渠網(wǎng)灌溉水沙調(diào)度分析論文

導(dǎo)語(yǔ)：渠網(wǎng)灌溉水沙調(diào)度分析論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

隨著引黃灌溉事業(yè)的發(fā)展，泥沙問(wèn)題日益突出。引黃泥沙的處理不但影響沿黃兩岸地區(qū)的工農(nóng)業(yè)效益，還將造成土地沙化，成為影響環(huán)境的公害。

渠網(wǎng)水沙調(diào)度的目的是通過(guò)不同的泥沙處理和灌區(qū)布置方式，進(jìn)行泥沙遠(yuǎn)距離輸送，使進(jìn)入渠道的泥沙得到合理的安排。這也正是引黃灌溉泥沙安排的戰(zhàn)略方向。

2渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型的計(jì)算方法

黃河下游引黃灌區(qū)灌溉渠道的分布均可概化成干、支、斗、農(nóng)、田的結(jié)構(gòu)形式，即水流自上而下逐級(jí)分流直至田間。干渠的水沙運(yùn)動(dòng)可用灌渠水流泥沙數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1])。如果將支渠看成是干渠、斗渠看成是支渠，則支渠的沖淤計(jì)算也與干渠一樣，而斗渠和農(nóng)渠又可看成是支渠與斗渠的模式，這樣整個(gè)灌區(qū)的干、支、斗、農(nóng)渠直至田間的水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程都可求出，因此以灌渠水流泥沙數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，考慮不同灌溉渠道中引水、灌溉形式等，即可建立用于泥沙調(diào)度的渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型。

由于一個(gè)灌區(qū)的支、斗、農(nóng)渠很多，如果通過(guò)對(duì)每條渠道的計(jì)算來(lái)求全灌區(qū)的淤積及分布則十分繁雜。因此在渠網(wǎng)水沙調(diào)度模型中，根據(jù)具體情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。首先把灌區(qū)內(nèi)自流灌區(qū)與提水灌區(qū)分開(kāi)；然后根據(jù)平面位置、地形情況、種植作物異同等分成幾片(可包括幾個(gè)支渠灌溉系)；再分別找出有代表性的典型支渠灌溉系，進(jìn)行支、斗、農(nóng)至田間的泥沙淤積及分布計(jì)算；最后用各代表支渠系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，推算出各片的泥沙淤積分布情況，即可計(jì)算出整個(gè)灌區(qū)(包括自流灌區(qū)和提水灌區(qū))的泥沙淤積分布。下面詳細(xì)介紹各級(jí)渠道的水沙計(jì)算方法。

2.1干渠水流泥沙計(jì)算

一般情況下，干渠的進(jìn)、出口邊界條件(即進(jìn)口水沙、出口水位過(guò)程)是已知的，這些資料可以在干渠實(shí)際運(yùn)行中得到，支渠分流分沙量可根據(jù)不同灌溉情況確定。

(1)自流灌區(qū)：用已知的干渠進(jìn)出口流量差，減去渠道輸水損失，即可得干渠向支渠輪灌組的總送水流量。因各支渠的分流量一般沒(méi)有實(shí)測(cè)資料，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進(jìn)行分配，自流灌溉支渠的引水引沙比相當(dāng)。

(2)提水灌區(qū)：各提灌支渠的引水流量根據(jù)各泵站的提水流量確定，此時(shí)，干渠進(jìn)出口流量差減去各支渠總的提灌流量，即為干渠的損失流量。值得注意的是提灌支渠引沙比大于引水比，一般取其比值為1.07。

根據(jù)干渠進(jìn)、出口及支渠分流分沙條件，用灌渠數(shù)學(xué)模型即可計(jì)算出干渠各計(jì)算斷面的水流泥沙情況，如文獻(xiàn)[1]中簸箕李灌區(qū)干渠的驗(yàn)算。

2.2支渠水流泥沙計(jì)算

在干渠水沙計(jì)算的過(guò)程中，可以得到支渠進(jìn)口斷面的水位、流量、含沙量和懸沙級(jí)配。將有斗渠進(jìn)水閘的地點(diǎn)設(shè)立計(jì)算斷面，根據(jù)不同的灌溉方式求出農(nóng)渠分水分沙量及支渠末端的水位。

(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(shí)，支渠出口水位為斗9進(jìn)水閘門(mén)前的水位；當(dāng)支渠向斗渠第二輪灌組送水時(shí)，斗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(lái)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(gè)斗渠，每個(gè)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(lái)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(gè)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

Therotationirrigationsketchof

irrigationdistrictbygravityflow

QD=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(mén)的水位流量關(guān)系，可得出斗9進(jìn)水口門(mén)前的水位，故支渠的下游水位過(guò)程也就能確定。斗渠第一輪灌組澆一次水的運(yùn)行時(shí)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(shí)間也可求出。則整個(gè)支渠澆一次水的開(kāi)閘放水時(shí)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(jí)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(lái)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；但通常提灌支渠向斗渠送水，多為水泵提水，這時(shí)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(lái)確定。其他計(jì)算過(guò)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(guò)程就行。計(jì)算斗9第一次輪灌時(shí)，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(lái)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-qED)

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E)及該農(nóng)渠進(jìn)口斷面的水位流量關(guān)系，求出相對(duì)應(yīng)的水位。因此，斗9下游水位過(guò)程線亦可求出。而斗9的引水時(shí)間前面已求出，故斗9的水流泥沙傳輸過(guò)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(jí)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(guò)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0.5m～0.8m)，各農(nóng)渠的水量由其水泵的抽水流量決定，因此斗渠的水流泥沙過(guò)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(guò)程是一樣的，根據(jù)農(nóng)渠各輪灌組的運(yùn)行時(shí)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(lái)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(duì)田間來(lái)說(shuō)是可行的。

3簸箕李灌區(qū)渠網(wǎng)水沙調(diào)度方案計(jì)算

渠網(wǎng)水沙調(diào)度的目的是通過(guò)不同的泥沙處理和灌溉方式，使進(jìn)入渠道的泥沙得到合理的安排，運(yùn)用渠網(wǎng)泥沙調(diào)度模型，可以比較不同調(diào)度方案的泥沙淤積及分布情況，以供生產(chǎn)實(shí)際參考。現(xiàn)以簸箕李灌區(qū)為例，對(duì)幾種可行調(diào)度方案進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1水沙調(diào)度方案

灌區(qū)泥沙處理方式按渠首布置方式的不同分為集中處理和分散處理兩種方式。集中處理是在渠首引水閘后設(shè)立沉沙池，渾水經(jīng)過(guò)沉沙池，粗顆粒泥沙大量集中落淤，含較細(xì)顆粒泥沙的渾水逐次分流進(jìn)入各級(jí)渠道和田間；分散處理則不設(shè)沉沙池，直接把泥沙分散到渠道和田間。當(dāng)沉沙池作用未得到較好的發(fā)揮時(shí)，也屬于這種情況。

灌區(qū)灌溉方式分同時(shí)配水和集中輪灌。同時(shí)配水是指灌溉期間，渠道內(nèi)所有的引水閘門(mén)全部開(kāi)啟，同時(shí)澆灌渠道所負(fù)責(zé)的灌溉面積；集中輪灌是指將渠道所擔(dān)負(fù)的灌溉面積分成幾組，按由下游至上游的順序，輪流灌溉每組。不同的泥沙處理和灌溉方式，都將導(dǎo)致泥沙在灌區(qū)的分布情況發(fā)生變化。在此僅詳細(xì)討論以下三種方案下計(jì)算結(jié)果：①設(shè)沉沙池，同時(shí)配水；②設(shè)沉沙池，集中輪灌；③改沉沙條渠為一般的干渠，集中輪灌。

3.2渠網(wǎng)水沙調(diào)度方案計(jì)算結(jié)果分析

Theamountofsedimentdepositioninprimarycanalfordifferentirrigationplan

TheamountofsedimentdepositioninBojiliIrrigationDistrictfordifferentirrigationplan

通過(guò)分析簸箕李灌區(qū)1990年～1992年的引水引沙實(shí)測(cè)資料，選取1991年12月4日～1992年10月20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(duì)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(wàn)m3，退水渠道排沙71.227萬(wàn)m3，即灌區(qū)泥沙淤積總量為242.013萬(wàn)m3。泥沙分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3、表1與表2。

由上述圖表可見(jiàn)，同時(shí)配水方案各級(jí)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(duì)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)沉沙條渠使用年限較長(zhǎng)或由于客觀原因未能進(jìn)行即時(shí)清淤時(shí)，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(shí)配水時(shí)的支渠、斗渠下游泥沙顆粒粒徑較集中配水為小，說(shuō)明集中輪灌有利于減小渠道淤積，使泥沙向下級(jí)渠道乃至向田間輸送。將沉沙條渠改普通干渠方案同等級(jí)渠道中懸沙、床沙粒徑均較大，說(shuō)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(duì)引黃灌區(qū)泥沙調(diào)度問(wèn)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(duì)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(duì)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(wèn)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(shuō)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(guò)對(duì)簸箕李灌區(qū)所進(jìn)行的幾種灌溉運(yùn)行方式的對(duì)比計(jì)算可見(jiàn)，用此渠系泥沙調(diào)度數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬灌區(qū)水流泥沙的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)灌區(qū)進(jìn)行科學(xué)管理、合理利用處理泥沙以及灌區(qū)設(shè)計(jì)都是一種相當(dāng)方便而又可靠的手段。

參考文獻(xiàn)

[1]黃永健，毛繼新。黃河下游灌渠水流泥沙數(shù)學(xué)模型。泥沙研究，1997，(3).

[2]蔣如琴，彭潤(rùn)澤，黃永健等。引黃渠系泥沙利用。黃河水利出版社，1998年5月。