深及供水历时等之间的函数关系如下：
式中 WF——每米渠长的年供水渗漏损失量，m3/（m·a）；
K——相关系数；
C、D——稳渗回归系数；
H——设计流量或正常供水流量时相应的渠道水深，m；
χ——相应于渠道水深H 的渠道湿周，m；
T——渠道的年供水天数，d。
对于某一型式的供水渠道，由于其过水断面的湿周与渠道水深之间呈正相关关系；而由式（2-3）可知，在某一时段ΔT内，每米渠道供水的水量损失与过水断面的湿周及水深之间也呈正相关关系；同时，随着渠道供水距离的延长，供水渠道的水量损失也增多。由此可知，对于某一型式的供水渠道，在某一时段ΔT内，渠道供水时的水量损失与过水断面的水深及供水距离之间均呈正相关关系。
由于渠道在输水过程中有水量损失，就出现了净流量、毛流量、损失流量这三种既有联系，又有区别的流量，它们之间的关系是：
在已成灌区的管理运用中，渗漏损失水量应通过实测确定。在灌溉工程规划设计工作中，常用经验公式估算输水损失水量。
常用的经验公式是：
式中 σ——每公里渠道输水损失系数；
A——渠床土壤透水系数；
m——渠床土壤透水指数；
Qn——渠道净流量，m3/s。
土壤透水性参数A和m应根据实测资料分析确定，在缺乏实测资料的情况下，可采用表2-1数值。
表2-1 土壤透水参数表
渠道输水损失流量按下式计算：
式中 Ql——渠道输水损失流量，m3/s；
L——渠道长度，m；
σ——意义同前，这里以小数表示；
Qn——渠道净流量，m3/s。
用公式计算出来的输水损失是在不受地下水顶托影响条件下的损失水量。如灌区地下水位较高，渠道渗漏受地下水壅阻影响，实际渗漏水量比计算结果要小。在这种情况下，就要给以上计算结果乘以表2-2中所给的修正系数加以修正，即：
式中 Q′l——有地下水顶托影响的渠道损失流量，m3/s；
γ——地下水顶托修正系数，见表2-2；
Ql——自由渗流条件下的渠道损失流量，m3/s。
表2-2 地下水顶托修正系数γ
上述自由渗流或顶托渗流条件下的损失水量都是根据渠床天然土壤透水性计算出来的。如拟采用渠道衬砌护面防护措施，则应观测研究不同防渗措施的防渗效果，以采取防渗措施后的渗漏损失水量作为确定设计流量的根据。如无试验资料，可给上述计算结果乘以表2-3中给出的经验折减系数，即：
或
式中 Q″l——采取防渗措施后的渗漏损失流量，m3/s；
β——采用防渗措施后渠床渗漏水量的折减系数。
表2-3 折减系数表β
2.2.6 水利用系数
总结灌区量水资料，可以得到各条渠道的毛流量和净流量以及灌入农田的有效水量，经分析计算，可以得出以下反应水量损失情况的系数。
1.渠道水利用系数
某渠道的净流量与毛流量的比值称为该渠道的渠道水利用系数，用符号ηc表示。
渠道水利用系数反映一条渠道的水量损失情况，或反映同一级渠道水量损失的平均情况。
2.渠系水利用系数
灌溉渠系的净流量和毛流量的比值称为渠系水利用系数，用符号ηs表示。农渠向田间供水的流量就是灌区渠系的净流量，干渠或者总干渠从水源引水的流量就是渠系的毛流量。渠系水利用系数的数值等于各级渠道水利用系数的乘积。即：
渠系水利用系数反映整个渠系的水量损失情况，它不仅反映出灌区的自然条件和工程技术状况，还反映出灌区的管理工作水平。
3.田间水利用系数
田间水利用系数是实际灌入田间的有效水量（对旱作农田，指蓄存在计划湿润层中的灌溉水量；对水稻田，指蓄存在格田内的灌溉水量）和末级固定渠道（农渠）放出水量的比值，用符号ηf表示。
式中 A农——农渠的灌溉面积，亩；
mn——净灌水定额，m3/亩；
W农净——农渠供给田间的水量，m3。
田间水利用系数是衡量田间工程状况和灌水技术水平的重要指标。在田间工程完善，灌水技术良好的条件下，旱作农田的田间水利用系数可以达到0.9以上，水稻田的田间水利用系数可以达到0.95以上。
4.灌溉水利用系数
灌溉水利用系数是实际灌入农田的有效水量和渠首引入水量的比值，用符号η0表示。它是评价渠系工作状况，灌水技术水平和灌区管理水平的综合指标，可按式（2-13）计算：
式中 A——某次灌水全灌区的灌溉面积，亩；
mn——净灌水定额，m3/亩；
Wg——某次灌水渠首引入的总水量，m3。