引黄灌溉渠网水沙调度模型(黄永健, 张燕菁, 毛继新, 鲁文)

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引黄灌溉渠网水沙调度模型

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黄永健张燕菁毛继新, 鲁 文

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(中国水利水电科学研究院)

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摘要:根据引黄灌区渠网特点,在黄河下游灌渠水流泥沙数学模型[1]的基础上,进一步分析了干、支、斗、农渠等的灌溉及水流泥沙运动特性,介绍了灌溉渠网水沙调度模型水流泥沙计算方法。最后以簸箕李灌区为例,对不同灌溉方案渠道淤积及泥沙分布进行了计算分析。

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关键词:灌溉; 渠网; 调度模型

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基金项目国家自然科学基金和水利部联合资助项目(59890200)水利论文4i0HB p4i;V

作者简介:黄永健(1940-),男,中国水科院教授级高工。水利论文Z O ]*U5\x pK

1 前言

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  随着引黄灌溉事业的发展,泥沙问题日益突出。引黄泥沙的处理不但影响沿黄两岸地区的工农业效益,还将造成土地沙化,成为影响环境的公害。

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  渠网水沙调度的目的是通过不同的泥沙处理和灌区布置方式,进行泥沙远距离输送,使进入渠道的泥沙得到合理的安排。这也正是引黄灌溉泥沙安排的战略方向。

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2 渠网水沙调度模型的计算方法

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  黄河下游引黄灌区灌溉渠道的分布均可概化成干、支、斗、农、田的结构形式,即水流自上而下逐级分流直至田间。干渠的水沙运动可用灌渠水流泥沙数学模型来计算(详见文献[1])。如果将支渠看成是干渠、斗渠看成是支渠,则支渠的冲淤计算也与干渠一样,而斗渠和农渠又可看成是支渠与斗渠的模式,这样整个灌区的干、支、斗、农渠直至田间的水沙运动过程都可求出,因此以灌渠水流泥沙数学模型为基础,考虑不同灌溉渠道中引水、灌溉形式等,即可建立用于泥沙调度的渠网水沙调度模型。

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  由于一个灌区的支、斗、农渠很多,如果通过对每条渠道的计算来求全灌区的淤积及分布则十分繁杂。因此在渠网水沙调度模型中,根据具体情况进行了简化。首先把灌区内自流灌区与提水灌区分开;然后根据平面位置、地形情况、种植作物异同等分成几片(可包括几个支渠灌溉系);再分别找出有代表性的典型支渠灌溉系,进行支、斗、农至田间的泥沙淤积及分布计算;最后用各代表支渠系统的计算结果,推算出各片的泥沙淤积分布情况,即可计算出整个灌区(包括自流灌区和提水灌区)的泥沙淤积分布。下面详细介绍各级渠道的水沙计算方法。水利论文xpwH6N([U^Y

2.1 干渠水流泥沙计算

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  一般情况下,干渠的进、出口边界条件(即进口水沙、出口水位过程)是已知的,这些资料可以在干渠实际运行中得到,支渠分流分沙量可根据不同灌溉情况确定。水利论文H/kB:j!\(]C |$cM

  (1)自流灌区:用已知的干渠进出口流量差,减去渠道输水损失,即可得干渠向支渠轮灌组的总送水流量。因各支渠的分流量一般没有实测资料,可根据其设计流量在该轮灌组设计流量总和中所占比例进行分配,自流灌溉支渠的引水引沙比相当。

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  (2)提水灌区:各提灌支渠的引水流量根据各泵站的提水流量确定,此时,干渠进出口流量差减去各支渠总的提灌流量,即为干渠的损失流量。值得注意的是提灌支渠引沙比大于引水比,一般取其比值为1.07。水利论文2b r7X^3p&E

  根据干渠进、出口及支渠分流分沙条件,用灌渠数学模型即可计算出干渠各计算断面的水流泥沙情况,如文献[1]中簸箕李灌区干渠的验算。

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2.2 支渠水流泥沙计算

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  在干渠水沙计算的过程中,可以得到支渠进口断面的水位、流量、含沙量和悬沙级配。将有斗渠进水闸的地点设立计算断面,根据不同的灌溉方式求出农渠分水分沙量及支渠末端的水位。

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    (1)自流灌区 图1是灌区轮灌示意图,当支渠向斗渠第一轮灌组送水时,支渠出口水位为斗9进水闸门前的水位;当支渠向斗渠第二轮灌组送水时,斗7~斗9是关闭的,假设第二轮灌组最后一斗渠为斗6,则斗6进水闸前的水位为支渠的出口水位,其余可以类推。支渠出口水位可根据轮灌组最后一斗渠进水闸前的水位来确定。

_i~ i vzt0    支渠进口流量减去支渠水流的损失,即为出口流量。同一斗渠轮灌组内有几个斗渠,每个斗渠的分流量,可根据其设计流量在该轮灌组设计流量总和中所占比例来确定。如图1,斗7、斗8、斗9负担浇灌的田间面积相等,则其设计流量也应相等,即三个斗渠的分流量亦相等,故斗9的进口流量为水利论文c uR c%x.A Ok(Mk h

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图1 自流灌区支渠、农渠、斗渠轮灌示意图水利论文Z8C(s$b|;g Fjq;b

The rotation irrigation sketch of
qcS(k}#P"c9e4T4b0irrigation district by gravity flow

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QD=1/3(QD-qAD)

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式中 QD为斗9的进口流量;QA为支渠的进口流量;qAD为支渠AD段流量损失。

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  根据斗渠进口流量及口门的水位流量关系,可得出斗9进水口门前的水位,故支渠的下游水位过程也就能确定。斗渠第一轮灌组浇一次水的运行时间,可根据该组控制灌溉面积的需水量求出。同理第二、第三轮灌组的运行时间也可求出。则整个支渠浇一次水的开闸放水时间也可知,利用灌渠数学模型就可计算出这次放水期间支渠的泥沙淤积量、淤积分布和床沙级配等。

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  (2)提水灌区 提灌支渠的进口流量由扬水站抽水量来确定。如果支渠向斗渠送水是自流,则确定支渠下游水位的方法与自流灌区支流确定下游水位的方法一样;但通常提灌支渠向斗渠送水,多为水泵提水,这时可假设支渠末端水位不变,等于支渠的设计水位,而斗渠轮灌组中斗渠的分流量,由各斗渠提水水泵的抽水流量来确定。其他计算过程同自流灌区的支渠水流泥沙计算相同。

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2.3 斗渠水流泥沙计算

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  (1)自流灌区 斗渠的情况与支渠相似,只是距离更短,可在各农渠进口设计断面,农渠也可分为几次轮灌,如图1是分两次。因假设斗7、斗8、斗9入流量相等,故只须计算其中之一(如斗9)的水流泥沙过程就行。计算斗9第一次轮灌时,假设向3条农渠放水,而且每条农渠进水流量也可根据其浇灌面积所占比例来分配斗渠的输出流量,即可按各农渠设计流量大小比例分配。这里假设其相等,则

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QE=1/3(QD-qED)

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式中 QE为农渠E的进水流量;QD为斗9渠的进水流量;qED为斗9渠ED段流量的损失。

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  同样可根据每次轮灌最后一条农渠的进口流量(如QE)及该农渠进口断面的水位流量关系,求出相对应的水位。因此,斗9下游水位过程线亦可求出。而斗9的引水时间前面已求出,故斗9的水流泥沙传输过程也可用灌渠数学模型计算,并求出淤积量、淤积分布和床沙级配等。水利论文miVw,V}i@qg@

  (2)提水灌区 提灌斗渠的进口流量是由水泵的抽水流量确定的,但提灌斗渠向农渠送水一般为自流,因此其他计算过程与自流灌区斗渠的水流泥沙计算相同。当然,如果农渠分水仍提水,则可假设斗渠末端的水位为设计水位(如在簸箕李灌区计算中取水深为0.5m~0.8m),各农渠的水量由其水泵的抽水流量决定,因此斗渠的水流泥沙过程用前述数学模型一样可求。

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2.4 农渠和田间的泥沙淤积水利论文.O!{I5t#l^%?;U^

  农渠和田间的水流泥沙过程是一样的,根据农渠各轮灌组的运行时间及进入农渠流量、含沙量就可求出泥沙在农渠和田间的淤积量。田间淤积分布的情况是农渠放水口附近淤积较多、离放水口远处淤积较少。因为进入田间的泥沙粒径都相当细,所以总体来看可假设田间淤积是平均分布的。何况每次耕作,土地都需要平整,因此均匀分布的假设对田间来说是可行的。

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3 簸箕李灌区渠网水沙调度方案计算水利论文)S:xj#iB7tE'M

  渠网水沙调度的目的是通过不同的泥沙处理和灌溉方式,使进入渠道的泥沙得到合理的安排,运用渠网泥沙调度模型,可以比较不同调度方案的泥沙淤积及分布情况,以供生产实际参考。现以簸箕李灌区为例,对几种可行调度方案进行计算分析。水利论文-J\?p3G2\ o7st0sO

3.1 水沙调度方案水利论文`|5D6h S

  灌区泥沙处理方式按渠首布置方式的不同分为集中处理和分散处理两种方式。集中处理是在渠首引水闸后设立沉沙池,浑水经过沉沙池,粗颗粒泥沙大量集中落淤,含较细颗粒泥沙的浑水逐次分流进入各级渠道和田间;分散处理则不设沉沙池,直接把泥沙分散到渠道和田间。当沉沙池作用未得到较好的发挥时,也属于这种情况。

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  灌区灌溉方式分同时配水和集中轮灌。同时配水是指灌溉期间,渠道内所有的引水闸门全部开启,同时浇灌渠道所负责的灌溉面积;集中轮灌是指将渠道所担负的灌溉面积分成几组,按由下游至上游的顺序,轮流灌溉每组。不同的泥沙处理和灌溉方式,都将导致泥沙在灌区的分布情况发生变化。在此仅详细讨论以下三种方案下计算结果:①设沉沙池,同时配水;②设沉沙池,集中轮灌;③改沉沙条渠为一般的干渠,集中轮灌。

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3.2 渠网水沙调度方案计算结果分析

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表1 自流典型干渠、支渠、斗渠泥沙中值粒径沿程分布(单位mm)

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The distribution of mid size of bed sediment in gravity irrigation district

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干渠总干渠支渠总干渠斗渠

项目汛期非汛期汛期非汛期汛期非汛期

上游下游上游下游上游下游上游下游上游下游上游下游

1悬沙0.00970.00790.03770.02380.00800.00500.01850.00690.00500.00440.00890.0044
床沙0.06250.02850.06250.03550.03470.01320.04000.01200.02120.00880.02130.0120

2悬沙0.00970.00780.03770.01300.00780.00770.00960.00760.00760.00530.00950.0075
床沙0.06250.03100.06250.03800.01000.01000.02280.03220.03220.02050.02400.0197

3悬沙0.00970.00890.03770.03130.00870.00870.01490.00870.00870.00540.01400.0068
床沙0.06250.03700.06250.03920.02270.02270.04600.03320.03320.01900.03800.0219

表2 提灌典型支渠、斗渠泥沙中值粒径沿程分布(单位mm)水利论文-p[ lK\^

The distribution of mid size of bed sediment in lift irrigation district水利论文'bz'[*S:Kl"i


二干渠支渠二干渠斗渠

项目汛期非汛期汛期非汛期

上游下游上游下游上游下游上游下游

1悬沙0.00800.00430.02350.02350.00430.00430.00890.0082
床沙0.02000.00800.03000.03000.00800.00800.02000.0100

2悬沙0.00780.00780.01300.01300.00780.00600.00940.0094
床沙0.02050.00780.03100.03100.0100.00900.02200.0220

3悬沙0.00880.00880.03900.03100.00880.00710.02000.0173
床沙0.03220.00880.04100.03900.02150.02050.03600.0290

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图2 三种方案干渠沿程累计淤积量水利论文,eCqiv j}YM-M

图3 三种方案灌区各部分淤积量占总引沙量的百分数水利论文gW)}8@K1x ~5A:W

The amount of sediment deposition in primary canalfor different irrigation plan水利论文m'Pd9jJ _0CGU8`\

The amount of sediment deposition in Bojili Irrigation District for different irrigation plan水利论文Xr"yoa

  通过分析簸箕李灌区1990年~1992年的引水引沙实测资料,选取1991年12月4日~1992年10月20日为典型水沙条件年。应用渠网水沙调度数学模型,对上述三种渠网水沙调度方案进行系统计算,得出灌区引黄河泥沙313.24万m3,退水渠道排沙71.227万m3,即灌区泥沙淤积总量为242.013万m3。泥沙分布计算结果见图2、图3、表1与表2。

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  由上述图表可见,同时配水方案各级渠道淤积量都较大,输送至田间的泥沙较少;集中轮灌方案渠道淤积量相对减小,输送至田间的泥沙增多。两方案得出的结果和灌区实际运行结果是一致的。在实际运行中,为减少泥沙在渠道的淤积,应尽量采用集中轮灌方式引水。

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  集中轮灌方式下将沉沙条渠改为普通干渠,二干渠和相应支渠的淤积量都有所增加,输送至田间的泥沙量增多了。在灌区实际运行中,当沉沙条渠使用年限较长或由于客观原因未能进行即时清淤时,沉沙条渠的落淤效果大大降低,结果使泥沙在干渠、支渠淤积量增多,这与计算结果也是一致的。从泥沙颗粒粒径沿程分布看,各方案由干渠至支渠至斗渠的泥沙粒径沿程变细,这和渠网泥沙分布特性一致。同时配水时的支渠、斗渠下游泥沙颗粒粒径较集中配水为小,说明集中轮灌有利于减小渠道淤积,使泥沙向下级渠道乃至向田间输送。将沉沙条渠改普通干渠方案同等级渠道中悬沙、床沙粒径均较大,说明不设沉沙条渠将加大粗颗粒泥沙远输。

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4 结论

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  本文应用灌溉渠网水沙调度数学模型对引黄灌区泥沙调度问题进行了探讨,并结合簸箕李灌区,根据泥沙处理和灌溉方式不同,对三种调度方案进行了计算,揭示了渠系泥沙淤积及分布特性,经比较得知:渠首设立沉沙池,对减少进入渠系泥沙、拦粗排细、减少渠系淤积是有利的,但须解决好沉沙池淤泥的出路问题。

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  集中轮灌与分散引水方案相比,渠系泥沙淤积量小,输送至田间的泥沙量多。说明集中轮灌是减少渠系淤积,加大泥沙输送至田间的有效的引水方式。

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  通过对簸箕李灌区所进行的几种灌溉运行方式的对比计算可见,用此渠系泥沙调度数学模型来模拟灌区水流泥沙的实际运行情况,对灌区进行科学管理、合理利用处理泥沙以及灌区设计都是一种相当方便而又可靠的手段。水利论文NE9mSkkh

参 考 文 献

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[1] 黄永健,毛继新。黄河下游灌渠水流泥沙数学模型。泥沙研究,1997,(3).水利论文|+g:t3z4n#x

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[2]蒋如琴,彭润泽,黄永健等。引黄渠系泥沙利用。黄河水利出版社,19985月。

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