費(fèi)祥俊

（清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

黃河下游的河南、山東兩省建有規(guī)模很大的引黃灌區(qū)，其中萬(wàn)畝（15 畝為1 hm2）以上灌區(qū)近100 處，年均引水量約100 億m3，引沙量達(dá)1.2 億t。 如何輸送這些泥沙，避免渠道堵塞，是灌區(qū)工程建設(shè)應(yīng)考慮的重要問(wèn)題。 沿黃兩岸分布有適宜沉沙的天然低洼自流區(qū)，利用渠首沉沙池集中沉沙是早期引黃泥沙處理的主要方式。

由于早期渠道設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)用管理不當(dāng)，因此泥沙淤積嚴(yán)重。 山東省地面平緩，坡降為1／7 000 ～1／8 000，渠道輸沙能力受限制，選擇修建沉沙池以減輕渠道淤積。 然而引黃泥沙大部分淤積在沉沙池和渠系內(nèi)，送入田間的泥沙很少。 如典型的位山灌區(qū)，兩條各15 km 長(zhǎng)的東西輸沙渠，形成了寬100 m 左右、高6 m的堆沙帶，占地400 多hm2。 河南省黃河比降較大，地形有利于輸沙，但在局部地區(qū)也有嚴(yán)重淤積，如人民勝利渠灌區(qū)東三干渠兩側(cè)，渠道清淤堆沙量也非常可觀，同樣有土地沙化現(xiàn)象［1－2］。 采用清淤方法，將清出的泥沙集中堆積在灌區(qū)的上游地段，不僅會(huì)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還將壓占堆沙土地、引起土地沙化、造成風(fēng)沙災(zāi)害，嚴(yán)重影響周圍的生態(tài)環(huán)境。

如果利用黃河下游輸沙平衡關(guān)系優(yōu)化渠道設(shè)計(jì)斷面，可大幅度提高渠道輸沙能力，實(shí)現(xiàn)輸沙入田，既有利于減少下游河道淤積，又能為引黃灌溉帶來(lái)巨大效益。 引黃輸沙渠道的設(shè)計(jì)，一要有可靠的黃河下游河道輸沙能力或不淤流速公式，二要采用最優(yōu)或較優(yōu)的渠道斷面形態(tài)。 但現(xiàn)有的渠道輸沙能力公式大多為觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)繪得來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，這些觀察點(diǎn)據(jù)多數(shù)不符合平衡輸沙條件。 由于各人引用資料及處理方法不同，因此出現(xiàn)很多互不通用的輸沙能力或不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式，至于渠道斷面形態(tài)優(yōu)化問(wèn)題更未考慮。 因此，筆者利用研究得到的相關(guān)公式，計(jì)算最優(yōu)斷面參數(shù)，從而優(yōu)化渠道設(shè)計(jì)。

1 黃河下游河道輸沙能力及不淤流速關(guān)系式的建立

根據(jù)最近研究，黃河下游河道輸沙平衡關(guān)系為［3］

式中：J為比降；R為水力半徑；Sv為體積比含沙量，代表河道的輸沙能力；Q為流量；M為河道斷面參數(shù)，為濕周P與水力半徑R之比，對(duì)寬淺型河道為寬深比。

將流量公式Q＝MR2U代入式（1）中的水力半徑公式，可得黃河下游輸沙能力和不淤流速公式：

式中：U為不淤流速；h為水深。

對(duì)于不淤流速， 常用的還有肯尼迪公式U＝0.548h0.64，拉塞公式U＝0.645R0.5等［4］。

2 輸沙渠道的斷面參數(shù)及優(yōu)化

由式（2）可知，在流量和水深一定時(shí)，輸沙能力Sv與M和R均為負(fù)相關(guān)。 為了求出最小的M，可以寫(xiě)出渠道濕周P和斷面面積A的計(jì)算公式［5］：

式中：B為河寬；m為邊坡系數(shù)。

式（3）中兩式消去B，由于R＝A／P及M＝P2／A，因此

為使式（4）有解，最小斷面參數(shù)為

此時(shí)R＝h／2 同樣取得最小值，所以此斷面參數(shù)下的輸沙能力是最強(qiáng)的。 考慮工程經(jīng)濟(jì)及施工條件等因素，梯形斷面邊坡系數(shù)可隨設(shè)計(jì)流量增大而增大，建議的m值見(jiàn)表1。

表1 不同流量下梯形斷面邊坡系數(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于流量變化、地形條件及其他各種原因，因此不可能也沒(méi)有必要嚴(yán)格采用Mmin。 為了在設(shè)計(jì)流量下留有余地，斷面參數(shù)M值可略大于Mmin。 為此，參考式（5），不同設(shè)計(jì)流量下M的適宜取值見(jiàn)表2［6－7］。

表2 不同流量下梯形斷面參數(shù)M 適宜值

當(dāng)前，許多引黃灌區(qū)渠道邊坡系數(shù)不滿足最優(yōu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致占地面積大，且輸沙效果不理想。 利用式（5）、表1 和表2，可以對(duì)其優(yōu)化改進(jìn)。 圖1 展示了山東簸箕李灌區(qū)總干渠優(yōu)化前后的對(duì)比，在相同流量及縱坡下，優(yōu)化設(shè)計(jì)渠道斷面面積不到原設(shè)計(jì)的一半，而輸沙能力卻增加到原來(lái)的十幾倍，這說(shuō)明此優(yōu)化方案是有效的。 具體計(jì)算將在下文展開(kāi)。

圖1 山東簸箕李灌區(qū)總干渠斷面原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)對(duì)比

3 渠道斷面優(yōu)化計(jì)算方法及討論

3.1 設(shè)計(jì)流量下的渠道斷面尺寸計(jì)算

引黃灌溉渠道的縱坡受制于地形條件，流量則取決于灌溉面積及植物需水情況，故J和Q是已知量，設(shè)計(jì)主要任務(wù)是確定斷面尺寸及核算渠道的輸沙能力。

以山東濱州簸箕李灌區(qū)總干渠為例，引水設(shè)計(jì)流量Q＝65 m3／s，渠道縱坡J＝1／5 000，采用邊坡系數(shù)m＝2的梯形斷面并加襯砌。 根據(jù)表2，取M＝11.3。 由式（1）可計(jì)算得到Sv＝0.070，R＝1.79 m，再計(jì)算出濕周P＝MR＝20.23 m。 對(duì)式（3）中兩式聯(lián)解，消去B，則有：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合一般h／R＝1.3 ～1.7，即可解出h＝2.64 m，根據(jù)式（3）得B＝8.42 m。 渠道原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。 其中，原設(shè)計(jì)的U是實(shí)際流速，改進(jìn)以后的U是通過(guò)式（2）計(jì)算的不淤流速，通過(guò)肯尼迪公式和拉塞公式計(jì)算的結(jié)果分別為1.02、0.86 m／s。 由表3 可知，相同設(shè)計(jì)流量及縱坡下，新設(shè)計(jì)輸沙渠道的過(guò)流面積不到原設(shè)計(jì)渠道的一半，表明其占地面積及工程量遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)值。 原設(shè)計(jì)的輸沙能力只有新設(shè)計(jì)的7%，所以必然要淤積。

表3 簸箕李灌區(qū)總干渠原設(shè)計(jì)與新設(shè)計(jì)比較

再如河南人民勝利新東一干渠［2］，是20 世紀(jì)50年代初期修建的人民勝利渠的一部分。 對(duì)比原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)，見(jiàn)表4。 用肯尼迪公式和拉塞公式計(jì)算出的不淤流速分別為0.91、0.74 m／s，雖然小于原設(shè)計(jì)流速，但這里原渠道的最大輸沙量只有最優(yōu)值的17%，來(lái)沙過(guò)多同樣會(huì)導(dǎo)致淤積嚴(yán)重。

表4 人民勝利新東一干渠原設(shè)計(jì)與新設(shè)計(jì)比較

由表3 和表4 可知，原設(shè)計(jì)斷面參數(shù)都偏離優(yōu)化值，前者偏大，后者偏小，都會(huì)造成淤積。 需要注意的是，根據(jù)曼寧公式計(jì)算，新設(shè)計(jì)渠道的曼寧粗糙度都在0.02 左右。 工程上為了達(dá)到這樣較小的粗糙度，可以用混凝土襯砌渠道。 這樣不僅能提高輸水輸沙效率，還能防沖固坡，保障生產(chǎn)安全，在包括勝利干渠在內(nèi)的全國(guó)各地都得到了廣泛利用［8］。 當(dāng)然，這樣計(jì)算出的Sv只是理論值，實(shí)際輸沙效果還要取決于實(shí)際工程。

3.2 流量和含沙量對(duì)渠道水深變化的影響

渠道運(yùn)用流量一般大于設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)確定的渠道底寬不變，水深將隨流量加大有所增加。 仍以簸箕李灌區(qū)為例，水深和其他渠道參數(shù)與流量的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 簸箕李灌區(qū)總干渠加大流量后的參數(shù)

增大流量以后，輸沙能力有所增加，但同時(shí)也會(huì)造成水深加大。 當(dāng)流量增大到設(shè)計(jì)值的兩倍時(shí)，超高達(dá)到了1.27 m，已經(jīng)過(guò)大。 這說(shuō)明運(yùn)用流量也應(yīng)當(dāng)有所限制。

另外，式（1）中的Sv是平衡條件下的渠道輸沙潛力，而實(shí)際來(lái)自河道的Sv相對(duì)很小。 通過(guò)類似的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，來(lái)沙減少同樣會(huì)造成超高增加，所以輸沙渠道優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮來(lái)水來(lái)沙可能變化范圍，確定適當(dāng)?shù)臄嗝嫠畛咧怠?正常而言，優(yōu)化設(shè)計(jì)的渠道輸沙能力有富余，淤積出現(xiàn)的概率很低。 但運(yùn)用流量持續(xù)小于設(shè)計(jì)流量，渠道也會(huì)有累積性淤積。 渠道運(yùn)用中，應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)時(shí)段低于設(shè)計(jì)流量運(yùn)用。

4 結(jié)語(yǔ)和建議

開(kāi)展引黃灌溉渠道優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升渠道輸沙能力，輸沙入田，不僅有利于發(fā)展黃河下游沿黃兩省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還會(huì)改善黃河下游河道條件和灌區(qū)土壤環(huán)境，有助于黃河流域的高質(zhì)量發(fā)展，值得高度重視。

研究發(fā)現(xiàn)，引黃渠首及渠系泥沙淤積嚴(yán)重的原因，除運(yùn)用不當(dāng)外，主要是早期渠道設(shè)計(jì)不合理，沒(méi)有根據(jù)可靠的河段輸沙能力或不淤流速公式來(lái)核算渠道的輸沙能力，更沒(méi)有根據(jù)水力最優(yōu)斷面參數(shù)來(lái)確定渠道斷面尺寸［9］。 淤積問(wèn)題出現(xiàn)后，有關(guān)單位進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，包括采用U 形斷面、增加襯砌及提高縱坡等，但缺乏基礎(chǔ)性研究，基本上仍用20 世紀(jì)50 年代以來(lái)的各種輸沙能力經(jīng)驗(yàn)公式，或新增一些經(jīng)驗(yàn)公式，以致渠首及渠系泥沙淤積改善不多，清淤泥沙不斷積累，影響周邊地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量。

最優(yōu)斷面參數(shù)可為黃河下游引黃渠道設(shè)計(jì)或改造提供新的理論支持。 為此，建議應(yīng)用新的科技成果，逐步改造引黃渠系。 輸沙渠道優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理與方法，同樣適用于黃河下游的放淤渠道，從而實(shí)現(xiàn)高含沙水流遠(yuǎn)距離輸送。 對(duì)于放淤渠道，還可利用灘區(qū)橫比降大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)尺度相對(duì)較小的渠道輸沙淤灘或兩岸洼地。

需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題有兩個(gè)：一是渠道斷面優(yōu)化，水力半徑減小，可能導(dǎo)致輸送距離縮短，影響輸沙入田；二是渠道斷面優(yōu)化，更有利于高含沙水流輸送，但仍需要討論如何控制渠道水流的含沙量，充分利用其輸沙能力。