黄河下游引黄灌溉对策研究

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1、黄河下游引黄灌溉对策研究摘要：在新的形势下，对黄河下游引黄灌溉中泥沙处理和利用应提高到一个新的认识高度，变泥沙“包袱”为“资源”。泥沙长距离输送，使绝大部分泥沙进入田间，就可实现引黄灌溉的良性循环。除了以往有效的措施外，本文在总结灌区渠道不同部位设置提水泵站设施作用与效果的同时，通过建立灌区渠道悬移质冲刷计算模型，对其减淤清淤的作用与效果进行了理论分析研究。长距离输送；提水灌溉关键词：长距离输送提水灌溉1泥沙是制约引黄灌溉发展的重要因素　　黄河下游河南、山东两省的引黄灌区，自1985年至1990年底

2、，累计引水2333亿m3，引沙38.65亿t。其中，约有33.22%的泥沙沉积在沉沙池内，35.32%淤积在灌溉渠系，22.9%被输入田间，8.56%进入排水河道。这就是说，除了被输入田间的约23%的泥沙成为资源，其余近80%的泥沙需要进行处理。这种长期采取的泥沙处理方式(沉沙池集中沉沙，渠系两岸堆积清淤泥沙)，造成了引黄泥沙在平面上分布不合理的状况，给沿黄两岸的经济、社会和环境带来了严重的负面影响。引黄泥沙已成为制约引黄灌溉发展的主要因素。　　随着黄河整个流域经济的迅速发展，用水量不断增加，而黄河

3、下游水资源却日趋贫乏。引黄灌区面临需水期无水可引的局面，不得不引用洪水期高含沙水流。但目前，大多数灌区渠首无可供高含沙水流沉沙的空间，以进行沉沙输水。面对这一形势，对泥沙的处理和利用应有新的认识，这一认识的基本点是变泥沙“包袱”为“资源”。从技术上讲就是要实现泥沙的长距离输送。　　实现泥沙长距离输送，关键在于提高渠道输送泥沙的能力。要减少输沙渠道的泥沙淤积，除了以往行之有效的措施外，可采用改输沙渠水流自流入沉沙池变为扬水入沉沙池的方式，这种措施必将增加渠道的水面比降，加大流速，增加渠道内水流输送泥沙

4、的能力。如若在渠首设置提水泵站扬水入渠，同样可起到加大渠道水面比降的作用。　　利用提水泵站实现泥沙长距离输送的可行性已在部分灌区得到证实。例如，渠首设置提水灌溉设施的夹马口灌区和尊村灌区及渠尾(中)设置提水泵站设施的曹店灌区和麻湾灌区。这些灌区在不同部位设置了扬水设施来加大水面比降，提高水流挟沙能力，达到了少淤或不淤的目的。　　本文在参照典型灌区冲淤变化状况的基础上，建立了适用于灌溉渠道输沙计算的数学模型，就提水灌溉的效果与作用进行了定性的研究与分析。2渠道悬移质冲刷模型的建立2.1基本方程的建立及

5、数值解法　　基于灌溉渠道水流泥沙运动规律与明渠水流泥沙运动规律一致，模型采用非耦合饱和输沙一维模型的计算方法，计算中假定渠道发生冲刷淤积过程，计算时段内河床变形对水流条件影响不大，也不考虑水体中含沙量随时间的变化，则该方程组为　　水流连续方程(1)　　水流运动方程(2)　　河床变形方程(3)　　水流挟沙力公式S*=S*(J,u,d)(4)式中Q为流量；A为过水面积；B为水面宽；Y为水深；u为流速；Y0为断面渠底平均高程；S*为水流挟沙力；G为断面总输沙率；ρ为泥沙干密度；g为重力加速度；n为河床糙率

6、；x,t为距离及时间。　　上述简化后的基本方程，即为建立模型理论依据。采用Pressman的四点偏心差格式，其中时间偏导采用前差，空间偏导采用加权中心差，可得函数和导数离散关系式式中θ为加权系数0≤θ≤1，f表示任意函数；上标n为时间坐标序列号，下标j为断面序号。　　按上述差分格式推演水流连续方程(1)和水流运动方程(2)中各项，对计算点的未知量按泰勒级数展开，忽略增量Δfj的高次项，可使多元高次方程化为线性方程组。为简化计算方法，考虑渠道断面形态为梯形，经整理，对式(1)和式(2)分别有(5)(6

7、)以上系数A1，A2，A3，A4，A5及B1，B2，B3，B4，B5均为时段初相邻断面变量值Zjn,Qjn,,,及进库水流条件的函数。　　上述两个方程中，共有四个未知数，对M个计算点共有2M个未知数，由差分方程可列出2M-2个类似于(5)、(6)的方程组。因此需要补充两个边界条件可以方程组闭合。　　使用交错网格追赶法求解差分方程。为将Q与Y分别布置在两个不同断面上，在断面间再增加一个节点(以K表示)，并假定增加节点断面流量与上一个断面相等。2.2初始条件及边界条件　　初始条件：Q(x)t=0=Q0

8、(x),h(x)t=0=h0(x)　　上边界条件：Q1=Q(t)　　下边界条件：Ym=Y(t)2.3河床变形方程及水流挟沙能力　　河床变形方程式(3)，采用有限差分法进行离散，得到差分方程，如下(G2-G1)ΔT=ρΔxBΔY0(7)　　式中G1、G2分别为进出口断面输沙率；ρ为渠床泥沙干密度；ΔY0为计算河段平均河床淤积或冲刷厚度，正值为冲，负值为淤。对于悬移质变化引进的冲淤计算，取G=QS。　　水流挟沙能力采用模型相似类比法计算渠道断面挟沙力，由下式确定S*=λ