曹三海 沈加印

摘要 為了利用慶陽(yáng)市含沙量較大的地表水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，采用了不沖不淤和沖淤平衡2種渠道設(shè)計(jì)思路。研究分析了在2種設(shè)計(jì)思路下渠道斷面的設(shè)計(jì)流程，并舉例分析了不同思路下斷面的差異。結(jié)果表明，在不同的設(shè)計(jì)思路下，斷面尺寸差異較大，對(duì)工程的投入影響較大。為了節(jié)約投資，建議在地勢(shì)平緩地區(qū)采用不沖不淤的設(shè)計(jì)思路，在地勢(shì)陡峭的地區(qū)采用沖淤平衡法進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 水力設(shè)計(jì)；不沖不淤；沖淤平衡；泥沙；農(nóng)田灌溉渠道；甘肅慶陽(yáng)

中圖分類號(hào) F225.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）04-0149-03

Abstract In order to use surface water with large sediment concentration to irrigation in Qingyang City，the design idea adopted the two channels of no erosion and deposition，and fluvial equilibrium.The design process of channel section of two design ideas was analyzed，and the difference of cross-section under different thinking was analyzed.The results showed that under different design ideas，the difference of cross-section size was large，which had a great impact on the project.It is recommended to adopt the design idea of no erosion and deposition in the flat area，and use the fluvial equilibrium method in the steep terrain to achieve the purpose of saving investment.

Key words hydraulic design；no erosion and deposition；fluvial equilibrium；sediment；irrigation channels for farmland；Qingyang Gansu

慶陽(yáng)市位于甘肅省東部，南與陜西省咸陽(yáng)市及甘肅省平?jīng)鍪邢噙B，北鄰陜西省榆林市及寧夏鹽池縣，西與寧夏固原市接壤。慶陽(yáng)市屬黃河中游內(nèi)陸地區(qū)。介于東經(jīng)106°20′～108°45′與北緯35°15′～37°10′之間。東倚子午嶺，北靠羊圈山，西接六盤山，東、西、北三面隆起，中南部低緩。黃河中下游黃土高原溝壑區(qū)，境內(nèi)溝壑縱橫。耕地面積68.8萬(wàn)hm2，有效灌溉面積4.4萬(wàn)hm2，占總耕地面積的6.78%。

慶陽(yáng)市地處西北內(nèi)陸，降雨稀少是其基本特征。一方面，境內(nèi)水資源匱乏，多年平均降雨量為492 mm，降雨時(shí)空分布不均，雨熱同季，7—9月降雨量占全年的60%以上[1]，與農(nóng)作物生長(zhǎng)需要時(shí)間不相適應(yīng)，嚴(yán)重影響了作物的正常生長(zhǎng)。隨著人口增長(zhǎng)，農(nóng)產(chǎn)品供需矛盾日益突出，不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域自給自足，大力推廣節(jié)水灌溉，增加灌溉有效面積，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量勢(shì)在必行。另一方面，慶陽(yáng)市地處黃土高原腹地，水土流失嚴(yán)重，比例達(dá)到了全市總面積的92%，每年經(jīng)河流帶走的泥沙達(dá)2.138億t，其中河流帶來(lái)境外泥沙0.49億t，自產(chǎn)泥沙1.648億t，河流每年帶走肥沃有機(jī)質(zhì)達(dá)1.29億t。嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致土地肥力逐年下降，愈發(fā)貧瘠，境內(nèi)河流泥沙含量高，對(duì)水資源的利用也帶來(lái)了巨大的影響。國(guó)家大力提倡的低壓管道輸水灌溉有著其傳統(tǒng)水利無(wú)法相比的優(yōu)越性，具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、省時(shí)、省工、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)越點(diǎn)。但對(duì)水質(zhì)要求較高，慶陽(yáng)市河流高泥沙的特點(diǎn)限制了一些比較先進(jìn)的灌溉方式的應(yīng)用。修復(fù)現(xiàn)有輸水渠道，新灌區(qū)的建設(shè)采用渠道輸水成為一種亟需的方式，不僅可以滿足耕地的灌溉需要，而且隨著水流將泥沙輸入耕地可以調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力，對(duì)減少河道淤積具有積極的意義。因此，在慶陽(yáng)市這樣的黃土高原溝壑區(qū)研究渠道水力設(shè)計(jì)、河流泥沙特性對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 區(qū)域河流含沙量

慶陽(yáng)市的茹河、馬蓮河、柔遠(yuǎn)川、合水川是其境內(nèi)的主要河流，并且國(guó)家水利部門都建有相應(yīng)的水文測(cè)站，分別為開邊站、雨落坪粘、悅樂站、板橋站，水文控制站提供的實(shí)測(cè)資料為輸渾水灌溉渠道的設(shè)計(jì)提供了1656—2010年的可靠參考數(shù)據(jù)[2]，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，慶陽(yáng)市境內(nèi)河流控制流域面積不大，平均流量不大，但是平均含沙量大。茹河開邊測(cè)站平均含沙量為228.0 kg/m3，馬蓮河平均含沙量為268.0 kg/m3，柔遠(yuǎn)川和合水川平均泥沙含量相對(duì)較小。當(dāng)?shù)卮迕窠?jīng)常用“一瓢水，半瓢沙”來(lái)形容泥沙含量之大，使本來(lái)水資源緊缺的慶陽(yáng)由于泥沙含量大的原因，更加劇了水資源供需矛盾，也影響了農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。隨著國(guó)家退耕還林、封山禁牧政策的實(shí)施，水土流失得到了一定的控制，平均泥沙含量呈逐年下降趨勢(shì)。2005年，習(xí)近平總書記提出“綠水青山就是金山銀山”的科學(xué)論斷，這使得控制水土流失的觀念更加深入人心。但是，泥沙含量的下降是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，可能需要幾代人的努力，更不可能一蹴而就。因此，研究在渾水條件下的農(nóng)業(yè)灌溉顯得重要而緊迫。

2 淤積沖刷的危害及不沖不淤流速的確定

2.1 渠道淤積和流速過(guò)大的危害

渾水輸水渠道水力設(shè)計(jì)的基本原則是防淤和防沖，二者必須兼顧。渠道淤積的危害有以下幾點(diǎn)[3]：①降低了自身的輸水輸沙能力，影響了灌區(qū)灌溉的正常進(jìn)行；②渠道淤積增加了清淤的工作量，在多數(shù)情況下渠道清淤只能人工進(jìn)行，增加了灌區(qū)的年運(yùn)行成本；③渠道清淤堆沙占用耕地，而且會(huì)逐年呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；④清淤堆沙會(huì)嚴(yán)重影響周邊的生態(tài)環(huán)境，尤其是在黃土高原，春、秋季風(fēng)沙較大，地面植被稀少，黃沙漫天；⑤渠道淤泥、灌溉尾水進(jìn)入排水河道，逐漸抬高河床，影響行洪能力，加快了淤積頻率，使河道治理投入增加。

渠道水流速度過(guò)快的危害顯而易見。渠道水流速度大于不沖流速，就會(huì)導(dǎo)致渠道被沖毀，影響灌區(qū)的正常運(yùn)行，危及糧食安全。

2.2 不淤流速和不沖流速的確定

2.2.1 不沖流速的定義及取值。水在渠道中流動(dòng)時(shí)，具有的能量包括動(dòng)能和勢(shì)能，隨著水流速度的增加，動(dòng)能也隨之增加，當(dāng)水流速度達(dá)到一定值時(shí)，組成渠床的顆粒材料就會(huì)在水流的沖擊作用下從母體脫落，通常把顆粒材料將要從母體脫落而沒有脫落的水流速度稱為不沖流速。

不沖流速的確定涉及的因素復(fù)雜多樣，以下經(jīng)驗(yàn)公式和試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可作為設(shè)計(jì)參考[5]：

（1）若渠槽土質(zhì)為顆粒0.010～0.445 mm的淤積土，水流速度0.350～1.445 m/s，水力半徑為0.20～2.15 m，含沙量為0.5～177 kg/m3，可采用公式（1）[3]：

vs′=0.1■S1/3R0.2（1）

式中：vs′—渠道輸渾水時(shí)的允許不沖流速，m/s；γ、γs—渾水及沙粒容重；g—重力加速度，m/s2；S—渾水含沙量，kg/m3；R—水力半徑，m。

（2）當(dāng)渠床為砂壤土或者粉壤土，可采用公式（2）：

vs′=v′（2.5SR2/3ω■1/2+1）1/3 （2）

式中：vs′、S、R—同（1）式；ω0—泥沙平均下沉速度，m/s；v′—清水條件下的不沖流速，m/s2。

（3）常用襯砌渠道的不沖流速，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)得出了比較詳盡的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中可以參考表2[4]。

2.2.2 不淤流速的定義及取值。水流在紊流條件下，泥沙顆粒在紊能的作用下懸浮隨著水流跳躍、翻滾向前運(yùn)動(dòng)所需要的最低流速稱為不淤流速。以保證渠道中泥沙被沖走的流速下限，允許不淤流速應(yīng)根據(jù)水流的攜沙能力由各地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式確定。

慶陽(yáng)屬于黃河流域，位于黃河中游，故水流的攜沙能力可按沙玉清公式計(jì)算[5]。

S*=■（■）■（3）

式中：S*—渾水渠道的水流攜沙能力，kg/m3；d—泥沙顆粒粒徑，mm；ω—泥沙的下沉速度，m/s；V—渠道斷面的平均流速，m/s；R—渠道水力半徑，m；n—當(dāng)Fr≤0.8時(shí)，n=2；當(dāng)Fr>0.8時(shí)，n=3；V01—挾動(dòng)幺速，m/s；K—水流攜沙系數(shù)，與不淤保證率有關(guān)。

令渠道攜沙能力等于設(shè)計(jì)渠道的渾水含沙量，可以反推出渠道的不淤流速v■"。

3 渾水渠道的設(shè)計(jì)

3.1 常用灌溉渠道的斷面形式

在防滲渠道中，明渠采用的斷面形式繁多，有U型、梯形、矩形、半圓形、復(fù)合型。暗渠采用的有圓形、城門洞形、箱形以及拱形。通過(guò)對(duì)已建灌區(qū)采用的斷面形式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在慶陽(yáng)大多數(shù)灌區(qū)明渠多采用U型或者梯形。究其原因，U型、梯形具有良好的水力性能，而且便于機(jī)械化施工，提高施工進(jìn)度，縮短工期。暗渠多采用圓形或者箱形[6]。基于水利設(shè)計(jì)的2項(xiàng)基本原則防沖、防淤，根據(jù)設(shè)計(jì)思路的不同，渾水渠道的設(shè)計(jì)可分為2類：不沖不淤渠道和沖淤平衡渠道。

3.2 不沖不淤的設(shè)計(jì)

根據(jù)灌區(qū)的規(guī)模、作物的品種、種類，灌溉制度等一系列影響因素可以確定輸水渠道的流量Q；根據(jù)修筑渠道材料的不同，基本可以確定修建后渠道的糙率n；邊坡系數(shù)可以根據(jù)項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)的實(shí)際情況擬定[7-8]。具體步驟如下：

（1）渠道斷面采用下列公式（適用于黃土高原）：

b=1.4Q1/2（4）

A=1.5Q5/6（5）

式中：b—渠底寬度，m；A—渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q—渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s。

（2）根據(jù)連續(xù)性方程計(jì)算出輸水渠道的水深h、流速v、濕周χ、水力半徑R。

（3）判斷流速v是否介于不沖流速和不淤流速之間，即：vs"

（4）用明渠均勻流公式計(jì)算渠道縱坡：

i=■（6）

式中：i—渠道縱坡；n—渠道糟率；公式中其他符號(hào)意義同上。

3.3 沖淤平衡的設(shè)計(jì)步驟

沖淤平衡渠道就是在夏秋季節(jié)有一定的淤積，在冬春季節(jié)有一定的沖刷。因此，渠道的設(shè)計(jì)流速略大于含沙量最小時(shí)的允許不沖流速，略小于含沙量最大時(shí)的允許不淤流速[9-10]。

允許攜沙能力與最大含沙量之間的換算關(guān)系為：

S*=■（7）

根據(jù)公式（3）反推出流速v，在由連續(xù)性方程計(jì)算過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式確定濕周χ、水力半徑R、水深h、底寬b，然后進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì)。

4 算例

某灌區(qū)灌溉需水量3.5 m3/s，最大引水含沙量52 kg/m3，最小引水含沙量17 kg/m3，平均引水含沙量45 kg/m3，泥沙平均粒徑0.003 mm，泥沙密度2.73 g/cm3，渠道里采用現(xiàn)澆混凝土，斷面形式為梯形。

4.1 不沖不淤渠道水力設(shè)計(jì)

b=1.4Q1/2=1.4×3.50.5=2.619/m，取底寬b=2.7 m。

A=1.5Q5/6=1.5×3.55/6=4.296/m2，取過(guò)水?dāng)嗝婷娣e4.3 m2。

根據(jù)慶陽(yáng)地區(qū)高程經(jīng)驗(yàn)，邊坡系數(shù)取1.5，寬深比取0.6，則渠道深度為4.5 m。

由連續(xù)性方程Q=vA計(jì)算得：v=0.82 m/s。水深h=1.526 m、濕周χ=9.03 m、水力半徑R=2.1。

S*=■（■）■

代入?yún)?shù)52=■（■）■

求解上述方程得出不淤流速為0.43 m/s。

由0.43 m/s<0.82 m/s<8.0 m/s得出結(jié)論，渠道設(shè)計(jì)流速介于不沖流速和不淤流速之間，設(shè)計(jì)合理。

根據(jù)式（6）得出：i=■=■=0.000 05，計(jì)算得出的渠道縱坡過(guò)于平緩不符合《水利計(jì)算手冊(cè)》的相關(guān)內(nèi)容，故縱坡取值為0.000 2。

4.2 沖淤平衡渠道水力設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)攜沙能力：S*=■=50.49 kg/m3

根據(jù)水流攜沙能力和流速的關(guān)系等經(jīng)驗(yàn)公式，邊坡系數(shù)取為1.5，寬深比取為0.6。

v=■=■=■=■；

χ=b+2（1.8h）=0.6h+3.6h=4.2h；

R=■=■=■。

將流速v、水深h、濕周χ、水力半徑R代入水流攜沙能力和流速的關(guān)系式得下列方程：

50.49= ■■■

求解得：h=1.131 m。

將水深h代入得：流速v=1.52 m/s、濕周χ=4.75 m、水力半徑R=2.07、底寬b=0.68 m。

根據(jù)式（6）得出設(shè)計(jì)縱坡：i=■=■=0.000 18。

5 結(jié)語(yǔ)

在2種不同設(shè)計(jì)思路之下，在相同的引水量、相同的泥沙條件下，計(jì)算結(jié)果差異較大，將導(dǎo)致渠道斷面尺寸的迥然不同，進(jìn)而引起工程量有較大的差異，工程總投資不同。因此，建議在地勢(shì)比較平坦的區(qū)域采用不沖不淤的設(shè)計(jì)方法，在地勢(shì)高程變化較大的區(qū)域采用沖淤平衡法，在慶陽(yáng)市采用渠道灌溉，在水利設(shè)計(jì)中應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際情況選擇設(shè)計(jì)思路，做到設(shè)計(jì)合理、資金投入較少。

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