水利工程論文-黃河下游引黃灌溉對策研究.doc

水利工程論文-黃河下游引黃灌溉對策研究摘要：在新的形勢下，對黃河下游引黃灌溉中泥沙處理和利用應(yīng)提高到一個新的認(rèn)識高度，變泥沙“包袱”為“資源”。泥沙長距離輸送，使絕大部分泥沙進(jìn)入田間，就可實現(xiàn)引黃灌溉的良性循環(huán)。除了以往有效的措施外，本文在總結(jié)灌區(qū)渠道不同部位設(shè)置提水泵站設(shè)施作用與效果的同時，通過建立灌區(qū)渠道懸移質(zhì)沖刷計算模型，對其減淤清淤的作用與效果進(jìn)行了理論分析研究。長距離輸送；提水灌溉關(guān)鍵詞：長距離輸送提水灌溉1泥沙是制約引黃灌溉發(fā)展的重要因素黃河下游河南、山東兩省的引黃灌區(qū)，自1985年至1990年底，累計引水2333億m3，引沙38.65億t。其中，約有33.22%的泥沙沉積在沉沙池內(nèi)，35.32%淤積在灌溉渠系，22.9%被輸入田間，8.56%進(jìn)入排水河道。這就是說，除了被輸入田間的約23%的泥沙成為資源，其余近80%的泥沙需要進(jìn)行處理。這種長期采取的泥沙處理方式(沉沙池集中沉沙，渠系兩岸堆積清淤泥沙)，造成了引黃泥沙在平面上分布不合理的狀況，給沿黃兩岸的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。引黃泥沙已成為制約引黃灌溉發(fā)展的主要因素。隨著黃河整個流域經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用水量不斷增加，而黃河下游水資源卻日趨貧乏。引黃灌區(qū)面臨需水期無水可引的局面，不得不引用洪水期高含沙水流。但目前，大多數(shù)灌區(qū)渠首無可供高含沙水流沉沙的空間，以進(jìn)行沉沙輸水。面對這一形勢，對泥沙的處理和利用應(yīng)有新的認(rèn)識，這一認(rèn)識的基本點是變泥沙“包袱”為“資源”。從技術(shù)上講就是要實現(xiàn)泥沙的長距離輸送。實現(xiàn)泥沙長距離輸送，關(guān)鍵在于提高渠道輸送泥沙的能力。要減少輸沙渠道的泥沙淤積，除了以往行之有效的措施外，可采用改輸沙渠水流自流入沉沙池變?yōu)閾P(yáng)水入沉沙池的方式，這種措施必將增加渠道的水面比降，加大流速，增加渠道內(nèi)水流輸送泥沙的能力。如若在渠首設(shè)置提水泵站揚(yáng)水入渠，同樣可起到加大渠道水面比降的作用。利用提水泵站實現(xiàn)泥沙長距離輸送的可行性已在部分灌區(qū)得到證實。例如，渠首設(shè)置提水灌溉設(shè)施的夾馬口灌區(qū)和尊村灌區(qū)及渠尾(中)設(shè)置提水泵站設(shè)施的曹店灌區(qū)和麻灣灌區(qū)。這些灌區(qū)在不同部位設(shè)置了揚(yáng)水設(shè)施來加大水面比降，提高水流挾沙能力，達(dá)到了少淤或不淤的目的。本文在參照典型灌區(qū)沖淤變化狀況的基礎(chǔ)上，建立了適用于灌溉渠道輸沙計算的數(shù)學(xué)模型，就提水灌溉的效果與作用進(jìn)行了定性的研究與分析。2渠道懸移質(zhì)沖刷模型的建立2.1基本方程的建立及數(shù)值解法基于灌溉渠道水流泥沙運(yùn)動規(guī)律與明渠水流泥沙運(yùn)動規(guī)律一致，模型采用非耦合飽和輸沙一維模型的計算方法，計算中假定渠道發(fā)生沖刷淤積過程，計算時段內(nèi)河床變形對水流條件影響不大，也不考慮水體中含沙量隨時間的變化，則該方程組為水流連續(xù)方程(1)水流運(yùn)動方程(2)河床變形方程(3)水流挾沙力公式S*=S*(J,u,d)(4)式中Q為流量；A為過水面積；B為水面寬；Y為水深；u為流速；Y0為斷面渠底平均高程；S*為水流挾沙力；G為斷面總輸沙率；為泥沙干密度；g為重力加速度；n為河床糙率；x,t為距離及時間。上述簡化后的基本方程，即為建立模型理論依據(jù)。采用Pressman的四點偏心差格式，其中時間偏導(dǎo)采用前差，空間偏導(dǎo)采用加權(quán)中心差，可得函數(shù)和導(dǎo)數(shù)離散關(guān)系式式中為加權(quán)系數(shù)01，f表示任意函數(shù)；上標(biāo)n為時間坐標(biāo)序列號，下標(biāo)j為斷面序號。按上述差分格式推演水流連續(xù)方程(1)和水流運(yùn)動方程(2)中各項，對計算點的未知量按泰勒級數(shù)展開，忽略增量fj的高次項，可使多元高次方程化為線性方程組。為簡化計算方法，考慮渠道斷面形態(tài)為梯形，經(jīng)整理，對式(1)和式(2)分別有(5)(6)以上系數(shù)A1，A2，A3，A4，A5及B1，B2，B3，B4，B5均為時段初相鄰斷面變量值Zjn,Qjn,及進(jìn)庫水流條件的函數(shù)。上述兩個方程中，共有四個未知數(shù)，對M個計算點共有2M個未知數(shù)，由差分方程可列出2M-2個類似于(5)、(6)的方程組。因此需要補(bǔ)充兩個邊界條件可以方程組閉合。使用交錯網(wǎng)格追趕法求解差分方程。為將Q與Y分別布置在兩個不同斷面上，在斷面間再增加一個節(jié)點(以K表示)，并假定增加節(jié)點斷面流量與上一個斷面相等。2.2初始條件及邊界條件初始條件：Q(x)t=0=Q0(x),h(x)t=0=h0(x)上邊界條件：Q1=Q(t)下邊界條件：Ym=Y(t)2.3河床變形方程及水流挾沙能力河床變形方程式(3)，采用有限差分法進(jìn)行離散，得到差分方程，如下(G2-G1)T=xBY0(7)式中G1、G2分別為進(jìn)出口斷面輸沙率；為渠床泥沙干密度；Y0為計算河段平均河床淤積或沖刷厚度，正值為沖，負(fù)值為淤。對于懸移質(zhì)變化引進(jìn)的沖淤計算，取G=QS。水流挾沙能力采用模型相似類比法計算渠道斷面挾沙力，由下式確定S*=S*0(8)其中S*=J7/4u3/2/d2式中J、u、d分別為水面比降、流速、懸移質(zhì)中值粒徑；S*為挾沙能力比尺；S*0為原始渠道平衡挾沙力。3提水灌溉作用與效果的分析研究3.1提水灌溉的作用以曹店灌區(qū)干渠為模擬計算對象，取代主要參數(shù)為：設(shè)計引水流量30m3/s,梯形斷面，渠底寬度為14m，邊坡系數(shù)為12，渠底比降為1/7000，渠道水深1.373m，斷面平均流速1.342m/s,過水面積22.36m2。計算了下游泵站水位由7.373m下降至6.873m，即下降水位50cm，相應(yīng)分流比約50%條件下渠道沿程含沙量的變化，見圖1、圖2。圖1降水過程中含沙量的變化圖2降水過程結(jié)束后含沙量的變化SedimentconcentrationvariationalongthecanalduringpumpingwaterattheendofitThesedimentconcentrationvariationafterpumpingended由圖可看出，在降水過程中，沿程含沙量隨降水幅度的增加而增長；降水過程結(jié)束后，沿程含沙量又趨于平緩。經(jīng)計算分析，沿程水面比降和平均流速也存在著這樣的規(guī)律。這是由于泵站提水，造成局部水位下降，泵站的上渠段水面比降加大，導(dǎo)致水流流速增加，該渠段發(fā)生沖刷，出口含沙量迅速增加；當(dāng)降水結(jié)束時，斷面最大含沙量達(dá)到150kg/m3；降水結(jié)束后，隨著沖刷的不斷發(fā)展，下游水深增大，水面比降和流速逐漸減小，加上沖刷過程中懸移質(zhì)的粗化，水流挾沙能力減小，制約了沖刷的進(jìn)一步發(fā)展。因此，建立提水泵站設(shè)施，可以對渠道起到一定的拉沙作用，但其拉沙效果則與降水幅度、降水歷時及入流條件、渠道床面形態(tài)等有關(guān)。3.2提水灌溉效果的單因素分析利用建立的模型，進(jìn)行了包括降水模式(包括降水方式、幅度、歷時)、入流量、渠道斷面形態(tài)、糙率等諸因素對提水灌溉效果的計算，見表1、表2、表3、表4。表1降水模式對沖刷效果的影響Theeffectoferosionindifferentdurationofpumping引水模式降水歷時(h)降低出口水位值(cm)延伸距離(km)平衡歷時(h)沖刷深度(cm)沖刷量(萬m3)分段降水2.0305.53.615.700.770集中降水0.2307.55.011.800.760分段降水2.0508.05.237.462.072集中降水0.2509.05.035.402.297表1說明，長時段的分段降水和短時段的集中降水對沖刷效果的影響差別不大，而降水幅度對沖刷效果的影響則很大。表2渠道入流量對沖刷效果的影響Theeffectoferosionfordifferentflowdischarge河寬(m)流量(m3/s)挾沙力(kg/m3)延伸距離(km)平衡歷時(h)沖刷深度(cm)沖刷量(萬m3)分段降水50cm入流量對沖刷的影響142023.9368.838.771.87114303085.237.462.072144035.159.54.437.162.442145039.6911438.982.775集中降水50cm入流量對沖刷的影響142023.9386.834.092.0281430309534.952.297144035.15104.435.42.422145039.6910437.762.585顯然，渠道入流量對降水沖刷效果的影響比較大。流量越大沖刷越深、拉沙距離越遠(yuǎn)、所需平衡歷時越少、沖刷量也越多；即越易沖刷。表3不同寬深比B/h條件下的沖刷效果Theeffectoferosionfordifferentvalueof/hofcanal渠底寬(m)水深(m)水面寬(m)寬深比/h過水面積(m2)挾沙力S*(kg/m3)延伸距離(km)平衡歷時(h)沖刷深度(cm)沖刷量(萬m3)分段降水101.59615.322.4520.2136.8585.638.482.762121.47416.912.7921.3130.0085.237.462.07250cm不同寬深比條件下的沖刷效果141.37318.583.1422.3626.4884.836.781.735181.21222.043.8724.2822.8774.835.941.379集中降水50cm不同寬深比條件下的沖刷效果101.59615.322.4520.2136.859.55.434.13.115121.47416.912.7921.3130.009.5534.92.297141.37318.583.1422.3626.4894.835.41.836181.21222.043.8724.2822.878.54.837.11.454從表3中可看出，寬深比越小沖刷效果越好，且有隨寬深比的減小而遞增的趨勢。這說明了當(dāng)下游條件改變時，渠道越寬淺沖刷效果越差。相反，窄深斷面形態(tài)的渠道相對而言更易于沖刷。表4降低水位50cm糙率的影響Theeffectoferosionfordifferentroughnesscoeff.降水模式糙率延伸距離(km)平衡歷時(h)平衡沖深(cm)平衡沖刷(萬m3)分段降水0.0118.56.631.91.818分段降水0.0206.53.219.880.999分段降水0.0305.02.612.040.572集中降水0.0119.07.831.221.842集中降水0.0209.02.417.961.025集中降水0.0308.01.410.240.579從表4可看出，糙率越小沖刷效果越顯著。反之，糙率越大沖刷效果越差，而且回淤也越嚴(yán)重。各表說明水位下降幅度是影響沖