摘要：渠道渗漏量的计算是确定渠道防渗设计的核心内容和评价的重要依据。针对尚无系统研究确定渠道渗漏损失这一现状，对国内外渠道渗漏损失研究方法进行探讨，给出适用不同环境下的渠道渗漏典型求解方法，分析其优劣，并提出展望和思考，为工程防渗设计研究奠定基础。
关键词：渠道渗漏；方法；防渗设计
Advance on seepage and frost heave control of canal methods in China
Abstract: The calculation of channel leakage is core content and important basis for the channel seepage design. Nowadays there is no systematic study to determine the leakage for cannel, the authors study the methods for calculating seepage losses indomestic and international channel, give various ways to calculate leakage of cannel in different environments, and analyze the advantages and disadvantages about them, at last the authors make prospects and thinking in order to lay foundation for the design of cannel anti-frost heave.
Key words： cannal leakage；method；design of cannel-frost heave
1 研究背景
我国人均水资源匮乏，水资源利用率低。渠道输水中渗漏问题不可避免，渠道防渗是目前使用最广泛的节水工程措施。国外一些国家的渠系水利用系数相对较高，美国为 78%，日本为 61%，巴基斯坦58%。我国仅为51%。
研究发现渠道渗漏问题不仅浪费了水资源，而且造成土壤盐碱化、土壤板结等不良现象；但也有一些研究认为，渠道渗漏水也是有利的，可以适当回升地下水位、有利于渠床生态和谐，所造成的浪费，并不是真正意义上的浪费[1,2]。显然，渠道渗漏不仅成为工程为题，也成为生态问题。
研究渠道渗漏损失是解决渗漏问题的先决条件。目前关于渗漏损失的计算总的来说有四种方法：实验法、理论公式法、经验公式法、数学模型法。四种方法中实验法比较符合实际，应用范围最广，但受仪器设备限制，往往结果并不理想；理论公式法会因影响渠道渗漏量因素过于复杂，往往简化一些条件，采取某些假设，得出的结果只是近似数值；经验公式是根据一些实测数字统计而得，应用时，其适用性和精确性需要实际结果验证；数学模型法需要专业的理论知识，随着计算机水平的不断推进，成为一种较为流行的研究方法，但其计算结果仍需和实际结果验证，往往与实验方法结合使用。
目前，新型测量设备不断涌出，数值模拟方法也得到了极大应用，对渠道渗漏确定中，实验法和理论公式法中的数值模拟方法得到极大推广。本文主要探讨该渗漏计算的研究进展，为合理解决渗漏问题提供依据。
2 实验法
2.1 传统研究方法
确定渠道渗漏损失最常用的两种实验方法为动水法（inflow-outflow method）和静水法（ponding test method）。动水法是选定一中间无支流的典型渠段，设置上、下两个断面，两断面的流量差，即为该渠段的渗漏损失量（水面蒸发损失忽略不计）。静水法的测量方法是：选定有代表性的渠段（长度一般约30-50m），两端筑以横堤，形成封闭渠段，渠中设立水尺(或水位测针)，然后向渠段中充水至正常高水位。每隔一定时段△t，观测水位降落数△h，在每次观测后，随即加水补充至正常高水位；或每隔一定时段△t，加入水量W，维持其正常高水位。如此反复进行，直至达到稳渗阶段为止。显然，采用实测加入水量W的方法，其成果精度较观测水位降落数△h的方法为高。静水法渗漏计算公式为：
（1）
（2）
式中
为该区段渗漏损失流量（m3/s）；
位渠段长度（m）；
为水位下降前后的渠水面平均宽度（m）；
为
时段内的水位降落数（m）；
为观测间隔时间（s）；
为
时段内加入的水量（m3）。
动水方法最主要的优点是在河流正常工程环境下测量渗漏损失，缺点是需要长时间大量测取两断面数据，而且不能观测局部水流渗漏损失，尤其是在渗漏量小的渠道上很难得到满意结果。静水法虽然精度较高，但仅适用于渠道含沙量小、土壤渗透性小、有防渗护面，或则渠段不够长，不便于用动水法测量的区段，该方法需隔断渠道，只能在停水时试验，由于修筑横隔堤及试验时充水等，需要劳力较多，且耗时长，不适用于大型渠道。此外静水法会还有一个缺点是浸入水中的测量仪器会增大渠道湿周，使测出的渗漏量偏小[3]，传统的动水法和净水法均消耗大量时间，不经济，不便于渠道渗漏确定。
为克服传统动水法测量使用螺旋桨或电子设备仪表测量困难、耗时等缺点，Kristopj-Dietrich[4]等通过采用ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers）设备明显提高动水法确定渗漏损失的精度和效率，该确定方法将渠道横断面分割成成千上万的流速单元，大大提高了进出口流量计算精度，该流速单元确定方法由于点流速方法的确定[5]，该方法明显优点是不必将一起放入水体中，不会影响对流速场的扰动[6]。
此外，实验测量方法还有同心环测渗法、渠下集渗法、钟罩形测渗仪法、渗漏轮廓法、电阻法、室内渗透仪法、同位素法等。这几种方法，由于精度较差或局限性较大，一般很少采用。同位素法可为大型渠道提供精确的渗漏数据，但会在一定程度上污染环境，而且不经济，故很少使用。
2.2 EM系统研究方法
Davide Pogant等对意大利西北山麓地区三条渠道进行研究，采用EM（Electromagnetic Introduction）系统，并与TDR（Time Domain Reflectometry）仪器相结合，确定渠道渗漏损失，与传统的动态法相比可以明确局部地区渗漏损失、确定渗漏区域、明确渠系渗漏发生在两岸还是单独一个河岸；与静态法相比，可在正常渠道运行时观测，更加节省时间，投入较少。该方法成为确定渠道渗漏损失的一种有效方法[7]。
3 理论公式法
3.1 无防渗层渠道渗漏计算
20世纪80年代以前渠道多没有采取防渗措施或采用渠槽翻松夯实、粘土护面或浆砌石护坡等简单的防渗形式，按渗漏过程（自由渗漏及顶托渗漏），对渠道渗漏损失计算采用下述方法：
3.1.1自由渗漏下渗漏损失计算
（1）在渠道过水初期（即是湿润土层阶段）渗漏损失可按下式计算：
（3）
式中
位从渠道放水开始以后经过t时间的每公里渠长渗漏量（m3/s）；
为t时间的土壤身体系数（m/d），可以从当地用同心环测渗法测出的
~t关系曲线中查得；b为渠底宽度（m）；h为渠道水深（m）；m为渠道边坡系数；
为考虑渠坡侧向毛管渗吸的改正系数，
≈1.1~1.4，毛细管作用强烈时应选用较大值。
（2）当渠道行水时间较长（自由稳渗、即形成地下水峰阶段）时，按下列公式计算：
（4）
式中 S为每公里渠长渗漏量（m3/s）；K为土壤渗透系数（m/d）；其余符号意义同前。
3.1.2顶托渗流下渗漏损失计算
当渠道渗水受地下水顶托影响时，则实际渗水量将比上述公式计算的结果为小。这种情况下虽有不少理论公式可以计久但算式均较繁琐，不便实际工作应用，一般采用经验公式确定。
3.2 有防渗层下渠道渗漏损失计算
对于有土质防渗层（土料夯实层或挂淤层）的渠道，渗漏损失尚可按下列公式（5~7）计算：
（5）
式中
为防渗层的渗漏系数（m/昼夜），根据实测资料确定；
——渠坡防渗层厚度（m）；
——渠底防渗层厚度（m）；其余符号意义同前。当地下水位在渠底下深度小于2倍原土壤毛细管水最大上升高度时，式中的
应等于零。
（6）
式中
——边坡与水平面的夹角；其余符号意义同前。
（7-1）
（7-2）
式中
位渗漏量的折减系数；
为防渗层厚度（m）；A为系数；B为渠道水面宽度（m）；K为渠床土壤渗透系数（米/昼夜）；
为防渗层渗透系数（m/d）。其余符号意义同前。
实际工程中有衬砌渠道渗漏受多种因素影响，一般不采用理论方法计算，而是采用经验公式进行估算。
3.3防渗渠道顶托渗漏量计算新方法
王少丽等[8]提出一种新的计算防渗渠道顶托渗漏量方法——片段法。该方法将位于渠道底部的一条横向流线作为近似的水平分界线,把渗流区切割为上、下两部分,上部相当于修建在不透水层表面的“完整”渠道，产生无压运动，下部含水层则受隔水层和上部不透水底边界(图1 中虚线)的约束而产生有压运动。对上下两部分渗流区分别使用水力学和水动力学法求解，计算出各自的渗漏量，然后组合到一起得到总的渗漏量。研究表明结果与数值模拟结果相接近，该方法应用较为简单，方便工程应用，但其精确性仍需与大量工程进行对比研究。
4 经验公式法
4.1 无防渗层下渠道渗漏损失计算
4.1.1 自由渗流下渗漏损失计算
从上面理论计算公式来看，在计算渠道的渗水损失时需要掌握有关渠道断面及渠床土壤渗透性的资料。但在规划设计中，通常是在进行渠道横断面的结构设计之前计算在缺乏渠道断面尺寸和土壤渗透系数资料的情况下，如进行初步设计时，渠道的渗漏损失常用下列经验公式估算：
（8）
或
（9）
式中
——土壤透水系数；
——土壤透水程度指数；
、
、
意义同前。对于不同地区，系数
和指数
应根据当地实测资料确定。
4.1.2 顶托渗漏情况下的渠道渗漏损失采用自由渗流下渗漏计算值乘以一个校正系数求得。
（10）
式中：
为自由渗流情况下，每公里渠长的渗漏量（m3/s）; 
为有地下水顶托的情况下，每公里渠长的渗漏量（m3/s）; 
为校正系数，根据渠道通过流量及地下水位决定。
4.2 有防渗层下渠道渗漏损失计算
渠道采用防渗措施后，其渗漏损失量最好根据现场实测资料确定。如无实测资料时，可按下式估算：
（11）
式中
为有防渗层渠道每公里渠长的渗漏量（m3/s）；
为无防渗层渠道每公里渠长的渗漏量（m3/s）；
为渗漏量的折减系数。
，
为防渗效果，即防渗后减少渗漏的百分数：
（12）
为防渗后渠系水利用系数；
为防渗前渠系水利用系数。
5 数学模型法
5.1 有限元法
有限元法在计算流体力学中占据重要地位，渠道渗漏研究中也发挥了不可代替作用。为研究衬砌渠道渗漏损失，Homayoon Katibeh[9]对衬砌渠道渗漏问题进行数值模拟，采用的控制方程为:
（13）
式中x，y为水平、竖直坐标轴；kx，ky为x，y坐标方向上的水力渗透率；h=h（x，y）为压强水头。
依据该控制方程，加设合适的边界条件，计算不同衬砌厚度下渠道渗透损失。Homayoon Katibeh采用该方法计算出两个渠道的渗漏损失，将渠道渗漏损失计算值分别与Dachler[10]，Bouwer[11]，Chin[12]，Demetracopoulos 和Hadjtheodorous[13]实验值对比，发现数值模拟值与实际计算值相比结果非常接近，该方法为合理设计渠道衬砌厚度提供有利方法。
5.2 HYDRUS-2D法
HYDRUS-2D是用来模拟二维空间上饱和—非饱和介质中水、热及溶质运移的软件。程序可以灵活处理各类水流边界，包括定水头边界和变水头边界、定流量边界、大气边界［14］等。模型中垂向二维情况下的饱和-非饱和土壤水运动采用Richards方程进行描述［14］：
（14）
式中：x和z分别表示水平向坐标和垂向坐标（m）；t为时间（d）；θ是土壤体积含水率（m3/m3）；h为压力水头（在非饱和带为负，表示基质势）（m）；K(θ)是与土壤含水率有关的导水率（m/d）。
式中土壤含水率θ、压力水头h及导水率K(θ)是彼此相关的，其中θ~h的关系通过土壤水分特征曲线描述。HYDRUS-2D提供了三个模型描述三者之间的关系，VGM模型、BC模型和MVG模型，毛晓敏[15]等采用了MVG模型进行描述。通过构建模型、初始边界值、并与实测值相对比，结果表明该模型在模拟复杂层状土渠道入渗方面可靠性良好；孙美[16]等采用VGM模型对三个参数进行描述，对夹砂层状土条件下渠道渗漏的室内试验进行模拟，结果良好。
5.3 AC—Unsaf2D法
在地下水土壤水的数值模拟方面, 已经有大量的计算软件, 本文选用日本冈山大学西垣诚教授的研究小组开发的AC- Unsaf2D( 二维饱和非饱和流计算软件)[17] , 该软件基于Fortran语音开发, 输入输出均为文本文件。经过初始条件、边界条件与有关参数的设定, Unsaf2D 软件可以给出各节点的水势。在此基础上, 本文进一步开发了后处理程序, 以进行渗漏量分析。模型采用以土壤水势为自变量Richards方程。模型中采用有限元的方法对二维饱和非饱和流进行数值求解, 可以适应各种形状的渠道断面。计算值与用动水法试验结果相比具有合理性，可作为估算渗漏量的一种方法。
5.4 扩散波方法
类似圣维南方程的扩散波不仅可以描述地表水流动，也与地下水运动方程具有相同格式。Margaret Shanafield[18]采用扩散波方式，耦合Philip方程，采用MODFLOW模型计算渠道渗漏损失。所采用的扩散波方程如下：
（15）
式中B指断面顶部水流宽度（m）；h是渠道中水深（m）；x是顺水流方向河道长度（m）；kx指渠道传导率（m3/s）；A是河道过水断面面积（m2）；qsb是指单位体积渗漏渗流量（s-1）；t为时间（s）。
为模拟地表水流动和地下水流动结合特征，水流在河床或则河床以上时和地下水方程相结合。需采用MODFLOW模型，为解决地表水流动和地下水流动方程，提出了一种差分格式：
（16）
式中：hl为河流长度l（m）处水头；hus（m）、kus（m3/s）是指向上游的连接处水头和传导率；hds（m）、kds（m3/s）是指支流处长度l（m）处水头和传导率；hdiv（m）、kdiv（m3/s）是指任意方向上的渗透和传导率；Qsb=qsb是指地下水渗透率。
依据扩散波方方法，对渠道渗漏进行了模拟研究，可模拟初始干涸渠道，对渠道形态适应性强。是计算渗漏损失的一种有效方法。
6 结论
本文对国内外确定渠道渗漏方法进行系统的总结，对渠道渗漏计算的四种方法（实验法、理论公式法、经验公式法、数学模型法）进行了探讨。
四种方法中实验法比较符合实际，应用范围最广，伴随仪器设备精度的不断提高，进一步推广了其应用范围；理论公式法进展缓慢，片段法作为一种新的理论方法研究得到了一定发展，该方法思路清晰，但其精确性仍需和大量工程进行对比验证；经验公式可为渠道渗漏计算提供一定依据，但计算结果需要实际结果验证；数学模型法近年来得到极大发展，成为一种较为流行的研究方法，但其计算结果仍需和实际结果验证，且由于专业性过强，不便于一线工作人员应用。
实际工作中，可因地制宜选用合适的渠道渗漏计算方法，也可交叉使用不同方法，在保证计算结果准确的同时缩短计算时间。
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论文作者:黄涛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：渠道论文; 方法论文; 损失论文; 防渗论文; 系数论文; 公式论文; 土壤论文; 《电力设备》2018年第33期论文;