水動力模型在河南黃河涵閘引水能力計算中的應用

李利琴 崔文娟 曹 然

(1.河南黃河勘測設計研究院，河南 鄭州450003；2.鄭州黃河河務局，河南 鄭州450003)

新中國成立以來， 河南黃河的引黃灌溉事業(yè)得到了很大的發(fā)展，引黃灌溉濟衛(wèi)工程人民勝利渠渠首閘建成，引黃灌溉面積達30 萬畝，此工程是新中國成立后的第一處大型引黃灌溉工程。目前河南省共有引黃灌區(qū)28 處，各引黃灌區(qū)主要分布在沁河口以下區(qū)域，灌區(qū)總設計灌溉面積2362.35 萬畝，歷史灌溉最大面積2172.28 萬畝。除沿黃的三門峽、洛陽、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開封、濮陽7 市受益外，還包括非沿黃的許昌、周口、商丘、安陽4 市。

目前， 黃河干流河南段小浪底以下經(jīng)常開啟使用的引黃涵閘35座，總設計流量為1304.4m3/s。按地區(qū)劃分，鄭州轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘7 座，設計引水流量338.4m3/s； 開封轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘3 座， 設計引水流量231m3/s；焦作轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘3 座，設計引水流量180m3/s；新鄉(xiāng)轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘11 座， 設計引水流量250m3/s； 濮陽轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘11座，設計引水流量305m3/s。 引用黃河水不僅保證了農(nóng)業(yè)灌溉，而且還為沿黃城市提供了生活、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水。 河南引黃灌溉面積正在穩(wěn)定中不斷發(fā)展。

河南省是農(nóng)業(yè)大省，尤其是黃河兩岸，更是以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主。針對目前河南黃河涵閘引水日益困難的局面，采用水動力模型開展河南黃河涵閘引水能力計算，為在一定程度上緩解引水困難的現(xiàn)狀提供技術支持，對今后保障灌區(qū)灌溉是積極有益的。

1 模型引水能力計算基本原理及條件

1.1 計算基本原理

涵閘引水能力計算原理： 把河道中涉水建筑物引起的能量損失分為三部分， 第一部分為涉水建筑物占用過流斷面使上游水流收縮引起的能量損失； 第二部分為收縮的水流經(jīng)過涉水建筑物后再擴散所引起的能量損失； 第三部分為各種形狀及排列的涉水建筑物本身造成的能量損失。 計算中考慮了糙率變化的因素，結(jié)合各種形狀涉水建筑物的阻水機理考慮了各種局部阻力。

基本方程式是根據(jù)引水體系內(nèi)兩斷面間應滿足能量 守 恒 定 律 推 導 求 得， 即：Y2＋Z2＋

式中：Z2、Z1——上、下斷面底高程；

Y2、Y1——上、下斷面水深；

V2、V1——上、下斷面平均流速；

a1、a2——動能校正系數(shù)；

g——重力加速度；

he——工程阻水造成的水頭損失。

工程阻水造成的水頭損失，包括摩阻損失與局部損失兩部分，由下式計算:

式中：L——長度；

C——斷面擴張或收縮系數(shù)。

摩阻坡度Sf計算：

1.2 計算條件及工況

1.2.1 斷面選取

根據(jù)涵閘上下游河道情況，模型的計算范圍，上邊界至引水口斷面，下邊界至下游渠道末端斷面。 計算資料采用各渠道和涵閘相關參數(shù)。 根據(jù)引水體系的不同，基本上分兩種情況選取計算斷面：

①引水體系只有穿堤閘：引水段首尾2 個起止斷面、穿堤閘前引渠末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開始斷面，共設7 個斷面。

②穿堤閘前有防沙閘：斷面選取基本和穿堤閘一樣，引水段首尾2 個起止斷面、防沙閘前引渠末端斷面、防沙閘上游斷面、涵洞進口斷面、涵洞出口斷面、防沙閘下游渠道開始斷面，防沙閘下游渠道末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開始斷面，共設12 個斷面。

計算斷面平面位置示意圖見圖1、圖2。

1.2.2 邊界條件模型上邊界采用流量控制，下邊界采用斷面水位控制。

圖1 計算斷面平面位置示意圖①

圖2 計算斷面平面位置示意圖②

1.2.3 計算工況

模型計算考慮工況：在設計條件下，按不同流量級分別計算引水體系的過流能力。 以Q1＝1m3/s 為起點、△Q＝Qi＋1-Qi＝1m3/s 為步長，以穿堤閘設計流量Q 設為終點控制， 計算不同過流情況下的大河流量與引水體系的過流關系，點繪出引水體系水位～過流能力關系曲線，以涵閘的設計引水位對應的設計流量為控制點進行擬合。

圖3 楊橋閘引水體系示意圖

圖4 閘前引渠參數(shù)及斷面圖

圖5 閘后引渠參數(shù)及斷面圖

圖6 閘孔斷面圖

2 涵閘引水能力計算應用

河南黃河楊橋引黃閘（以下簡稱楊橋閘）位于黃河南岸大堤樁號32＋021 處。 該閘建于1970 年1 月，為3 孔涵洞式水閘，孔口寬2.6m，高2.5m，設計引水位85.57m（黃海高程，下同），設計引水流量32.4m3/s，加大引水流量45 m3/s。 設計灌溉面積2.033 萬公頃。 建筑物總長153m，其中：閘室和涵洞段共長86m，閘身寬度為10.9m；上游防沖槽段長6m，鋪蓋段長13m；下游消能防沖段長18m，海漫段長30m。

該閘自使用以來，主要承擔楊橋引黃灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人畜及生態(tài)用水任務，為中牟縣工農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

在楊橋閘引水能力計算中，采用了該模型中的相關計算功能對現(xiàn)狀涵閘斷面分別進行了引水能力計算， 從而確定了涵閘不同流量下相應的引水能力。 通過引水能力計算得出的結(jié)論也為涵閘引水能力提供了參考。 以下介紹計算過程及得出的結(jié)論。

2.1 計算斷面的選取

楊橋閘為穿堤閘， 其引水體系內(nèi)沒有防沙閘等其它閘相連。選取引水段首尾2 個起止斷面、穿堤閘前引渠末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開始斷面， 共設7 個斷面， 斷面之間可以任意劃分成斷面，理論上可以得到任意斷面的引水能力結(jié)果。

2.2 計算過程

計算主要過程包括模擬引水體系、斷面生成及參數(shù)的選取。

（1）模擬引水體系

隨著森林面積的不斷增加，保護任務加重，森林資源保護手段欠缺。林業(yè)信息化建設薄弱。尤其是森林防火方面，野外火源防不勝防，具有突發(fā)性和撲救的艱巨性。除了南北山各綠化區(qū)有承包單位進行管護外，近幾年營造的重點林業(yè)工程權(quán)屬多為集體，隨著林地面積的增加，管護任務日益繁重，亂砍、亂采、亂挖屢禁不止，加劇了地表植被破壞。而我市林業(yè)信息化正處于起步階段，林業(yè)資源信息化發(fā)展存在劣勢。生態(tài)建設的信息資源整合力度不大，缺乏統(tǒng)籌管理，開發(fā)利用滯后，信息化應用跟不上林業(yè)核心業(yè)務的需求。

圖中圓圈范圍內(nèi)為楊橋閘（圖3）。

（2）閘前閘后引渠斷面及參數(shù)選取（圖4、圖5）。

（3）閘孔及涵洞斷面及參數(shù)選取（圖6、圖7）。

2.3 計算結(jié)果

本次計算未考慮渠道和涵閘的淤積情況，未考慮穿堤閘下游渠道上的節(jié)制工程和阻水建筑。以引水流量對應的引水位為參照點，計算結(jié)果見下圖（圖8、圖9）。

3 計算結(jié)果復核

楊橋閘按相關規(guī)范進行計算，以此來復核模型結(jié)果的合理性。

3.1 閘孔過流能力

假設過閘流量為10m3/s，下游渠道水深1.6m，閘后水深根據(jù)水面線推求為hs＝1.92m。 假定閘門全開時洞高D＝2.5m 與H0的比值D／H0＞0.65，為堰流。

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》 有關公式計算閘孔過流能力：

式中：H0—閘前水深（m）；

hs—閘后水深（m）；

ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)，取值0.95；

σ—堰流淹沒系數(shù)。

B0—閘孔凈寬。

經(jīng)計算， 過閘流量為10m3/s 時， 閘前水深H0＝1.93m，D／H0＝1.3＞0.65，為堰流，計算公式合理。

3.2 涵洞過流能力

涵 洞 上 游 水 深H0＝1.93，H0與 洞 高D 的 比 值H0／D＝1.93／2.5＝0.77＜1.2，涵洞出口水深h=1.31m＜D，故涵洞內(nèi)水流為無壓流。 涵洞長L＝78m＞8H0＝15.44m，為長洞。

根據(jù)《灌溉與排水工程設計規(guī)范》有關公式計算涵洞過流能力：

式中意義同前。

經(jīng)計算得，涵洞過流能力Q＝10m3/s，滿足過流。

根據(jù)計算結(jié)果：閘前水深為H0＝1.93m， 閘底板高程為82.81m，即閘前水位為84.74m，楊橋閘過流Q＝10m3/s。

圖7 閘后涵洞斷面圖

圖8 水面線計算成果

從公式計算的結(jié)果看，模型得出的結(jié)果是合理的，運用該模型計算引水能力，在保證計算結(jié)果合理的前提下，又節(jié)約了時間和成本。

圖9 閘前水位流量關系曲線

表1 復核表

4 結(jié)論與建議

模型可計算涵閘的水面線、水位流量關系及引水能力。 模型通過參數(shù)設定可以自動模擬建筑物的幾何尺寸及外觀，圖文并茂的還原引水體系的整體性，使計算對象為連續(xù)的整體。 可建立繪圖輔助工具，解決了與決策分析和圖形繪制應用相關的需要。 模型適合目前黃河下游涵閘計算引水能力的需求，針對復雜的計算，能夠節(jié)約計算時間，提高工作效率。

通過上述工程計算運用實例可以看出，該模型能夠廣泛的應用到黃河下游涵閘引水能力計算中。 通過計算，能夠?qū)ΜF(xiàn)行涵閘引水能力進行復核，能對涵閘引水現(xiàn)狀做出評價，也能夠?qū)l的運行提供依據(jù)。 模型適合目前黃河下游涵閘引水能力復核的需求，針對復雜的計算，能夠節(jié)約大量的人力物力。 在黃河下游涵閘中有著廣泛的應用前景和意義。