李利琴 崔文娟 曹 然

(1.河南黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州450003；2.鄭州黃河河務(wù)局，河南 鄭州450003)

新中國(guó)成立以來(lái)， 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(jì)衛(wèi)工程人民勝利渠渠首閘建成，引黃灌溉面積達(dá)30 萬(wàn)畝，此工程是新中國(guó)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(shè)計(jì)灌溉面積2362.35 萬(wàn)畝，歷史灌溉最大面積2172.28 萬(wàn)畝。除沿黃的三門(mén)峽、洛陽(yáng)、焦作、鄭州、新鄉(xiāng)、開(kāi)封、濮陽(yáng)7 市受益外，還包括非沿黃的許昌、周口、商丘、安陽(yáng)4 市。

目前， 黃河干流河南段小浪底以下經(jīng)常開(kāi)啟使用的引黃涵閘35座，總設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)引水流量338.4m3/s； 開(kāi)封轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘3 座， 設(shè)計(jì)引水流量231m3/s；焦作轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘3 座，設(shè)計(jì)引水流量180m3/s；新鄉(xiāng)轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘11 座， 設(shè)計(jì)引水流量250m3/s； 濮陽(yáng)轄區(qū)內(nèi)引黃涵閘11座，設(shè)計(jì)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(jì)為主。針對(duì)目前河南黃河涵閘引水日益困難的局面，采用水動(dòng)力模型開(kāi)展河南黃河涵閘引水能力計(jì)算，為在一定程度上緩解引水困難的現(xiàn)狀提供技術(shù)支持，對(duì)今后保障灌區(qū)灌溉是積極有益的。

1 模型引水能力計(jì)算基本原理及條件

1.1 計(jì)算基本原理

涵閘引水能力計(jì)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(guò)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(guò)涉水建筑物后再擴(kuò)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(jì)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(jī)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(yīng)滿(mǎn)足能量 守 恒 定 律 推 導(dǎo) 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——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?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(jì)算:

式中：L——長(zhǎng)度；

C——斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù)。

摩阻坡度Sf計(jì)算：

1.2 計(jì)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(jì)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(jì)算資料采用各渠道和涵閘相關(guān)參數(shù)。 根據(jù)引水體系的不同，基本上分兩種情況選取計(jì)算斷面：

①引水體系只有穿堤閘：引水段首尾2 個(gè)起止斷面、穿堤閘前引渠末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進(jìn)口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開(kāi)始斷面，共設(shè)7 個(gè)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(gè)起止斷面、防沙閘前引渠末端斷面、防沙閘上游斷面、涵洞進(jìn)口斷面、涵洞出口斷面、防沙閘下游渠道開(kāi)始斷面，防沙閘下游渠道末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進(jìn)口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開(kāi)始斷面，共設(shè)12 個(gè)斷面。

計(jì)算斷面平面位置示意圖見(jiàn)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(jì)算斷面平面位置示意圖①

圖2 計(jì)算斷面平面位置示意圖②

1.2.3 計(jì)算工況

模型計(jì)算考慮工況：在設(shè)計(jì)條件下，按不同流量級(jí)分別計(jì)算引水體系的過(guò)流能力。 以Q1＝1m3/s 為起點(diǎn)、△Q＝Qi＋1-Qi＝1m3/s 為步長(zhǎng)，以穿堤閘設(shè)計(jì)流量Q 設(shè)為終點(diǎn)控制， 計(jì)算不同過(guò)流情況下的大河流量與引水體系的過(guò)流關(guān)系，點(diǎn)繪出引水體系水位～過(guò)流能力關(guān)系曲線，以涵閘的設(shè)計(jì)引水位對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為控制點(diǎn)進(jìn)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(jì)算應(yīng)用

河南黃河楊橋引黃閘（以下簡(jiǎn)稱(chēng)楊橋閘）位于黃河南岸大堤樁號(hào)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(shè)計(jì)引水位85.57m（黃海高程，下同），設(shè)計(jì)引水流量32.4m3/s，加大引水流量45 m3/s。 設(shè)計(jì)灌溉面積2.033 萬(wàn)公頃。 建筑物總長(zhǎng)153m，其中：閘室和涵洞段共長(zhǎng)86m，閘身寬度為10.9m；上游防沖槽段長(zhǎng)6m，鋪蓋段長(zhǎng)13m；下游消能防沖段長(zhǎng)18m，海漫段長(zhǎng)30m。

該閘自使用以來(lái)，主要承擔(dān)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(wù)，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(jì)算中，采用了該模型中的相關(guān)計(jì)算功能對(duì)現(xiàn)狀涵閘斷面分別進(jìn)行了引水能力計(jì)算， 從而確定了涵閘不同流量下相應(yīng)的引水能力。 通過(guò)引水能力計(jì)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(jì)算過(guò)程及得出的結(jié)論。

2.1 計(jì)算斷面的選取

楊橋閘為穿堤閘， 其引水體系內(nèi)沒(méi)有防沙閘等其它閘相連。選取引水段首尾2 個(gè)起止斷面、穿堤閘前引渠末端斷面、穿堤閘上游斷面、涵洞進(jìn)口斷面、涵洞出口斷面，下游渠道開(kāi)始斷面， 共設(shè)7 個(gè)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(jì)算過(guò)程

計(jì)算主要過(guò)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(hù)任務(wù)加重，森林資源保護(hù)手段欠缺。林業(yè)信息化建設(shè)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(jìn)行管護(hù)外，近幾年?duì)I造的重點(diǎn)林業(yè)工程權(quán)屬多為集體，隨著林地面積的增加，管護(hù)任務(wù)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(shì)。生態(tài)建設(shè)的信息資源整合力度不大，缺乏統(tǒng)籌管理，開(kāi)發(fā)利用滯后，信息化應(yīng)用跟不上林業(yè)核心業(yè)務(wù)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?。▓D4、圖5）。

（3）閘孔及涵洞斷面及參數(shù)選?。▓D6、圖7）。

2.3 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)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(duì)應(yīng)的引水位為參照點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下圖（圖8、圖9）。

3 計(jì)算結(jié)果復(fù)核

楊橋閘按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，以此來(lái)復(fù)核模型結(jié)果的合理性。

3.1 閘孔過(guò)流能力

假設(shè)過(guò)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(mén)全開(kāi)時(shí)洞高D＝2.5m 與H0的比值D／H0＞0.65，為堰流。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》 有關(guān)公式計(jì)算閘孔過(guò)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(méi)系數(shù)。

B0—閘孔凈寬。

經(jīng)計(jì)算， 過(guò)閘流量為10m3/s 時(shí)， 閘前水深H0＝1.93m，D／H0＝1.3＞0.65，為堰流，計(jì)算公式合理。

3.2 涵洞過(guò)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(wú)壓流。 涵洞長(zhǎng)L＝78m＞8H0＝15.44m，為長(zhǎng)洞。

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式計(jì)算涵洞過(guò)流能力：

式中意義同前。

經(jīng)計(jì)算得，涵洞過(guò)流能力Q＝10m3/s，滿(mǎn)足過(guò)流。

根據(jù)計(jì)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(guò)流Q＝10m3/s。

圖7 閘后涵洞斷面圖

圖8 水面線計(jì)算成果

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

圖9 閘前水位流量關(guān)系曲線

表1 復(fù)核表

4 結(jié)論與建議

模型可計(jì)算涵閘的水面線、水位流量關(guān)系及引水能力。 模型通過(guò)參數(shù)設(shè)定可以自動(dòng)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(jì)算對(duì)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(yīng)用相關(guān)的需要。 模型適合目前黃河下游涵閘計(jì)算引水能力的需求，針對(duì)復(fù)雜的計(jì)算，能夠節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高工作效率。

通過(guò)上述工程計(jì)算運(yùn)用實(shí)例可以看出，該模型能夠廣泛的應(yīng)用到黃河下游涵閘引水能力計(jì)算中。 通過(guò)計(jì)算，能夠?qū)ΜF(xiàn)行涵閘引水能力進(jìn)行復(fù)核，能對(duì)涵閘引水現(xiàn)狀做出評(píng)價(jià)，也能夠?qū)l的運(yùn)行提供依據(jù)。 模型適合目前黃河下游涵閘引水能力復(fù)核的需求，針對(duì)復(fù)雜的計(jì)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(yīng)用前景和意義。