黄河下游引黄灌溉对策研究
摘要：在新的形势下，对黄河下游引黄灌溉中泥沙处理和利用应提高到一个新的认识高度，变泥沙“包袱”为“资源”。泥沙长距离输送，使绝大部分泥沙进入田间，就可实现引黄灌溉的良性循环。除了以往有效的措施外，本文在灌区渠道不同部位设置提水泵站设施作用与效果的同时，通过建立灌区渠道悬移质冲刷模型，对其减淤清淤的作用与效果进行了理论分析研究。长距离输送；提水灌溉
关键词：长距离输送 提水灌溉
1 泥沙是制约引黄灌溉的重要因素
黄河下游河南、山东两省的引黄灌区，自1985年至1990年底，累计引水2333亿m3，引沙38.65亿t。其中，约有33.22%的泥沙沉积在沉沙池内，35.32%淤积在灌溉渠系，22.9%被输入田间，8.56%进入排水河道。这就是说，除了被输入田间的约23%的泥沙成为资源，其余近80%的泥沙需要进行处理。这种长期采取的泥沙处理方式(沉沙池集中沉沙，渠系两岸堆积清淤泥沙)，造成了引黄泥沙在平面上分布不合理的状况，给沿黄两岸的、社会和环境带来了严重的负面影响。引黄泥沙已成为制约引黄灌溉发展的主要因素。
随着黄河整个流域经济的迅速发展，用水量不断增加，而黄河下游水资源却日趋贫乏。引黄灌区面临需水期无水可引的局面，不得不引用洪水期高含沙水流。但目前，大多数灌区渠首无可供高含沙水流沉沙的空间，以进行沉沙输水。面对这一形势，对泥沙的处理和利用应有新的认识，这一认识的基本点是变泥沙“包袱”为“ 资源”。从技术上讲就是要实现泥沙的长距离输送。
实现泥沙长距离输送，关键在于提高渠道输送泥沙的能力。要减少输沙渠道的泥沙淤积，除了以往行之有效的措施外，可采用改输沙渠水流自流入沉沙池变为扬水入沉沙池的方式，这种措施必将增加渠道的水面比降，加大流速，增加渠道内水流输送泥沙的能力。如若在渠首设置提水泵站扬水入渠，同样可起到加大渠道水面比降的作用。
利用提水泵站实现泥沙长距离输送的可行性已在部分灌区得到证实。例如，渠首设置提水灌溉设施的夹马口灌区和尊村灌区及渠尾(中)设置提水泵站设施的曹店灌区和麻湾灌区。这些灌区在不同部位设置了扬水设施来加大水面比降，提高水流挟沙能力，达到了少淤或不淤的目的。
本文在参照典型灌区冲淤变化状况的基础上，建立了适用于灌溉渠道输沙计算的数学模型，就提水灌溉的效果与作用进行了定性的研究与分析。
2 渠道悬移质冲刷模型的建立
2.1 基本方程的建立及数值解法
基于灌溉渠道水流泥沙运动与明渠水流泥沙运动规律一致，模型采用非耦合饱和输沙一维模型的计算方法，计算中假定渠道发生冲刷淤积过程，计算时段内河床变形对水流条件影响不大，也不考虑水体中含沙量随时间的变化，则该方程组为
水流连续方程
| (1) |
水流运动方程
| (2) |
河床变形方程
| (3) |
水流挟沙力公式
S*=S*(J,u,d) | (4) |
式中 Q为流量；A为过水面积；B为水面宽；Y为水深；u为流速；Y0为断面渠底平均高程；S*为水流挟沙力；G为断面总输沙率；ρ为泥沙干密度；g为重力加速度；n为河床糙率；x,t为距离及时间。
上述简化后的基本方程，即为建立模型理论依据。采用Pressman的四点偏心差格式，其中时间偏导采用前差，空间偏导采用加权中心差，可得函数和导数离散关系式
|
式中θ为加权系数0≤θ≤1，f表示任意函数；上标n为时间坐标序列号，下标j为断面序号。
按上述差分格式推演水流连续方程(1)和水流运动方程(2)中各项，对计算点的未知量按泰勒级数展开，忽略增量Δfj的高次项，可使多元高次方程化为线性方程组。为简化计算方法，考虑渠道断面形态为梯形，经整理，对式(1)和式(2)分别有
| (5) |
| (6) |
以上系数A1，A2，A3，A4，A5及B1，B2，B3，B4，B5均为时段初相邻断面变量值Zjn,Q?jn, |
,
,及进库水流条件的函数。上述两个方程中，共有四个未知数，对M个计算点共有2M个未知数，由差分方程可列出2M-2个类似于(5)、(6)的方程组。因此需要补充两个边界条件可以方程组闭合。
使用交错网格追赶法求解差分方程。为将Q与Y分别布置在两个不同断面上，在断面间再增加一个节点(以K表示)，并假定增加节点断面流量与上一个断面相等。
2.2 初始条件及边界条件
初始条件：Q(x)t=0=Q0(x),h(x)t=0=h0(x)
上边界条件：Q1=Q(t)
下边界条件：Ym=Y(t)?
2.3 河床变形方程及水流挟沙能力
河床变形方程式(3)，采用有限差分法进行离散，得到差分方程，如下
(G2-G1)ΔT=ρΔxBΔY0 | (7) |
式中 G1、G2分别为进出口断面输沙率；ρ为渠床泥沙干密度；ΔY0为计算河段平均河床淤积或冲刷厚度，正值为冲，负值为淤。对于悬移质变化引进的冲淤计算，取G=QS。
水流挟沙能力采用模型相似类比法计算渠道断面挟沙力，由下式确定
S*=λS*×Ｓ0 | (8) |
其中?λS*=λJ7/4λu3/2/λd2
式中 J、u、d分别为水面比降、流速、悬移质中值粒径；λS*为挟沙能力比尺；S*0为原始渠道平衡挟沙力。
3 提水灌溉作用与效果的分析研究
3.1 提水灌溉的作用
以曹店灌区干渠为模拟对象，取代主要参数为：设计引水流量30m3/s,梯形断面，渠底宽度为14m，边坡系数为1∶2，渠底比降为1/7000，渠道水深1.373m，断面平均流速1.342m/s,过水面积22.36m2。计算了下游泵站水位由7.373m下降至6.873m，即下降水位50cm，相应分流比约50%条件下渠道沿程含沙量的变化，见图1、图2。
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|
图1 降水过程中含沙量的变化 | 图2 降水过程结束后含沙量的变化 |
Sediment concentration variation along the canal during pumping water at the end of it | The sediment concentration variation after pumping ended |
由图可看出，在降水过程中，沿程含沙量随降水幅度的增加而增长；降水过程结束后，沿程含沙量又趋于平缓。经计算分析，沿程水面比降和平均流速也存在着这样的。这是由于泵站提水，造成局部水位下降，泵站的上渠段水面比降加大，导致水流流速增加，该渠段发生冲刷，出口含沙量迅速增加；当降水结束时，断面最大含沙量达到150kg/m3;降水结束后，随着冲刷的不断，下游水深增大，水面比降和流速逐渐减小，加上冲刷过程中悬移质的粗化，水流挟沙能力减小，制约了冲刷的进一步发展。
因此，建立提水泵站设施，可以对渠道起到一定的拉沙作用，但其拉沙效果则与降水幅度、降水历时及入流条件、渠道床面形态等有关。
3.2 提水灌溉效果的单因素分析
利用建立的模型，进行了包括降水模式(包括降水方式、幅度、历时)、入流量、渠道断面形态、糙率等诸因素对提水灌溉效果的计算，见表1、表2、表3、表4。
表1 降水模式对冲刷效果的影响
The effect of erosion in different duration of pumping
引水模式 | 降水历时(h) | 降低出口水位值(cm) | 延伸距离(km) | 平衡历时(h) | 冲刷深度(cm) | 冲刷量(万m3) |
分段降水 | 2.0 | 30 | 5.5 | 3.6 | 15.70 | 0.770 |
集中降水 | 0.2 | 30 | 7.5 | 5.0 | 11.80 | 0.760 |
分段降水 | 2.0 | 50 | 8.0 | 5.2 | 37.46 | 2.072 |
集中降水 | 0.2 | 50 | 9.0 | 5.0 | 35.40 | 2.297 |
表1说明，长时段的分段降水和短时段的集中降水对冲刷效果的影响差别不大，而降水幅度对冲刷效果的影响则很大。
表2 渠道入流量对冲刷效果的影响
The effect of erosion for different flow discharge
| 河宽(m) | 流量(m3/s) | 挟沙力(kg/m3) | 延伸距离(km) | 平衡历时(h) | 冲刷深度(cm) | 冲刷量(万m3) |
分段降水50cm入流量对冲刷的影响 | 14 | 20 | 23.93 | 6 | 8.8 | 38.77 | 1.871 |
14 | 30 | 30 | 8 | 5.2 | 37.46 | 2.072 | |
14 | 40 | 35.15 | 9.5 | 4.4 | 37.16 | 2.442 | |
14 | 50 | 39.69 | 11 | 4 | 38.98 | 2.775 | |
集中降水50cm入流量对冲刷的影响 | 14 | 20 | 23.93 | 8 | 6.8 | 34.09 | 2.028 |
14 | 30 | 30 | 9 | 5 | 34.95 | 2.297 | |
14 | 40 | 35.15 | 10 | 4.4 | 35.4 | 2.422 | |
14 | 50 | 39.69 | 10 | 4 | 37.76 | 2.585 | |
显然，渠道入流量对降水冲刷效果的影响比较大。流量越大冲刷越深、拉沙距离越远、所需平衡历时越少、冲刷量也越多；即越易冲刷。
表3 不同宽深比B/h条件下的冲刷效果
The effect of erosion for different value of |
/h of canal
| 渠底宽(m) | 水深(m) | 水面宽(m) |
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分段降水50cm不同宽深比条件下的冲刷效果 | 10 | 1.596 | 15.32 | 2.45 | 20.21 | 36.85 | 8 | 5.6 | 38.48 | 2.762 | ||||||||||||||
12 | 1.474 | 16.91 | 2.79 | 21.31 | 30.00 | 8 | 5.2 | 37.46 | 2.072 | |||||||||||||||
14 | 1.373 | 18.58 | 3.14 | 22.36 | 26.48 | 8 | 4.8 | 36.78 | 1.735 | |||||||||||||||
18 | 1.212 | 22.04 | 3.87 | 24.28 | 22.87 | 7 | 4.8 | 35.94 | 1.379 | |||||||||||||||
集中降水50cm不同宽深比条件下的冲刷效果 | 10 | 1.596 | 15.32 | 2.45 | 20.21 | 36.85 | 9.5 | 5.4 | 34.1 | 3.115 | ||||||||||||||
12 | 1.474 | 16.91 | 2.79 | 21.31 | 30.00 | 9.5 | 5 | 34.9 | 2.297 | |||||||||||||||
14 | 1.373 | 18.58 | 3.14 | 22.36 | 26.48 | 9 | 4.8 | 35.4 | 1.836 | |||||||||||||||
18 | 1.212 | 22.04 | 3.87 | 24.28 | 22.87 | 8.5 | 4.8 | 37.1 | 1.454 | |||||||||||||||
从表3中可看出，宽深比越小冲刷效果越好，且有随宽深比的减小而递增的趋势。这说明了当下游条件改变时，渠道越宽浅冲刷效果越差。相反，窄深断面形态的渠道相对而言更易于冲刷。
表4 降低水位50cm糙率的影响
The effect of erosion for different roughness coeff.
降水模式 | 糙率 | 延伸距离(km) | 平衡历时(h) | 平衡冲深(cm) | 平衡冲刷(万m3) |
分段降水 | 0.011 | 8.5 | 6.6 | 31.9 | 1.818 |
分段降水 | 0.020 | 6.5 | 3.2 | 19.88 | 0.999 |
分段降水 | 0.030 | 5.0 | 2.6 | 12.04 | 0.572 |
集中降水 | 0.011 | 9.0 | 7.8 | 31.22 | 1.842 |
集中降水 | 0.020 | 9.0 | 2.4 | 17.96 | 1.025 |
集中降水 | 0.030 | 8.0 | 1.4 | 10.24 | 0.579 |
从表4可看出，糙率越小冲刷效果越显著。反之，糙率越大冲刷效果越差，而且回淤也越严重。
各表说明水位下降幅度是影响冲刷效果的决定性因素，入流量、断面形态及糙率等对冲刷效果有直接影响。因此，降低水位是否能真正形成自下而上的溯源冲刷而不产生回淤，有赖于各种条件的组合。
4 主要结论
1.泥沙的处理和利用直接关系到黄河下游引黄灌区地区的、社会和环境质量，成为制约引黄发展的重要因素。
2.在新的形势下应改变单纯的把泥沙当作“包袱”、集中力量进行处理这一思想，把泥沙和水一样作为一种资源。当泥沙用于淤背固堤，沉沙造地和输沙入田时泥沙就成为资源。关键在于实现泥沙长距离输送入田。
3.泥沙长距离输送入田，渠道比降起着举足轻重的作用，当今应通过人类的能动作用，设法增加其它动力，如提水灌溉设施，并通过优化调度运行，千方百计加大渠道的纵比降。
4.典型灌区的实践经验表明渠道不同部位(如渠首、 渠中、 渠尾)设置提水灌溉设施并优化调度运行，将大大提高渠道的水面比降，增大渠道水流挟沙能力，起到减淤的效果。
5.通过建立灌区渠道悬移质冲刷计算模型对提水灌溉作用和效果的理论分析研究表明，利用提水灌溉设施，可以通过降低其水位(或低水位运行)达到加大局部渠段的水面比降、流速和水流挟沙力的目的，在一定的条件下(主要是水位下降幅度)，在渠道中可以产生自下而上的溯源冲刷，起到拉沙和清除淤积泥沙的作用。
参 考 文 献
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