第１６卷第３期
２００５年５月水科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡ７ＩＥＲＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１６．Ｎｏ．３Ｍａｙ，２００５
河渠渗漏量计算方法研究进展
罗玉峰，崔远来，郑祖金
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２）
摘要：河渠渗漏是水资源利用与水环境保护中重要环节之一，对它进行量化具有重要的实践意义。对国内外各种有
关河渠渗漏量计算方法的研究成果进行了系统的总结，分别指出各种方法的适用范围和优缺点，并对如何改进现
有方法进行了展望。
关键词：河渠渗漏；渗漏量计算；研究
中图分类号：０３５７．３；Ｇ３５３．１１文献标识码：Ａ文章编号：１００１—６７９１（２００５｝０３—０４４４．０６
河渠渗漏引起水量损失，导致灌水流量过小、灌水时间过长、灌水不及时，从而降低灌溉效率。大量的河渠渗漏导致地下水位上升，引起渍害及次生盐碱化，最终导致农作物减产及环境恶化；另一方面，在干旱区，河渠渗漏也是土壤水和地下水补给源，对保持地下水位和保护地下水资源起积极作用。因此，对河渠渗漏量的研究及其成果应用一直是农田水利工程领域重要的研究课题之一。河渠渗漏量的计算方法主要有现场试验法、经验公式法、解析方法和数值方法。
１现场试验方法
现场试验方法有静水法、动水法、点测渗仪法、沉箱测渗法、双环测渗法等【ｌ’２Ｊ。目前，常用前３种方法。
（１）静水法在非灌溉季节，选取有代表性的渠段，两端用土坝围上，向围坝中供水后，通过观测其中水位的变化来计算渗漏量。该法的测量成果较精确，可测量渠道渗漏量从初渗到稳渗的变化过程以及不同水位下的渗漏强度。因此得到《渠道防渗技术规范》ＳＬｌ８．９１的推荐。由于是在水静止情况下测量，所以它并不能测出实际灌溉水流条件下的渗漏量，此时的渗漏量与输水时的渗漏量是不同的，而且静水也产生沉淀，降低渗漏强度。另外，静水法对于大型渠道（如干渠），存在着筑坝工程量大、供水困难等缺点。王少丽等幢Ｊ用静水法对渠道自由渗漏情况下的渗漏量和渠中水深关系进行了综合分析。田士豪等［３Ｊ用静水法研究了水位下降时渠道渗漏的计算。赵东辉【４Ｊ用静水法探讨了渠道渗漏强度随时间、渠中水深之间的关系及渠道衬砌的效益。
（２）动水法通过测量渠道上下游两个测流断面间的流量差来计算渠道的渗漏水量。动水法的主要优点是能够在灌溉季节不停止供水情况下完成。但其测试精度差，特别是在防渗效果好、渗漏量小的渠道上，动水法很难得到令人满意的测试结果，有时甚至得到和实际相反的结论。Ｒａｎｔｚ［５］详细介绍了用动水法测量渠道渗漏量的方法。荣丰涛等［６］６用误差分析理论，对按照现行规范采用动水法进行渠道渗漏测试结果进行误差分析，讨论了动水法测渗结果的可信度。
（３）点测渗仪法将水头渗透仪加以改进后用于水下的一种测量渠道渗漏的方法。测渗仪装置简单，操作容易，适用于规模小、渠床杂草少的渠道。对于用石块砌成的渠道或渠中水流速度大于０．６ｍ／ｓ的渠道，因为
收稿日期：２００４。０２．０６；修订日期：２００４—０４．２９
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１０９００４）；澳大利亚国际农业研究中心资助项目（ＬＷＲＩ／２０００／０３０）
作者简介：罗玉峰（１９７７一），男，江西遂川人，武汉大学博士研究生，主要从事节水灌溉理论与实践及地下水模型研究。
第３期罗玉峰等：河渠渗漏量计算方法研究进展４４５要求使用时使测渗仪与渠底或渠边坡密封，这种方法并不适用。另外，沿渠道各点的渗漏强度一般并不相同，因此需要多点进行测量，以得到可以接受的平均值。不过在需要确定特定点的渗漏强度和了解沿渠道渗漏强度的变化时，这种方法很实用。
现场试验方法原理简单且直接，也可用来检验其它方法的精确度，因而是测量和计算河渠渗漏量最基本的方法。但各种试验方法都有其局限性，且不能用于渠道设计阶段；对于较长的河渠，试验结果受各种因素影响导致精度较低。
２经验公式法
经验公式法不仅在渠道规划设计中广泛应用，也被应用于渠道运行中的输配水流量损失估算。在我国，地下水动力学、水文地质学及农田水利学领域均广泛采用经验公式法。
美国学者Ｄａｖｉｓｏｎ等［７］根据在印度的衬砌渠道所获得的实测资料，得到的Ｄａｖｉｓｏｎ．Ｗｉｌｓｏｎ公式为
Ｓ：０．４５ＣＰＬｈｌ／３／（４Ｘ１０６＋３６５０４－；）（１）
式中
数。Ｓ为渗漏损失，ｍ３／（Ｓ・ｋｍ）；Ｐ、ｈ、Ｌ、ｖ分别为渠道湿周、水深、渠长和流速；Ｃ为与渠床质地有关的系
在我国广泛应用的是考斯加科夫公式［８】，即
ｓ＝ｏ．０１ＡＱ：一“
式中Ｑ。为通过渠道的净流量，ｍ３／ｓ；Ａ、ｍ为与土壤有关的参数，无因次。（２）
还有如印度的Ｉｎｇｈａｍ公式［９｜，埃及的Ｍｏｌｅｓｗｏｒｔｈ公式［１０］都采用了与式（１）相似的形式。前苏联的魏吉尔尼柯夫．巴甫洛夫斯基公式、考斯基公式和美国垦务局对各种土质渠床提出的每英里输水损失经验公式也是常用的经验公式旧Ｊ。
门宝辉［１１］针对现行渠道设计中的流量损失和水的利用系数公式中的不足，用积分学方法推导的经验公式为
ｄ血
ｓ＝赢（畦一ＡｍＬ）“
式中（３）Ｑ笔为通过渠道的毛流量，ｍ３／ｓ；其他符号物理意义同前。门宝辉［１１］认为式（３）反映了流量在单位流程上的损失是沿流程变化的特点，所以比传统公式计算的结果要精确；且该式在土壤性质不变时，不受渠道长度的限制，而传统公式则要求渠长不得超过１０ｋｍ，故式（３）特别适用于土壤性质不变或防渗较长的渠道设计。其实，式（３）最大的优点是在计算损失时知道毛流量后不需要通过试算求净流量。
谢崇宝等［１２］认为从本质上讲考斯加科夫公式适用于渠道规划设计，在渠道的运行中，由于净流量很难得到，应用该公式估算输水渗漏损失有相当的难度。白美健等［１３］提出用平均流量代替净流量计算损失则可以弥补这一不足。但作者同时认为这种代替应该是有条件的，并通过误差分析，确立了用平均流量代替净流量计算输水损失的适宜范围。谢崇宝等沿用考斯加科夫公式的形式，但采用渠段平均流量代替净流量，基于Ｄａｖｉｓｏｎ．Ｗｉｌｓｏｎ公式，拟定了新的经验公式。作者也给出了确定各种参数的方法，并认为这个公式适合我国灌区现有管理水平。雷声隆等［１４】也基于考斯加科夫公式，并根据土壤水渗流理论推导出了新的经验公式。但这个公式是由假设地下水位很深得到的，对于其它情况并不适用。
总的来说，这些经验公式大都具有形式简单、应用方便的特点。但是在实际应用时公式中各种系数取值的任意性较大，且不考虑渗漏随时间和空间的变化，所以只适合特定的条件。
３解析方法
３．１河渠稳定渗漏
张蔚榛［１５】根据前苏联学者的研究，提出的河渠稳定自由渗漏量计算公式为
４４６水科学进展第１６卷式中ｑ为单位渠长的渗漏量，ｍ３／（ｓ・ｍ）；ｋ为渠床土壤的渗透系数，ｍｉｄ；Ｂ为渠水面宽度，ｎｌ；ｈ为渠水深，ｍ；Ａ为无因次系数，根据地下水动力学方法确定。式（４）表明，渠道处于稳定渗流阶段时，渗漏量主要决定于渠道横断面、渠床土壤渗透特性、渠道横断面的水力特征（水深ｈ，水面宽度Ｂ等）。地下水埋深及地下水出流条件对渗漏的影响通过系数Ａ反映。文献［１５］介绍了Ａ值的推导过程，并给出了不同宽深比Ｂ／Ｈ和边坡ｍ的Ａ值曲线图。
Ｅｍｓｔ［１６］、薛禹群［１７】先后用解析方法推导了河渠稳定渗漏的计算公式，但由于只适用于特定的条件，且要用到复杂的参数和计算过程，公式并没有得到实际应用。
以上的解析方法都是针对稳定渗流条件下的渠道渗漏，而实际中渠道渗漏是随时间变化的非稳定流。另外，这些方法也没有考虑渠道渗漏对地下水位变化的影响。
３．２河渠非稳定渗漏
用非稳定流方法计算河渠渗漏问题时，能够考虑到渗漏流量随时间变化的关系和渗漏条件下地下水位随时间变化的关系，而渗漏流量也随地下水位变化。
张蔚榛【１８Ｊ根据地下水非稳定流的基本方程式和蒸发与地下水位的直线关系推导出了蒸发条件下两条排水沟之间任一时间通过任一断面的流量公式。张蔚榛等［１９Ｊ对河渠影响下双层结构含水层中地下水非稳定流计算作了详细研究，探讨了在考虑下部含水层弹性储水（或释水）情况下双层介质中地下水非稳定流计算方法，并对忽略弹性释水时计算公式进行了补充。为便于应用，对渗漏总流量公式中的特殊函数制成了计算表。随后张蔚榛等［２０］又用电阻网络模拟进行验证，说明公式是可用的，并给出了应用实例。张蔚榛［１５］还推导了河渠受地下水位顶托及有无排水时各种河渠水位条件下的非稳定渗流公式。薛禹群［１７】研究了一侧有河渠渗漏时河渠附近潜水的非稳定运动和两侧有河渠渗流时，河渠间潜水的非稳定运动。
解析方法在渗漏损失机理、结果表达方面是相对精确的。但依赖的渗透系数ｋ值空间变异性大，初始条件和边界条件严格，推导这些公式时都作了一些简化和假设。这些理想状况在实际中是很少的，所以解析方法在生产实际上应用不多。但解析方法可以从理论上探讨河渠渗漏的一些规律，有助于进一步认识河渠渗漏的特征和建立合理的河渠渗漏模型。
４数值方法
用模型模拟来研究地下水问题的主要方法可概括为数学模型法和物理模型法。电模拟法是物理模型法中最常用的一种，在计算机问世及未被广泛应用前，电模拟法是研究地下水问题的最重要方法之一。地下水数学模型求解方法有两类：解析法和数值法。解析方法虽可得到精确解，但只能求解简单的模型，由于地下水模型一般比较复杂，往往需借助于数值方法。
Ｂｏｕｗｅｒ【２ｌ】通过电模拟法，对以下３种情况下的渠道渗漏量进行分析：①渠底浸润土层均一，其下部为强透水层，且地下水位较高；②渠底浸润土层均一，其下部为强透水层，且地下水位较低；③渠底浸润土层均一，其下部为弱透水层，且地下水位较低。Ｂｏｕｗｅｒ的研究表明，渠道渗漏依赖于含水层的水力传导度和水力条件，作者绘制了用于计算各种渠道含水层水力条件下渗漏量的图。Ｂｏｕｗｅｒ模型的２个限制条件是含水层有一个水力传导度非常大的底板或者一个具有水平边界上水头恒定的不透水底板。进一步的研究表明，这两种情况在实际中是很少见的，基于此，Ｗａｃｈｙａｎ等［２２］用数值方法对Ｂｏｕｗｅｒ的方法进行了改进，探讨了含水层有一个较低水力传导度的底板以及地下水位面附近有蒸发损失或补给情况下渗漏量的计算。Ｒａｓｔｏｇｉ等∞Ｊ和惠士博等Ｌ２４Ｊ用有限元法求解渗流模型，根据模拟结果对河渠渗漏进行了研究。Ｓｏｎｅｎｅｓｈｅｉｎ∞Ｊ和Ｌｕｏ等【２６Ｊ用基于有限差分的ＭＯＤＦＬＯＷ建立的地下水模型计算了河渠的渗漏量。
用数值方法计算河渠渗漏量首先要建立各种情况下的渗漏公式，然后把河渠渗漏量作为地下水模型的原汇项。Ｏｓ——姗［”］把河渠渗漏分成两大类，即渠道完全穿透含水层和渠道不完全穿透含水层。实际上在推导公式时这两类是相同的，所以这里可将河渠渗漏分为４种情况（图１）。由于一般河渠都有沉积或衬砌，形成了渗透系数
第３期罗玉峰等：河渠渗漏量计算方法研究进展４４７比含水层渗透系数较小的弱隔水层，而河渠底和边坡是否有弱隔水层对渠道渗漏的特征是有重要影响的，所以这里的４种情况都考虑了弱隔水层。图１（ａ）为含水层补给河渠的情况，图１（ｂ）为含水层水位介于河渠水位和渠底高程之间，图１（ｅ）为含水层水位低于渠底高程，但含水层水位对河渠渗漏有顶托作用，图１（ｄ）为含水层水位低于渠底高程，含水层水位对河渠渗漏没有影响。后２种情况下的河渠床之间的渗流是非饱和的，这２种情况的差别（深和浅）取决于河渠的含水层、弱隔水层的构造、水力属性和几何属性。
——理广——哩广
（ｃ）（ｄ）
图１河渠渗漏的各种情况
Ｆｉｇ．１Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｅｅｐａｇｅｆｒｏｍｃａｎａｌａｎｄｒｉｖｅｒ
在ＭＯＤＦＬＯＷ的河流子程序包汹］中，计算含水层水位低于渠床时的渠道渗漏量的公式为
『Ｃ，（Ｈｒ—ｈ）ｈ＞Ｙｂ。，
“，、
【Ｃ，（Ｈｒ—Ｙｂ。）ｈ≤ＹｂｏＩ一
式中珥为渠水位，ｍ；ｈ为含水层水位，ｍ；Ｙｂ。。为渠底高程，ｍ；Ｃ，为渠床导水率，ｍ２／ｄ，Ｃ，＝ｋｂＬＷ／Ｍ；ｋ。渠床饱和水力传导度，ｍ／ｄ；Ｌ为渠段长度，ｍ；Ｗ为渠道宽度，ｍ；Ｍ为渠床的厚度，ｍ。
当含水层低于渠底高程，渠道渗漏补给地下水时，这里假设渠中的水是取之不尽的，而且渗漏对渠水位没有影响。对于一个恒定的日，值，无论地下水位是多少，渗漏强度也是恒定的。
Ｒｏｖｅｙ模型【２９］是式（５）的改进，但仍假设地下水位对渗漏没有影响，即使在地下水位较浅（图１（ｃ））时也是这样。另外，Ｒｏｖｅｙ公式表明在含水层水位与渠底相平时有一个不合实际的跳跃。Ｂｏｕｗｅｒ模型［驯用和Ｒｏｖｅｙ模型相似的公式计算情况图１（Ｃ）和图１（ｄ）时渠道渗漏量。他用一个更具代表性的下部含水层平均吸力水头代替沉积层的负压水头来确定最大渗漏流量。Ｂｏｕｗｅｒ的模型考虑了地下水位较浅时渗漏流量的变化，是对Ｒｏｖｅｙ模型的改进，但在确定最大渗漏流量开始发生时刻的地下水位时并没有考虑河渠状态和沉积层特征。Ｄｉｌｌｏｎ．Ｌｉｇｇｅｔｔ模型［３１］模拟了含水层中的负压，并把它引人Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ算法［３２］以确定初始河流渗透和随后对地下水的补给之间的延迟时间。然而，模型也用恒定的吸力水头，并且渗漏流量不随含水层水位的变化而变化。同样地，他们也没有给出吸力水头的计算方法。Ｏｓｍ吼［２７３在比较了几种计算河渠渗漏模型后，对ＭＯＤＦＬＯＷ中的公式进行了改进，即
ｒＣ，（Ｈｒ—ｈ）ｈ＞Ｙｂ。Ｉ
凰胁＜ｈ≤ｙ６。。（６）Ｑ，＝《ｃｒ（珥一ｙ６“＋ｈ。。）
ＬＣ，（珥一巩＾埘）ｈ≤皿胁
式中＾。。为渠床底的吸力水头，ｈ。。＊ｙ６。。一ｈ，ｍ；皿＾坤为限制浅水位，ｍ，Ｏｓｍａｎ给出了计算只＾。的步骤。
模型化方法具有明显的优点：能够求得各种复杂条件下随时间和空间变化的河渠渗漏量，因而可以通过这种方法较为精确地确定河渠渗漏量。但现有各种河渠渗漏模型存在不足之处，主要表现在图１（ｃ）、图１（ｄ）时
４４８水科学进展第１６卷渗漏流量的计算。虽然Ｒｏｖｅｙ模型和Ｂｏｕｗｅｒ模型是常用的改进方法，但它们都不能计算图１（ｃ）时渗漏流量的变化，且认为在自由渗漏时的渗漏流量最大，而Ｄｉｌｌｏｎ．Ｌｉｇｇｅｔｔ模型则在确定沉积层下的吸力水头时忽略了除含水层属性外的其它因素。
５展望及结语
河渠渗漏量计算方法的研究虽然经过了数十年的发展，但仍有一些问题没有得到很好地解决，还有许多工作有待展开。
（１）提高现场试验的精度和可信度现场试验法是测量河渠渗漏量最直接的方法，因而在实际中广泛应用。要提高试验成果的精度和可信度需要解决的问题，一方面是如何做好现场试验，另一方面是试验数据处理。要做好试验，应结合现代试验理论，科学地设计试验，选取有代表性的渠段，确定试验时间、次数等，减少试验的系统误差；在试验过程中认真仔细，减少主客观因素的影响，以降低随机误差，并减少误差传递。在试验数据分析时同已有的理论研究成果结合起来，把已知的不同条件下的河渠渗漏特性应用于试验数据分析。
（２）现场试验和理论分析相结合，推导合理的经验公式渠道渗漏量计算的经验公式在３０年前就已经有许多，但这些公式存在不同程度的不足。如有的公式使用净流量，因而仅适用于渠道设计阶段，而有的则考虑因素较少，适应范围有限，精度不高。虽然最近几年一些学者对我国常用的考斯加科夫公式进行了改进，但公式的适应性及其计算精度仍有待改进。推导简单易用，同时又能够考虑更多因素，使结果精确，适用范围更广的经验公式是下一步需要探讨的课题。
（３）完善现有模型由于地下水和土壤水数值模拟理论和技术的发展，目前越来越多地利用模型，特别是基于通用地下水数值模拟软件的地下水流模型来计算河渠渗漏损失，并研究渗漏对地下水位的动态影响。对于实际复杂条件下，由于渗漏量不仅随时问变化，也随空间变化，现场试验法、经验公式法和解析方法都很难求得较为精确的渗漏量，通过建立地下水流模型则可以较为容易地解决这一问题。
如前所述，目前的各种河渠渗漏模型的不足之处主要存在于图１（Ｃ）、图１（ｄ）时渗漏量的计算，这两种情况下河（渠）床之间的渗流是非饱和的。Ｂｏｕｗｅｒ模型和Ｒｏｖｅｙ模型虽然考虑了非饱和条件引起的吸力水头，但要准确计算这时的河渠渗漏量，必须建立饱和与非饱和相结合的模型。因此，应对这两种情况下的非饱和渗流进行理论研究，明确渗流机理以确定合理的模型。
研究表明，要准确计算河渠渗漏是很困难的，只有多种方法综合应用，各扬其长，可望研究取得突破。
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Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｑｕａｎｔｉｆｙｉｎｇｓｅｅｐａｇｅｆｒｏｍｒｉｖｅｒｓａｎｄｃａｎａｌｓ＋
ＬＵＯＹｕ—ｆｅｎｇ，ＣＵＩＹｕａｎ－ｌａｉ，ＺＨＥＮＧＺｕ－ｊｉｎ
（ＳｔａｔｅＫｅｙｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｆｒｏｍｒｉｖｅｒｓｏｒｃａｎａｌｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｓｓｕｅｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｔｅｒｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓａｆｅｔｙ，
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｅｐａｇｅｆｒｏｍｒｉｖｅｒｓａｎｄｃａｎａｌｓ；ｑｕａｎｔｉｆｙｓｅｅｐａｇｅ；ｓｔｕｄｙ
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河渠渗漏量计算方法研究进展
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：罗玉峰， 崔远来， 郑祖金， Luo Yu-feng， CUI Yuan-lai， ZHENG Zu-jin武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE2005,16(3)6次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_skxjz200503023.aspx
第１６卷第３期
２００５年５月水科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＷＡ７ＩＥＲＳＣＩＥＮＣＥＶ０１．１６．Ｎｏ．３Ｍａｙ，２００５
河渠渗漏量计算方法研究进展
罗玉峰，崔远来，郑祖金
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２）
摘要：河渠渗漏是水资源利用与水环境保护中重要环节之一，对它进行量化具有重要的实践意义。对国内外各种有
关河渠渗漏量计算方法的研究成果进行了系统的总结，分别指出各种方法的适用范围和优缺点，并对如何改进现
有方法进行了展望。
关键词：河渠渗漏；渗漏量计算；研究
中图分类号：０３５７．３；Ｇ３５３．１１文献标识码：Ａ文章编号：１００１—６７９１（２００５｝０３—０４４４．０６
河渠渗漏引起水量损失，导致灌水流量过小、灌水时间过长、灌水不及时，从而降低灌溉效率。大量的河渠渗漏导致地下水位上升，引起渍害及次生盐碱化，最终导致农作物减产及环境恶化；另一方面，在干旱区，河渠渗漏也是土壤水和地下水补给源，对保持地下水位和保护地下水资源起积极作用。因此，对河渠渗漏量的研究及其成果应用一直是农田水利工程领域重要的研究课题之一。河渠渗漏量的计算方法主要有现场试验法、经验公式法、解析方法和数值方法。
１现场试验方法
现场试验方法有静水法、动水法、点测渗仪法、沉箱测渗法、双环测渗法等【ｌ’２Ｊ。目前，常用前３种方法。
（１）静水法在非灌溉季节，选取有代表性的渠段，两端用土坝围上，向围坝中供水后，通过观测其中水位的变化来计算渗漏量。该法的测量成果较精确，可测量渠道渗漏量从初渗到稳渗的变化过程以及不同水位下的渗漏强度。因此得到《渠道防渗技术规范》ＳＬｌ８．９１的推荐。由于是在水静止情况下测量，所以它并不能测出实际灌溉水流条件下的渗漏量，此时的渗漏量与输水时的渗漏量是不同的，而且静水也产生沉淀，降低渗漏强度。另外，静水法对于大型渠道（如干渠），存在着筑坝工程量大、供水困难等缺点。王少丽等幢Ｊ用静水法对渠道自由渗漏情况下的渗漏量和渠中水深关系进行了综合分析。田士豪等［３Ｊ用静水法研究了水位下降时渠道渗漏的计算。赵东辉【４Ｊ用静水法探讨了渠道渗漏强度随时间、渠中水深之间的关系及渠道衬砌的效益。
（２）动水法通过测量渠道上下游两个测流断面间的流量差来计算渠道的渗漏水量。动水法的主要优点是能够在灌溉季节不停止供水情况下完成。但其测试精度差，特别是在防渗效果好、渗漏量小的渠道上，动水法很难得到令人满意的测试结果，有时甚至得到和实际相反的结论。Ｒａｎｔｚ［５］详细介绍了用动水法测量渠道渗漏量的方法。荣丰涛等［６］６用误差分析理论，对按照现行规范采用动水法进行渠道渗漏测试结果进行误差分析，讨论了动水法测渗结果的可信度。
（３）点测渗仪法将水头渗透仪加以改进后用于水下的一种测量渠道渗漏的方法。测渗仪装置简单，操作容易，适用于规模小、渠床杂草少的渠道。对于用石块砌成的渠道或渠中水流速度大于０．６ｍ／ｓ的渠道，因为
收稿日期：２００４。０２．０６；修订日期：２００４—０４．２９
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１０９００４）；澳大利亚国际农业研究中心资助项目（ＬＷＲＩ／２０００／０３０）
作者简介：罗玉峰（１９７７一），男，江西遂川人，武汉大学博士研究生，主要从事节水灌溉理论与实践及地下水模型研究。
第３期罗玉峰等：河渠渗漏量计算方法研究进展４４５要求使用时使测渗仪与渠底或渠边坡密封，这种方法并不适用。另外，沿渠道各点的渗漏强度一般并不相同，因此需要多点进行测量，以得到可以接受的平均值。不过在需要确定特定点的渗漏强度和了解沿渠道渗漏强度的变化时，这种方法很实用。
现场试验方法原理简单且直接，也可用来检验其它方法的精确度，因而是测量和计算河渠渗漏量最基本的方法。但各种试验方法都有其局限性，且不能用于渠道设计阶段；对于较长的河渠，试验结果受各种因素影响导致精度较低。
２经验公式法
经验公式法不仅在渠道规划设计中广泛应用，也被应用于渠道运行中的输配水流量损失估算。在我国，地下水动力学、水文地质学及农田水利学领域均广泛采用经验公式法。
美国学者Ｄａｖｉｓｏｎ等［７］根据在印度的衬砌渠道所获得的实测资料，得到的Ｄａｖｉｓｏｎ．Ｗｉｌｓｏｎ公式为
Ｓ：０．４５ＣＰＬｈｌ／３／（４Ｘ１０６＋３６５０４－；）（１）
式中
数。Ｓ为渗漏损失，ｍ３／（Ｓ・ｋｍ）；Ｐ、ｈ、Ｌ、ｖ分别为渠道湿周、水深、渠长和流速；Ｃ为与渠床质地有关的系
在我国广泛应用的是考斯加科夫公式［８】，即
ｓ＝ｏ．０１ＡＱ：一“
式中Ｑ。为通过渠道的净流量，ｍ３／ｓ；Ａ、ｍ为与土壤有关的参数，无因次。（２）
还有如印度的Ｉｎｇｈａｍ公式［９｜，埃及的Ｍｏｌｅｓｗｏｒｔｈ公式［１０］都采用了与式（１）相似的形式。前苏联的魏吉尔尼柯夫．巴甫洛夫斯基公式、考斯基公式和美国垦务局对各种土质渠床提出的每英里输水损失经验公式也是常用的经验公式旧Ｊ。
门宝辉［１１］针对现行渠道设计中的流量损失和水的利用系数公式中的不足，用积分学方法推导的经验公式为
ｄ血
ｓ＝赢（畦一ＡｍＬ）“
式中（３）Ｑ笔为通过渠道的毛流量，ｍ３／ｓ；其他符号物理意义同前。门宝辉［１１］认为式（３）反映了流量在单位流程上的损失是沿流程变化的特点，所以比传统公式计算的结果要精确；且该式在土壤性质不变时，不受渠道长度的限制，而传统公式则要求渠长不得超过１０ｋｍ，故式（３）特别适用于土壤性质不变或防渗较长的渠道设计。其实，式（３）最大的优点是在计算损失时知道毛流量后不需要通过试算求净流量。
谢崇宝等［１２］认为从本质上讲考斯加科夫公式适用于渠道规划设计，在渠道的运行中，由于净流量很难得到，应用该公式估算输水渗漏损失有相当的难度。白美健等［１３］提出用平均流量代替净流量计算损失则可以弥补这一不足。但作者同时认为这种代替应该是有条件的，并通过误差分析，确立了用平均流量代替净流量计算输水损失的适宜范围。谢崇宝等沿用考斯加科夫公式的形式，但采用渠段平均流量代替净流量，基于Ｄａｖｉｓｏｎ．Ｗｉｌｓｏｎ公式，拟定了新的经验公式。作者也给出了确定各种参数的方法，并认为这个公式适合我国灌区现有管理水平。雷声隆等［１４】也基于考斯加科夫公式，并根据土壤水渗流理论推导出了新的经验公式。但这个公式是由假设地下水位很深得到的，对于其它情况并不适用。
总的来说，这些经验公式大都具有形式简单、应用方便的特点。但是在实际应用时公式中各种系数取值的任意性较大，且不考虑渗漏随时间和空间的变化，所以只适合特定的条件。
３解析方法
３．１河渠稳定渗漏
张蔚榛［１５】根据前苏联学者的研究，提出的河渠稳定自由渗漏量计算公式为
４４６水科学进展第１６卷式中ｑ为单位渠长的渗漏量，ｍ３／（ｓ・ｍ）；ｋ为渠床土壤的渗透系数，ｍｉｄ；Ｂ为渠水面宽度，ｎｌ；ｈ为渠水深，ｍ；Ａ为无因次系数，根据地下水动力学方法确定。式（４）表明，渠道处于稳定渗流阶段时，渗漏量主要决定于渠道横断面、渠床土壤渗透特性、渠道横断面的水力特征（水深ｈ，水面宽度Ｂ等）。地下水埋深及地下水出流条件对渗漏的影响通过系数Ａ反映。文献［１５］介绍了Ａ值的推导过程，并给出了不同宽深比Ｂ／Ｈ和边坡ｍ的Ａ值曲线图。
Ｅｍｓｔ［１６］、薛禹群［１７】先后用解析方法推导了河渠稳定渗漏的计算公式，但由于只适用于特定的条件，且要用到复杂的参数和计算过程，公式并没有得到实际应用。
以上的解析方法都是针对稳定渗流条件下的渠道渗漏，而实际中渠道渗漏是随时间变化的非稳定流。另外，这些方法也没有考虑渠道渗漏对地下水位变化的影响。
３．２河渠非稳定渗漏
用非稳定流方法计算河渠渗漏问题时，能够考虑到渗漏流量随时间变化的关系和渗漏条件下地下水位随时间变化的关系，而渗漏流量也随地下水位变化。
张蔚榛【１８Ｊ根据地下水非稳定流的基本方程式和蒸发与地下水位的直线关系推导出了蒸发条件下两条排水沟之间任一时间通过任一断面的流量公式。张蔚榛等［１９Ｊ对河渠影响下双层结构含水层中地下水非稳定流计算作了详细研究，探讨了在考虑下部含水层弹性储水（或释水）情况下双层介质中地下水非稳定流计算方法，并对忽略弹性释水时计算公式进行了补充。为便于应用，对渗漏总流量公式中的特殊函数制成了计算表。随后张蔚榛等［２０］又用电阻网络模拟进行验证，说明公式是可用的，并给出了应用实例。张蔚榛［１５］还推导了河渠受地下水位顶托及有无排水时各种河渠水位条件下的非稳定渗流公式。薛禹群［１７】研究了一侧有河渠渗漏时河渠附近潜水的非稳定运动和两侧有河渠渗流时，河渠间潜水的非稳定运动。
解析方法在渗漏损失机理、结果表达方面是相对精确的。但依赖的渗透系数ｋ值空间变异性大，初始条件和边界条件严格，推导这些公式时都作了一些简化和假设。这些理想状况在实际中是很少的，所以解析方法在生产实际上应用不多。但解析方法可以从理论上探讨河渠渗漏的一些规律，有助于进一步认识河渠渗漏的特征和建立合理的河渠渗漏模型。
４数值方法
用模型模拟来研究地下水问题的主要方法可概括为数学模型法和物理模型法。电模拟法是物理模型法中最常用的一种，在计算机问世及未被广泛应用前，电模拟法是研究地下水问题的最重要方法之一。地下水数学模型求解方法有两类：解析法和数值法。解析方法虽可得到精确解，但只能求解简单的模型，由于地下水模型一般比较复杂，往往需借助于数值方法。
Ｂｏｕｗｅｒ【２ｌ】通过电模拟法，对以下３种情况下的渠道渗漏量进行分析：①渠底浸润土层均一，其下部为强透水层，且地下水位较高；②渠底浸润土层均一，其下部为强透水层，且地下水位较低；③渠底浸润土层均一，其下部为弱透水层，且地下水位较低。Ｂｏｕｗｅｒ的研究表明，渠道渗漏依赖于含水层的水力传导度和水力条件，作者绘制了用于计算各种渠道含水层水力条件下渗漏量的图。Ｂｏｕｗｅｒ模型的２个限制条件是含水层有一个水力传导度非常大的底板或者一个具有水平边界上水头恒定的不透水底板。进一步的研究表明，这两种情况在实际中是很少见的，基于此，Ｗａｃｈｙａｎ等［２２］用数值方法对Ｂｏｕｗｅｒ的方法进行了改进，探讨了含水层有一个较低水力传导度的底板以及地下水位面附近有蒸发损失或补给情况下渗漏量的计算。Ｒａｓｔｏｇｉ等∞Ｊ和惠士博等Ｌ２４Ｊ用有限元法求解渗流模型，根据模拟结果对河渠渗漏进行了研究。Ｓｏｎｅｎｅｓｈｅｉｎ∞Ｊ和Ｌｕｏ等【２６Ｊ用基于有限差分的ＭＯＤＦＬＯＷ建立的地下水模型计算了河渠的渗漏量。
用数值方法计算河渠渗漏量首先要建立各种情况下的渗漏公式，然后把河渠渗漏量作为地下水模型的原汇项。Ｏｓ——姗［”］把河渠渗漏分成两大类，即渠道完全穿透含水层和渠道不完全穿透含水层。实际上在推导公式时这两类是相同的，所以这里可将河渠渗漏分为４种情况（图１）。由于一般河渠都有沉积或衬砌，形成了渗透系数
第３期罗玉峰等：河渠渗漏量计算方法研究进展４４７比含水层渗透系数较小的弱隔水层，而河渠底和边坡是否有弱隔水层对渠道渗漏的特征是有重要影响的，所以这里的４种情况都考虑了弱隔水层。图１（ａ）为含水层补给河渠的情况，图１（ｂ）为含水层水位介于河渠水位和渠底高程之间，图１（ｅ）为含水层水位低于渠底高程，但含水层水位对河渠渗漏有顶托作用，图１（ｄ）为含水层水位低于渠底高程，含水层水位对河渠渗漏没有影响。后２种情况下的河渠床之间的渗流是非饱和的，这２种情况的差别（深和浅）取决于河渠的含水层、弱隔水层的构造、水力属性和几何属性。
——理广——哩广
（ｃ）（ｄ）
图１河渠渗漏的各种情况
Ｆｉｇ．１Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｅｅｐａｇｅｆｒｏｍｃａｎａｌａｎｄｒｉｖｅｒ
在ＭＯＤＦＬＯＷ的河流子程序包汹］中，计算含水层水位低于渠床时的渠道渗漏量的公式为
『Ｃ，（Ｈｒ—ｈ）ｈ＞Ｙｂ。，
“，、
【Ｃ，（Ｈｒ—Ｙｂ。）ｈ≤ＹｂｏＩ一
式中珥为渠水位，ｍ；ｈ为含水层水位，ｍ；Ｙｂ。。为渠底高程，ｍ；Ｃ，为渠床导水率，ｍ２／ｄ，Ｃ，＝ｋｂＬＷ／Ｍ；ｋ。渠床饱和水力传导度，ｍ／ｄ；Ｌ为渠段长度，ｍ；Ｗ为渠道宽度，ｍ；Ｍ为渠床的厚度，ｍ。
当含水层低于渠底高程，渠道渗漏补给地下水时，这里假设渠中的水是取之不尽的，而且渗漏对渠水位没有影响。对于一个恒定的日，值，无论地下水位是多少，渗漏强度也是恒定的。
Ｒｏｖｅｙ模型【２９］是式（５）的改进，但仍假设地下水位对渗漏没有影响，即使在地下水位较浅（图１（ｃ））时也是这样。另外，Ｒｏｖｅｙ公式表明在含水层水位与渠底相平时有一个不合实际的跳跃。Ｂｏｕｗｅｒ模型［驯用和Ｒｏｖｅｙ模型相似的公式计算情况图１（Ｃ）和图１（ｄ）时渠道渗漏量。他用一个更具代表性的下部含水层平均吸力水头代替沉积层的负压水头来确定最大渗漏流量。Ｂｏｕｗｅｒ的模型考虑了地下水位较浅时渗漏流量的变化，是对Ｒｏｖｅｙ模型的改进，但在确定最大渗漏流量开始发生时刻的地下水位时并没有考虑河渠状态和沉积层特征。Ｄｉｌｌｏｎ．Ｌｉｇｇｅｔｔ模型［３１］模拟了含水层中的负压，并把它引人Ｇｒｅｅｎ．Ａｍｐｔ算法［３２］以确定初始河流渗透和随后对地下水的补给之间的延迟时间。然而，模型也用恒定的吸力水头，并且渗漏流量不随含水层水位的变化而变化。同样地，他们也没有给出吸力水头的计算方法。Ｏｓｍ吼［２７３在比较了几种计算河渠渗漏模型后，对ＭＯＤＦＬＯＷ中的公式进行了改进，即
ｒＣ，（Ｈｒ—ｈ）ｈ＞Ｙｂ。Ｉ
凰胁＜ｈ≤ｙ６。。（６）Ｑ，＝《ｃｒ（珥一ｙ６“＋ｈ。。）
ＬＣ，（珥一巩＾埘）ｈ≤皿胁
式中＾。。为渠床底的吸力水头，ｈ。。＊ｙ６。。一ｈ，ｍ；皿＾坤为限制浅水位，ｍ，Ｏｓｍａｎ给出了计算只＾。的步骤。
模型化方法具有明显的优点：能够求得各种复杂条件下随时间和空间变化的河渠渗漏量，因而可以通过这种方法较为精确地确定河渠渗漏量。但现有各种河渠渗漏模型存在不足之处，主要表现在图１（ｃ）、图１（ｄ）时
４４８水科学进展第１６卷渗漏流量的计算。虽然Ｒｏｖｅｙ模型和Ｂｏｕｗｅｒ模型是常用的改进方法，但它们都不能计算图１（ｃ）时渗漏流量的变化，且认为在自由渗漏时的渗漏流量最大，而Ｄｉｌｌｏｎ．Ｌｉｇｇｅｔｔ模型则在确定沉积层下的吸力水头时忽略了除含水层属性外的其它因素。
５展望及结语
河渠渗漏量计算方法的研究虽然经过了数十年的发展，但仍有一些问题没有得到很好地解决，还有许多工作有待展开。
（１）提高现场试验的精度和可信度现场试验法是测量河渠渗漏量最直接的方法，因而在实际中广泛应用。要提高试验成果的精度和可信度需要解决的问题，一方面是如何做好现场试验，另一方面是试验数据处理。要做好试验，应结合现代试验理论，科学地设计试验，选取有代表性的渠段，确定试验时间、次数等，减少试验的系统误差；在试验过程中认真仔细，减少主客观因素的影响，以降低随机误差，并减少误差传递。在试验数据分析时同已有的理论研究成果结合起来，把已知的不同条件下的河渠渗漏特性应用于试验数据分析。
（２）现场试验和理论分析相结合，推导合理的经验公式渠道渗漏量计算的经验公式在３０年前就已经有许多，但这些公式存在不同程度的不足。如有的公式使用净流量，因而仅适用于渠道设计阶段，而有的则考虑因素较少，适应范围有限，精度不高。虽然最近几年一些学者对我国常用的考斯加科夫公式进行了改进，但公式的适应性及其计算精度仍有待改进。推导简单易用，同时又能够考虑更多因素，使结果精确，适用范围更广的经验公式是下一步需要探讨的课题。
（３）完善现有模型由于地下水和土壤水数值模拟理论和技术的发展，目前越来越多地利用模型，特别是基于通用地下水数值模拟软件的地下水流模型来计算河渠渗漏损失，并研究渗漏对地下水位的动态影响。对于实际复杂条件下，由于渗漏量不仅随时问变化，也随空间变化，现场试验法、经验公式法和解析方法都很难求得较为精确的渗漏量，通过建立地下水流模型则可以较为容易地解决这一问题。
如前所述，目前的各种河渠渗漏模型的不足之处主要存在于图１（Ｃ）、图１（ｄ）时渗漏量的计算，这两种情况下河（渠）床之间的渗流是非饱和的。Ｂｏｕｗｅｒ模型和Ｒｏｖｅｙ模型虽然考虑了非饱和条件引起的吸力水头，但要准确计算这时的河渠渗漏量，必须建立饱和与非饱和相结合的模型。因此，应对这两种情况下的非饱和渗流进行理论研究，明确渗流机理以确定合理的模型。
研究表明，要准确计算河渠渗漏是很困难的，只有多种方法综合应用，各扬其长，可望研究取得突破。
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河渠渗漏量计算方法研究进展
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：罗玉峰， 崔远来， 郑祖金， Luo Yu-feng， CUI Yuan-lai， ZHENG Zu-jin武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE2005,16(3)6次
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