黃河下游引黃灌區輸沙渠道優化設計

費祥俊

（清華大學 水利水電工程系，北京 100084）

黃河下游的河南、山東兩省建有規模很大的引黃灌區，其中萬畝（15 畝為1 hm2）以上灌區近100 處，年均引水量約100 億m3，引沙量達1.2 億t。 如何輸送這些泥沙，避免渠道堵塞，是灌區工程建設應考慮的重要問題。 沿黃兩岸分布有適宜沉沙的天然低洼自流區，利用渠首沉沙池集中沉沙是早期引黃泥沙處理的主要方式。

由于早期渠道設計缺乏經驗及運用管理不當，因此泥沙淤積嚴重。 山東省地面平緩，坡降為1／7 000 ～1／8 000，渠道輸沙能力受限制，選擇修建沉沙池以減輕渠道淤積。 然而引黃泥沙大部分淤積在沉沙池和渠系內，送入田間的泥沙很少。 如典型的位山灌區，兩條各15 km 長的東西輸沙渠，形成了寬100 m 左右、高6 m的堆沙帶，占地400 多hm2。 河南省黃河比降較大，地形有利于輸沙，但在局部地區也有嚴重淤積，如人民勝利渠灌區東三干渠兩側，渠道清淤堆沙量也非常可觀，同樣有土地沙化現象［1－2］。 采用清淤方法，將清出的泥沙集中堆積在灌區的上游地段，不僅會帶來沉重的經濟負擔，還將壓占堆沙土地、引起土地沙化、造成風沙災害，嚴重影響周圍的生態環境。

如果利用黃河下游輸沙平衡關系優化渠道設計斷面，可大幅度提高渠道輸沙能力，實現輸沙入田，既有利于減少下游河道淤積，又能為引黃灌溉帶來巨大效益。 引黃輸沙渠道的設計，一要有可靠的黃河下游河道輸沙能力或不淤流速公式，二要采用最優或較優的渠道斷面形態。 但現有的渠道輸沙能力公式大多為觀察數據點繪得來的經驗公式，這些觀察點據多數不符合平衡輸沙條件。 由于各人引用資料及處理方法不同，因此出現很多互不通用的輸沙能力或不淤流速經驗公式，至于渠道斷面形態優化問題更未考慮。 因此，筆者利用研究得到的相關公式，計算最優斷面參數，從而優化渠道設計。

1 黃河下游河道輸沙能力及不淤流速關系式的建立

根據最近研究，黃河下游河道輸沙平衡關系為［3］

式中：J為比降；R為水力半徑；Sv為體積比含沙量，代表河道的輸沙能力；Q為流量；M為河道斷面參數，為濕周P與水力半徑R之比，對寬淺型河道為寬深比。

將流量公式Q＝MR2U代入式（1）中的水力半徑公式，可得黃河下游輸沙能力和不淤流速公式：

式中：U為不淤流速；h為水深。

對于不淤流速， 常用的還有肯尼迪公式U＝0.548h0.64，拉塞公式U＝0.645R0.5等［4］。

2 輸沙渠道的斷面參數及優化

由式（2）可知，在流量和水深一定時，輸沙能力Sv與M和R均為負相關。 為了求出最小的M，可以寫出渠道濕周P和斷面面積A的計算公式［5］：

式中：B為河寬；m為邊坡系數。

式（3）中兩式消去B，由于R＝A／P及M＝P2／A，因此

為使式（4）有解，最小斷面參數為

此時R＝h／2 同樣取得最小值，所以此斷面參數下的輸沙能力是最強的。 考慮工程經濟及施工條件等因素，梯形斷面邊坡系數可隨設計流量增大而增大，建議的m值見表1。

表1 不同流量下梯形斷面邊坡系數

在實際應用中，由于流量變化、地形條件及其他各種原因，因此不可能也沒有必要嚴格采用Mmin。 為了在設計流量下留有余地，斷面參數M值可略大于Mmin。 為此，參考式（5），不同設計流量下M的適宜取值見表2［6－7］。

表2 不同流量下梯形斷面參數M 適宜值

當前，許多引黃灌區渠道邊坡系數不滿足最優設計，導致占地面積大，且輸沙效果不理想。 利用式（5）、表1 和表2，可以對其優化改進。 圖1 展示了山東簸箕李灌區總干渠優化前后的對比，在相同流量及縱坡下，優化設計渠道斷面面積不到原設計的一半，而輸沙能力卻增加到原來的十幾倍，這說明此優化方案是有效的。 具體計算將在下文展開。

圖1 山東簸箕李灌區總干渠斷面原設計和新設計對比

3 渠道斷面優化計算方法及討論

3.1 設計流量下的渠道斷面尺寸計算

引黃灌溉渠道的縱坡受制于地形條件，流量則取決于灌溉面積及植物需水情況，故J和Q是已知量，設計主要任務是確定斷面尺寸及核算渠道的輸沙能力。

以山東濱州簸箕李灌區總干渠為例，引水設計流量Q＝65 m3／s，渠道縱坡J＝1／5 000，采用邊坡系數m＝2的梯形斷面并加襯砌。 根據表2，取M＝11.3。 由式（1）可計算得到Sv＝0.070，R＝1.79 m，再計算出濕周P＝MR＝20.23 m。 對式（3）中兩式聯解，消去B，則有：

代入相關數據，結合一般h／R＝1.3 ～1.7，即可解出h＝2.64 m，根據式（3）得B＝8.42 m。 渠道原設計和新設計的參數對比見表3。 其中，原設計的U是實際流速，改進以后的U是通過式（2）計算的不淤流速，通過肯尼迪公式和拉塞公式計算的結果分別為1.02、0.86 m／s。 由表3 可知，相同設計流量及縱坡下，新設計輸沙渠道的過流面積不到原設計渠道的一半，表明其占地面積及工程量遠小于原設計值。 原設計的輸沙能力只有新設計的7%，所以必然要淤積。

表3 簸箕李灌區總干渠原設計與新設計比較

再如河南人民勝利新東一干渠［2］，是20 世紀50年代初期修建的人民勝利渠的一部分。 對比原設計和新設計，見表4。 用肯尼迪公式和拉塞公式計算出的不淤流速分別為0.91、0.74 m／s，雖然小于原設計流速，但這里原渠道的最大輸沙量只有最優值的17%，來沙過多同樣會導致淤積嚴重。

表4 人民勝利新東一干渠原設計與新設計比較

由表3 和表4 可知，原設計斷面參數都偏離優化值，前者偏大，后者偏小，都會造成淤積。 需要注意的是，根據曼寧公式計算，新設計渠道的曼寧粗糙度都在0.02 左右。 工程上為了達到這樣較小的粗糙度，可以用混凝土襯砌渠道。 這樣不僅能提高輸水輸沙效率，還能防沖固坡，保障生產安全，在包括勝利干渠在內的全國各地都得到了廣泛利用［8］。 當然，這樣計算出的Sv只是理論值，實際輸沙效果還要取決于實際工程。

3.2 流量和含沙量對渠道水深變化的影響

渠道運用流量一般大于設計流量，設計確定的渠道底寬不變，水深將隨流量加大有所增加。 仍以簸箕李灌區為例，水深和其他渠道參數與流量的關系見表5。

表5 簸箕李灌區總干渠加大流量后的參數

增大流量以后，輸沙能力有所增加，但同時也會造成水深加大。 當流量增大到設計值的兩倍時，超高達到了1.27 m，已經過大。 這說明運用流量也應當有所限制。

另外，式（1）中的Sv是平衡條件下的渠道輸沙潛力，而實際來自河道的Sv相對很小。 通過類似的計算發現，來沙減少同樣會造成超高增加，所以輸沙渠道優化設計應考慮來水來沙可能變化范圍，確定適當的斷面水深超高值。 正常而言，優化設計的渠道輸沙能力有富余，淤積出現的概率很低。 但運用流量持續小于設計流量，渠道也會有累積性淤積。 渠道運用中，應盡可能避免長時段低于設計流量運用。

4 結語和建議

開展引黃灌溉渠道優化設計，提升渠道輸沙能力，輸沙入田，不僅有利于發展黃河下游沿黃兩省農業生產，還會改善黃河下游河道條件和灌區土壤環境，有助于黃河流域的高質量發展，值得高度重視。

研究發現，引黃渠首及渠系泥沙淤積嚴重的原因，除運用不當外，主要是早期渠道設計不合理，沒有根據可靠的河段輸沙能力或不淤流速公式來核算渠道的輸沙能力，更沒有根據水力最優斷面參數來確定渠道斷面尺寸［9］。 淤積問題出現后，有關單位進行了大量試驗研究，包括采用U 形斷面、增加襯砌及提高縱坡等，但缺乏基礎性研究，基本上仍用20 世紀50 年代以來的各種輸沙能力經驗公式，或新增一些經驗公式，以致渠首及渠系泥沙淤積改善不多，清淤泥沙不斷積累，影響周邊地區的環境質量。

最優斷面參數可為黃河下游引黃渠道設計或改造提供新的理論支持。 為此，建議應用新的科技成果，逐步改造引黃渠系。 輸沙渠道優化設計的原理與方法，同樣適用于黃河下游的放淤渠道，從而實現高含沙水流遠距離輸送。 對于放淤渠道，還可利用灘區橫比降大的優勢，通過尺度相對較小的渠道輸沙淤灘或兩岸洼地。

需要進一步研究的問題有兩個：一是渠道斷面優化，水力半徑減小，可能導致輸送距離縮短，影響輸沙入田；二是渠道斷面優化，更有利于高含沙水流輸送，但仍需要討論如何控制渠道水流的含沙量，充分利用其輸沙能力。