從北引渠道越清越淤，試論水流的自然平衡特性

馬逸平

(黑龍江省大慶市引嫩工程管理處，黑龍江大慶163712)

1 問(wèn)題的提出

北引工程1976年開(kāi)始通水運(yùn)行，通水不久，全線出現(xiàn)了沖刷和淤積。到了1980年，發(fā)現(xiàn)烏北渠道進(jìn)水閘下游8 km段嚴(yán)重淤積。由于沖刷和淤積，使渠道斷面總的變化加寬，由竣工時(shí)的窄深式斷面變成了寬淺式斷面。據(jù)1992年工管科實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，普遍比設(shè)計(jì)斷面加寬了5 ～8 m。嚴(yán)重段比設(shè)計(jì)斷面加寬了一倍以上。其中沖刷段累計(jì)約40 km，淤積段累計(jì)長(zhǎng)度約80 km，總計(jì)約120 km，占北引工程渠道總長(zhǎng)度的50%。這種情況導(dǎo)致了水流流速的急劇降低，影響了整個(gè)北引工程的過(guò)水量。

2 當(dāng)時(shí)采取的措施與發(fā)生的奇跡

當(dāng)時(shí)管理處認(rèn)為這是北引工程的咽喉，這里出現(xiàn)淤積，會(huì)影響整個(gè)工程引水，會(huì)影響新興石油城市大慶的工業(yè)供水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，后果是嚴(yán)重的。北引管理處忙不迭的花費(fèi)巨資購(gòu)買(mǎi)了挖泥船，組建清淤隊(duì)，對(duì)該段進(jìn)行大規(guī)模清淤。每年耗資10 萬(wàn)元～13萬(wàn)元。到了1984年，已耗資50 多萬(wàn)元。(當(dāng)時(shí)北引管理處全年的水費(fèi)收入只有182 萬(wàn)元)。而該段的清淤狀況是越清越淤，并造成該段上游大面積沖刷。時(shí)至1985年，挖泥船經(jīng)常出現(xiàn)故障，管理處因經(jīng)費(fèi)問(wèn)題也無(wú)力維修。無(wú)奈之下，清淤工作不得不停下來(lái)。(1986年該船被水利廳調(diào)給哈市水利局)。該段清淤工作停下來(lái)以后，奇跡發(fā)生了。1 a、2 a、3 a、5 a以后，該段淤積并沒(méi)有再增加，漸漸穩(wěn)定下來(lái)，水流暢通。上游段的沖刷也漸漸停止了下來(lái)。這引起了工程管理人員極大的關(guān)注。

3 發(fā)生奇跡的原因

為了尋找其中的原因，工程管理人員加強(qiáng)了觀測(cè)，并對(duì)比每年整個(gè)渠道沖刷、淤積段的變化。發(fā)現(xiàn)開(kāi)始變化比較大，以后逐漸變小，到1993年，每年的觀測(cè)斷面越來(lái)越接近，變化已經(jīng)非常輕微。

從渠道橫斷面的如此變化，可以得出結(jié)論:渠道從通水的1976年開(kāi)始，水流對(duì)北引渠道工程進(jìn)行了大刀闊斧的沖、淤“改造”，造成大段的，大面積的沖刷與淤積，經(jīng)歷了17 a的時(shí)間，到1993年逐漸停了下來(lái)。沖的渠段不再?zèng)_了，淤積的渠段也不再淤了，處于一種沖、淤平衡狀態(tài)［1］。這個(gè)過(guò)程，就是水流的自然平衡過(guò)程。當(dāng)然這不是絕對(duì)的靜態(tài)平衡，而是動(dòng)態(tài)平衡。這種狀態(tài)下的北引渠道，盡管各渠段都留有沖刷與淤積的痕跡。與工程竣工時(shí)對(duì)比起來(lái)。沒(méi)有那么規(guī)整好看，但卻最適合渠道里運(yùn)行的水流。這就是水流自然平衡特性所要達(dá)到的“目的”。在這個(gè)“平衡狀態(tài)”的形成過(guò)程中，如果被人為的干擾。(比如用挖泥船疏浚，清淤或渠道里增加水下建筑物等)，那么，渠道里的水流還要去求取新的平衡。代價(jià)就是北引渠道工程又將遭到新的一輪破壞，又將需要幾年甚至十幾年的時(shí)間形成新的平衡，沖淤破壞才會(huì)再度停下來(lái)。北引是人工渠道，通水運(yùn)行，水流對(duì)渠道的作用，無(wú)非是沖刷與淤積。對(duì)北引工程來(lái)說(shuō)，影響沖刷與淤積的因素主要有以下9 點(diǎn):

1)各渠段的土質(zhì)類別。

2)渠底比降。

3)邊坡。

4)糙率。

5)渠道走勢(shì)，彎道變化。

6)凍融。

7)水流作用。

8)容水。

9)人為因素(如調(diào)度運(yùn)行的流量變化等)［2］。

上述9個(gè)因素中，最重要的就是水流作用，而水流作用是反映在流速的變化上，反映在流速與渠道不沖不淤流速的關(guān)系上。而水流的自然平衡，正是水流通過(guò)對(duì)渠道沖淤的調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)流速的調(diào)節(jié)。在整個(gè)渠道內(nèi)，最后使在整個(gè)渠道內(nèi)水流的流速都在不沖不淤流速范圍以內(nèi)，達(dá)到渠道沖淤平衡。水流的自然平衡特性，是要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，才能達(dá)到自然平衡的“目的”。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)地觀測(cè)，觀察，認(rèn)證研究，對(duì)比分析，著者認(rèn)為產(chǎn)生水流自然平衡的機(jī)理，應(yīng)該是:對(duì)于一條長(zhǎng)距離的土方明渠，在水流的作用下，經(jīng)歷多年的時(shí)間，產(chǎn)生沖刷與淤積是不可避免，而且是對(duì)應(yīng)而又不可分的。有沖刷就必然有淤積，并必然發(fā)生在上游與下游間［3］。這是因?yàn)椋谒鬟\(yùn)行中，當(dāng)遇到斷面狹小的渠段，水位壅高，水流要想通過(guò)，必然流速加快，從而水流獲得能量，當(dāng)流速加快到超過(guò)該段的不沖不淤流速(北引的不沖不淤流速為0.55 ～0.65 m/s)，因加快流速而獲得能量的水流必然裹挾著該渠段的大量泥砂，向下游流去而造成沖刷。相反，當(dāng)水流遇到斷面寬大的渠段，水流損失能量，流速減慢，當(dāng)流速減慢到低于該段的不沖不淤流速時(shí)，挾砂能力下降，把從上游沖刷所挾帶的泥砂沉降下來(lái)，造成淤積。水流通過(guò)對(duì)狹窄斷面的沖刷，擴(kuò)大了斷面，斷面擴(kuò)大，使流速降低。水流通過(guò)對(duì)寬大斷面的淤積，使斷面縮小，斷面縮小，使水流流速增加。這樣經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(北引工程用了17 a)，使水流在沖刷段的流速與淤積段的流速趨于平衡——都接近于渠道不沖不淤流速，使沖段不再?zèng)_刷，淤段不再淤積，渠道達(dá)到?jīng)_淤平衡，這個(gè)水流自然平衡的全過(guò)程，就是水流自然平衡特性。水流的這個(gè)特性，使水流仿佛有一種“智能”，可以有選擇的去改造渠道，讓水流可以按照自己的方式去通過(guò)渠道。

水流自然平衡特性，是一個(gè)過(guò)程，是一個(gè)規(guī)律，這個(gè)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律需要2個(gè)條件:①需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間;②以對(duì)渠道的沖淤破壞為代價(jià)［4］。

這個(gè)規(guī)律適合于所有天然河流和人工渠道，揭示了所有天然河流和人工渠道在水流的作用下，不管開(kāi)初沖刷與淤積有多么激烈和嚴(yán)重，只要人為不去干擾它和消除外水作用，只要給它足夠的時(shí)間，水流就會(huì)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沖淤調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)流速的慢快調(diào)節(jié)，最后使天然河流或人工渠道不再?zèng)_淤，在水流自然平衡特性的作用下，達(dá)到?jīng)_淤平衡。如果人為干預(yù)，會(huì)適得其反［5］。

4 結(jié) 論

水流流經(jīng)河床時(shí)，床面上的泥沙顆粒受到水流拖曳和上舉力的作用，當(dāng)這些力的工作用等于或略大于泥沙顆粒抗拒運(yùn)動(dòng)的力(重力、黏端力)的作用時(shí)，泥河顆粒將從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)動(dòng)，泥沙的運(yùn)動(dòng)形式與水強(qiáng)弱、顆粒大小、形狀及在床面的相對(duì)位置有關(guān)。對(duì)于一定的訶河組成，當(dāng)水流強(qiáng)度較低時(shí)泥沙顆粒基本上在床面附近滑動(dòng)、滾動(dòng)和跳躍等方式運(yùn)動(dòng)，稱為推移質(zhì)，水流強(qiáng)度增大時(shí)，一部分泥河顆粒脫離床面進(jìn)入主流區(qū)，在紊動(dòng)渦體撓帶下陡水流向下游運(yùn)動(dòng)，稱為縣移質(zhì)，隨著水流強(qiáng)度進(jìn)一步增加。轉(zhuǎn)化為懸移質(zhì)的顆粒越來(lái)越多繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)，當(dāng)水流強(qiáng)度減弱后，這些是移質(zhì)就沉淀下來(lái)產(chǎn)生了淤積，所以把一定水流和邊界條件下能夠通過(guò)河段下泄的床河質(zhì)量稱為挾沙能力。所以控制引嫩總干的流速是關(guān)鍵。而流速又與速度、坡降、流量等相關(guān)，人為難以控制情況下就靠自然的沖淤平衡。為什么北引渠道會(huì)出現(xiàn)越清越淤現(xiàn)象?正是人們當(dāng)時(shí)還不認(rèn)識(shí)，不了解水流的自然平衡特性，并進(jìn)行了人為干擾造成的。因?yàn)樗鞯淖匀黄胶馓匦孕枰?jīng)過(guò)很長(zhǎng)的自然時(shí)間，并經(jīng)過(guò)水流的逐步自然改造，才會(huì)達(dá)到一個(gè)真正的動(dòng)態(tài)平衡。渠道清理的規(guī)模越大，水流的自然改造作用就越大，對(duì)渠道的破壞就越大，白費(fèi)了很多人力、物力，卻達(dá)不到應(yīng)有的效果。以北引為例，耗費(fèi)了幾十萬(wàn)元的巨額資金，經(jīng)歷了3 a的時(shí)間，大規(guī)模清淤，卻是越清越淤，渠道的淤積情況不但未改善，反而越來(lái)越嚴(yán)重。最后無(wú)力清淤，渠道反而在水流的自然平衡特性下，自然改善了。由此可見(jiàn)，人力改造工程最終還是要順應(yīng)自然。才能達(dá)到最好的效果。

［1］韓其為. 推移質(zhì)中的幾個(gè)理論問(wèn)題研究［J］. 中國(guó)水利，2004(18):48 －53．