引黃灌溉渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型

1、引黃灌溉渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型             摘要根據(jù)引黃灌區(qū)渠網(wǎng)特點(diǎn)，在黃河下游灌渠水流泥沙數(shù)學(xué)模型1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了干、支、斗、農(nóng)渠等的灌溉及水流泥沙運(yùn)動特性，介紹了灌溉渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型水流泥沙計(jì)算方法。最后以簸箕李灌區(qū)為例，對不同灌溉方案渠道淤積及泥沙分布進(jìn)行了計(jì)算分析。 關(guān)鍵詞灌溉 渠網(wǎng) 調(diào)度模型    (1)自流灌區(qū) 圖1是灌區(qū)輪灌示意圖，當(dāng)支渠向斗渠第一輪灌組送水時，支渠出口水位為斗9進(jìn)水閘門前的水位；當(dāng)支渠向斗渠第二輪灌組送水時，斗

2、7斗9是關(guān)閉的，假設(shè)第二輪灌組最后一斗渠為斗6，則斗6進(jìn)水閘前的水位為支渠的出口水位，其余可以類推。支渠出口水位可根據(jù)輪灌組最后一斗渠進(jìn)水閘前的水位來確定。    支渠進(jìn)口流量減去支渠水流的損失，即為出口流量。同一斗渠輪灌組內(nèi)有幾個斗渠，每個斗渠的分流量，可根據(jù)其設(shè)計(jì)流量在該輪灌組設(shè)計(jì)流量總和中所占比例來確定。如圖1，斗7、斗8、斗9負(fù)擔(dān)澆灌的田間面積相等，則其設(shè)計(jì)流量也應(yīng)相等，即三個斗渠的分流量亦相等，故斗9的進(jìn)口流量為圖1 自流灌區(qū)支渠、農(nóng)渠、斗渠輪灌示意圖The rotation irrigation sketch ofirrigation district by g

3、ravity flowQD=1/3(QD-qAD)式中 QD為斗9的進(jìn)口流量；QA為支渠的進(jìn)口流量；qAD為支渠AD段流量損失。根據(jù)斗渠進(jìn)口流量及口門的水位流量關(guān)系，可得出斗9進(jìn)水口門前的水位，故支渠的下游水位過程也就能確定。斗渠第一輪灌組澆一次水的運(yùn)行時間，可根據(jù)該組控制灌溉面積的需水量求出。同理第二、第三輪灌組的運(yùn)行時間也可求出。則整個支渠澆一次水的開閘放水時間也可知，利用灌渠數(shù)學(xué)模型就可計(jì)算出這次放水期間支渠的泥沙淤積量、淤積分布和床沙級配等。(2)提水灌區(qū) 提灌支渠的進(jìn)口流量由揚(yáng)水站抽水量來確定。如果支渠向斗渠送水是自流，則確定支渠下游水位的方法與自流灌區(qū)支流確定下游水位的方法一樣；但

4、通常提灌支渠向斗渠送水，多為水泵提水，這時可假設(shè)支渠末端水位不變，等于支渠的設(shè)計(jì)水位，而斗渠輪灌組中斗渠的分流量，由各斗渠提水水泵的抽水流量來確定。其他計(jì)算過程同自流灌區(qū)的支渠水流泥沙計(jì)算相同。2.3 斗渠水流泥沙計(jì)算(1)自流灌區(qū) 斗渠的情況與支渠相似，只是距離更短，可在各農(nóng)渠進(jìn)口設(shè)計(jì)斷面，農(nóng)渠也可分為幾次輪灌，如圖1是分兩次。因假設(shè)斗7、斗8、斗9入流量相等，故只須計(jì)算其中之一(如斗9)的水流泥沙過程就行。計(jì)算斗9第一次輪灌時，假設(shè)向3條農(nóng)渠放水，而且每條農(nóng)渠進(jìn)水流量也可根據(jù)其澆灌面積所占比例來分配斗渠的輸出流量，即可按各農(nóng)渠設(shè)計(jì)流量大小比例分配。這里假設(shè)其相等，則QE=1/3(QD-qE

5、D)式中 QE為農(nóng)渠E的進(jìn)水流量；QD為斗9渠的進(jìn)水流量；qED為斗9渠ED段流量的損失。同樣可根據(jù)每次輪灌最后一條農(nóng)渠的進(jìn)口流量(如Q)及該農(nóng)渠進(jìn)口斷面的水位流量關(guān)系，求出相對應(yīng)的水位。因此，斗9下游水位過程線亦可求出。而斗9的引水時間前面已求出，故斗9的水流泥沙傳輸過程也可用灌渠數(shù)學(xué)模型計(jì)算，并求出淤積量、淤積分布和床沙級配等。(2)提水灌區(qū) 提灌斗渠的進(jìn)口流量是由水泵的抽水流量確定的，但提灌斗渠向農(nóng)渠送水一般為自流，因此其他計(jì)算過程與自流灌區(qū)斗渠的水流泥沙計(jì)算相同。當(dāng)然，如果農(nóng)渠分水仍提水，則可假設(shè)斗渠末端的水位為設(shè)計(jì)水位(如在簸箕李灌區(qū)計(jì)算中取水深為0.5m0.8m)，各農(nóng)渠的水量由其

6、水泵的抽水流量決定，因此斗渠的水流泥沙過程用前述數(shù)學(xué)模型一樣可求。2.4 農(nóng)渠和田間的泥沙淤積農(nóng)渠和田間的水流泥沙過程是一樣的，根據(jù)農(nóng)渠各輪灌組的運(yùn)行時間及進(jìn)入農(nóng)渠流量、含沙量就可求出泥沙在農(nóng)渠和田間的淤積量。田間淤積分布的情況是農(nóng)渠放水口附近淤積較多、離放水口遠(yuǎn)處淤積較少。因?yàn)檫M(jìn)入田間的泥沙粒徑都相當(dāng)細(xì)，所以總體來看可假設(shè)田間淤積是平均分布的。何況每次耕作，土地都需要平整，因此均勻分布的假設(shè)對田間來說是可行的。           二干渠支渠二干渠斗渠調(diào) 度項(xiàng)目汛期非汛期汛期非汛期方

7、 案 上游下游上游下游上游下游上游下游1懸沙0.00800.00430.02350.02350.00430.00430.00890.0082床沙0.02000.00800.03000.03000.00800.00800.02000.01002懸沙0.00780.00780.01300.01300.00780.00600.00940.0094床沙0.02050.00780.03100.03100.0100.00900.02200.02203懸沙0.00880.00880.03900.03100.00880.00710.02000.0173床沙0.03220.00880.041

8、00.03900.02150.02050.03600.0290 圖2 三種方案干渠沿程累計(jì)淤積量圖3 三種方案灌區(qū)各部分淤積量占總引沙量的百分?jǐn)?shù)The amount of sediment deposition in primary canalfor different irrigation planThe amount of sediment deposition in Bojili Irrigation District for different irrigation plan通過分析簸箕李灌區(qū)1990年1992年的引水引沙實(shí)測資料，選取1991年12月4日1992年10月20

9、日為典型水沙條件年。應(yīng)用渠網(wǎng)水沙調(diào)度數(shù)學(xué)模型，對上述三種渠網(wǎng)水沙調(diào)度方案進(jìn)行系統(tǒng)計(jì)算，得出灌區(qū)引黃河泥沙313.24萬m3，退水渠道排沙71.227萬m3，即灌區(qū)泥沙淤積總量為242.013萬m3。泥沙分布計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3、表1與表2。由上述圖表可見，同時配水方案各級渠道淤積量都較大，輸送至田間的泥沙較少；集中輪灌方案渠道淤積量相對減小，輸送至田間的泥沙增多。兩方案得出的結(jié)果和灌區(qū)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果是一致的。在實(shí)際運(yùn)行中，為減少泥沙在渠道的淤積，應(yīng)盡量采用集中輪灌方式引水。集中輪灌方式下將沉沙條渠改為普通干渠，二干渠和相應(yīng)支渠的淤積量都有所增加，輸送至田間的泥沙量增多了。在灌區(qū)實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)沉沙

10、條渠使用年限較長或由于客觀原因未能進(jìn)行即時清淤時，沉沙條渠的落淤效果大大降低，結(jié)果使泥沙在干渠、支渠淤積量增多，這與計(jì)算結(jié)果也是一致的。從泥沙顆粒粒徑沿程分布看，各方案由干渠至支渠至斗渠的泥沙粒徑沿程變細(xì)，這和渠網(wǎng)泥沙分布特性一致。同時配水時的支渠、斗渠下游泥沙顆粒粒徑較集中配水為小，說明集中輪灌有利于減小渠道淤積，使泥沙向下級渠道乃至向田間輸送。將沉沙條渠改普通干渠方案同等級渠道中懸沙、床沙粒徑均較大，說明不設(shè)沉沙條渠將加大粗顆粒泥沙遠(yuǎn)輸。4 結(jié)論本文應(yīng)用灌溉渠網(wǎng)水沙調(diào)度數(shù)學(xué)模型對引黃灌區(qū)泥沙調(diào)度問題進(jìn)行了探討，并結(jié)合簸箕李灌區(qū)，根據(jù)泥沙處理和灌溉方式不同，對三種調(diào)度方案進(jìn)行了計(jì)算，揭示了渠系泥沙淤積及分布特性，經(jīng)比較得知：渠首設(shè)立沉沙池，對減少進(jìn)入渠系泥沙、攔粗排細(xì)、減少渠系淤積是有利的，但須解決好沉沙池淤泥的出路問題。集中輪灌與分散引水方案相比，渠系泥沙淤積量小，輸送至田間的泥沙量多。說明集中輪灌是減少渠系淤積，加大泥沙輸送至田間的有效的引水方式。通過對簸箕李灌區(qū)所進(jìn)行的幾種灌溉