，

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，陜西 西安 710032；2.陜西省江河水庫(kù)管理局，陜西 西安 710018)

淺析引漢濟(jì)渭工程配水管網(wǎng)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)確定

彭向平1，靳金平2

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，陜西 西安 710032；2.陜西省江河水庫(kù)管理局，陜西 西安 710018)

引漢濟(jì)渭工程是解決陜西關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題的戰(zhàn)略性骨干調(diào)水工程。工程建成后，配水系統(tǒng)調(diào)蓄能力成為工程供水效益能否充分發(fā)揮的關(guān)鍵，而作為保障配水工程調(diào)蓄能力的重要基礎(chǔ)，配水管網(wǎng)流量設(shè)計(jì)參數(shù)的合理確定十分重要。通過(guò)建立引漢濟(jì)渭輸水模型，計(jì)算分析管道流量大小，進(jìn)而確定了配水管道流量設(shè)計(jì)參數(shù)的大致范圍。由于引漢濟(jì)渭工程跨度大，沿途環(huán)境復(fù)雜，配水管網(wǎng)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)未來(lái)需根據(jù)實(shí)際進(jìn)一步細(xì)化確定。

引漢濟(jì)渭工程；調(diào)蓄工程；配水管網(wǎng)；流量設(shè)計(jì)參數(shù)

1 工程概況

陜西省關(guān)中地區(qū)是陜西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主體和核心地帶，日益嚴(yán)重的資源型缺水問(wèn)題制約著該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，并引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。引漢濟(jì)渭工程是陜西省為解決關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題而建設(shè)的跨流域骨干調(diào)水工程[1]。該工程以漢江干流黃金峽水庫(kù)(規(guī)劃)及其支流子午河三河口水庫(kù)(規(guī)劃)為水源，由黃金峽泵站自黃金峽水庫(kù)提水，通過(guò)無(wú)壓引水隧洞、自流輸水至黑河金盆水庫(kù)下游黃池溝，連接關(guān)中供水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)向關(guān)中地區(qū)供水。作為引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，輸配水干線工程包括黃池溝配水樞紐和渭河南干線、過(guò)渭干線、渭北東干線、渭北西干線等4條干線，總長(zhǎng)度330.77 km。

由于引漢濟(jì)渭工程水源區(qū)與南水北調(diào)中線工程水源區(qū)部分重合，為優(yōu)先保障南水北調(diào)中線工程的供水水源，留給引漢濟(jì)渭的可調(diào)水過(guò)程極不均勻，供水和用水需求過(guò)程匹配性差。引漢濟(jì)渭工程建成后，配水系統(tǒng)的調(diào)蓄能力成為工程供水效益能否充分發(fā)揮的關(guān)鍵[2]。其中，合理確定配水管網(wǎng)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)是保障引漢濟(jì)渭調(diào)蓄工程得以順利、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)性工作。然而，引漢濟(jì)渭工程空間跨度較大，配水管網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)自然地勢(shì)等條件有很大的差異，而且不同地區(qū)引水工程調(diào)蓄配置方案有所不同，對(duì)管道的過(guò)流能力要求不同，這些都給配水管網(wǎng)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)確定帶來(lái)了困難。本文通過(guò)建立引漢濟(jì)渭輸水模型，基于對(duì)管道流量大小的計(jì)算分析，確定包括渠道糙率、斷面尺寸等關(guān)鍵指標(biāo)在內(nèi)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 引漢濟(jì)渭輸水模型

引漢濟(jì)渭工程以隧洞和明渠輸水為主，水流的運(yùn)動(dòng)形式主要是具有自由水面的無(wú)壓自流水。一維非恒定流數(shù)學(xué)模型發(fā)展得比較成熟，計(jì)算簡(jiǎn)便，能滿足工程精度要求，所以在各種河渠的水力模擬中得到了廣泛地應(yīng)用[3]。根據(jù)引漢濟(jì)渭輸水隧洞的自流輸水的運(yùn)行方式，通過(guò)求解圣·維南方程組來(lái)模擬隧洞中非恒定流過(guò)程，方程組形式如下：

(1)

(2)

式中：Z為水位，Q為流量，B為水面寬度，A為過(guò)流面積，ql為單位長(zhǎng)度上的旁側(cè)入流或出流，g為重力加速度，t為時(shí)間，s為沿程距離，R為水力半徑，C為謝才系數(shù)。

從黃池溝到關(guān)中地區(qū)配水系統(tǒng)，存在倒虹吸、分汊渠道以及分水口等過(guò)水建筑物進(jìn)行水量分配，因而需要作為內(nèi)邊界構(gòu)建相應(yīng)的配水系統(tǒng)模型，對(duì)于倒虹吸可以按照滿流狀態(tài)，也即有壓輸水狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。從模型模擬簡(jiǎn)便實(shí)用出發(fā)，可以不考慮水流在倒虹吸的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，將其過(guò)水能力按有壓管道公式進(jìn)行計(jì)算，并認(rèn)為倒虹吸進(jìn)出口流量相等，即：

(3)

式中：μ為管道流量系數(shù)；Z0為包含行進(jìn)流速水頭的上下游水位差，即總水頭損失。

由于工程設(shè)計(jì)時(shí)是按照加大流量進(jìn)行倒虹吸設(shè)計(jì)，所以系數(shù)K根據(jù)加大流量下的水頭損失求得，即：

(4)

在對(duì)其進(jìn)行模擬時(shí)，根據(jù)倒虹吸的流量計(jì)算出起點(diǎn)和終點(diǎn)間相應(yīng)的水頭損失Z0，再將式(3)和(4)與離散后的圣·維南方程組聯(lián)立求解，即可得到倒虹吸處進(jìn)出口的水位。

對(duì)于分汊渠道，采用明渠分汊河段的處理方法，將渡槽、隧洞等與總干渠明渠相結(jié)合的地方看作是汊點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 渠道汊點(diǎn)示意圖

根據(jù)質(zhì)量守恒，汊點(diǎn)處應(yīng)滿足流量相容，得汊點(diǎn)處的水流連續(xù)條件：

(5)

根據(jù)動(dòng)量守恒，并忽略流速水頭，阻力損失，可以近似認(rèn)為汊點(diǎn)處端點(diǎn)水位相同有：

Zi=Zi，1=…=Zi，k=Zi，N

(6)

在模型計(jì)算中，分水口可以按側(cè)向出流處理，即作為圣·維南方程組中連續(xù)方程的源匯項(xiàng)ql。這樣處理的結(jié)果使得離散后的方程組已經(jīng)包含了分水口的分水影響，因此分水口無(wú)須再作單獨(dú)考慮。

3 輸水干渠綜合糙率確定

一般調(diào)水工程渠道沿程糙率系數(shù)的確定通常根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范或者是根據(jù)公式計(jì)算，通過(guò)綜合分析后取值。由于引漢濟(jì)渭工程還處于規(guī)劃階段，還未開(kāi)展具體的渠道設(shè)計(jì)。因此還不適宜根據(jù)水力學(xué)的計(jì)算公式來(lái)確定其糙率取值，而應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范、已有工程經(jīng)驗(yàn)初步確定其糙率系數(shù)。Cowan[4]和Chow[5]提出一種確定渠道糙率系數(shù)n值的方法，即先確定渠道在直線、均勻和光滑狀況下的基準(zhǔn)值，然后再考慮各種影響因子對(duì)其進(jìn)行修正，具體計(jì)算如下：

n=(nb+n1+n2+n3+n4)·m

(7)

式中：nb為順直、均勻、光滑渠道的基準(zhǔn)n值；n1為渠道表面不規(guī)則度對(duì)n值影響的校正因子；n2為渠道斷面形狀和尺寸變化影響值；n3為渠道中障礙物影響值；n4為渠道中植物生長(zhǎng)影響值；m為渠道彎度校正因子。

引漢濟(jì)渭工程渠道明渠段全線為混凝土襯砌，重大工程施工質(zhì)量能夠有所保證?；贏ldridge和Garrett的研究成果[6]，結(jié)合相關(guān)手冊(cè)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定引漢濟(jì)渭工程輸水干渠綜合糙率基準(zhǔn)值為0.013。因?yàn)榍赖牟灰?guī)則度、渠道取直狀況、渠道中障礙物和渠道彎度都會(huì)增加渠道的糙率。在糙率基準(zhǔn)值nb的基礎(chǔ)上，針對(duì)公式(7)中的各個(gè)影響因子，對(duì)渠道糙率系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。(1)引漢濟(jì)渭工程屬于重大工程項(xiàng)目，其施工工藝應(yīng)有保障，在施工完成和運(yùn)行初期，渠道表面會(huì)比較光滑，渠道表面不規(guī)則度對(duì)糙率系數(shù)的影響相對(duì)要小。同時(shí)，根據(jù)已有國(guó)內(nèi)外調(diào)水工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行一定時(shí)間后，即使在管理完善的前提條件下，渠道表面總會(huì)有一定程度的侵蝕或者邊坡沖刷，在此將渠道表面不規(guī)則性對(duì)糙率的影響值n1取為0.001。(2)如果渠道斷面和形狀的變化是漸變和均勻的，即使渠道斷面的形狀和尺寸變化比較大，對(duì)糙率n的影響也不會(huì)顯著。引漢濟(jì)渭工程沿線渠道斷面的尺寸和形狀應(yīng)屬于緩慢漸變過(guò)程，沿程也不存在斷面突然收縮或者擴(kuò)張的情況，因此，可以認(rèn)為渠道斷面變化對(duì)糙率的影響可以忽略，n2取值為0。(3)障礙物，諸如圓木、樹(shù)根、大石頭、殘骸、樁和橋墩，會(huì)改變渠道中的流態(tài)，從而增加渠道糙率。其影響大小取決于障礙物的形狀、障礙物相對(duì)于渠道斷面的尺寸、以及障礙物的數(shù)量、排列和間距。引漢濟(jì)渭工程為隧洞輸水為主，沿程全封閉模式，渠道中存在圓木、樹(shù)根、孤立的石頭、樁和殘骸的可能性很小。因此，n3取為0。(4)渠坡植物生長(zhǎng)會(huì)增加水流的紊動(dòng)和渠道的粗糙程度，減少渠道輸水能力。引漢濟(jì)渭工程渠道運(yùn)行期間，明渠邊坡上不可避免地會(huì)在一些縫隙中長(zhǎng)草，但考慮到將來(lái)運(yùn)行期間的良好管理，邊坡上長(zhǎng)草的覆蓋面積不會(huì)超過(guò)25%的濕周。同時(shí)，工程的封閉式運(yùn)行方式，沿程無(wú)雨水的排入，大量密集生長(zhǎng)水草的可能很小。因此工程渠道渠底的水草生長(zhǎng)情況應(yīng)該不明顯，n4取為0。(5)彎度的影響取決于彎渠道總長(zhǎng)與直渠道總長(zhǎng)的比例。引漢濟(jì)渭各段總體來(lái)講，屬于長(zhǎng)直渠道，完全可以認(rèn)為彎度對(duì)工程渠道糙率的影響可以忽略不計(jì)，即m取值為1。

綜上所述，在施工質(zhì)量得以保證，運(yùn)行管理質(zhì)量水平比較高的前提條件下，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和以往經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)引漢濟(jì)渭工程輸水段糙率系數(shù)n取值為：

n=(nb+n1+n2+n3+n4)·m=(0.013+0.001+0+0+0)×1=0.014

4 配水管網(wǎng)管徑及明渠水力設(shè)計(jì)

在實(shí)際的輸水工程設(shè)計(jì)中，管徑和明渠斷面的設(shè)計(jì)可以采用均勻流的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)對(duì)于管徑D，根據(jù)管段長(zhǎng)度L、管段流量Q和管段首末的水頭差h確定：

J=h/L

(8)

S=J/Q2

(9)

(10)

式中：J為水力坡度，S為管段比阻，n為管壁糙率。

引漢濟(jì)渭工程黃三段與南水北調(diào)中線一期工程末端河北段流量(設(shè)計(jì)流量60 m3/s，加大流量70 m3/s)相近，參考其水力坡度，取最大值Jmax為3.31×10-4，最小值Jmin為7.71×10-5。計(jì)算得到管道內(nèi)通過(guò)流量為70 m3/s時(shí)管徑的范圍為9.09≥D≥6.91。

2)使用明渠輸水時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件確定明渠形狀和面積。對(duì)于梯形斷面，采用明渠均勻流渠道斷面尺寸公式計(jì)算其底邊長(zhǎng)b和水深h。

(11)

式中：Q為流量，n為渠道糙率，m為坡道系數(shù)，i為渠底縱坡，β為寬深比。β可根據(jù)水力最佳斷面條件或?qū)嵱媒?jīng)濟(jì)斷面條件確定。

從上述分析可以看出，由于引漢濟(jì)渭工程空間跨度較大，管網(wǎng)所經(jīng)地區(qū)自然地勢(shì)等條件有很大的差異，實(shí)際工作中還需根據(jù)不同渠段實(shí)際情況，結(jié)合其最大過(guò)流量進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

合理確定引漢濟(jì)渭工程配水管網(wǎng)的流量設(shè)計(jì)參數(shù)是保障引漢濟(jì)渭調(diào)蓄工程充分發(fā)揮效益的重要基礎(chǔ)。本文基于圣·維南方程組建立引漢濟(jì)渭工程輸水模型，計(jì)算分析管道流量大小，進(jìn)而給出配水管道流量設(shè)計(jì)參數(shù)的大致范圍。其中灌渠糙率通過(guò)先確定渠道在直線、均勻和光滑狀況下的基準(zhǔn)值，然后再考慮各種影響因子對(duì)其修正得到；管徑和明渠斷面采用均勻流的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而，由于引漢濟(jì)渭工程空間跨度較大，在實(shí)際工作中配水工程各渠段斷面設(shè)計(jì)(形狀、大小)需要從施工、運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面進(jìn)行比較分析，進(jìn)而確定最終方案。

[1]楊曉茹，費(fèi)良軍，張永永，等. 引漢濟(jì)渭調(diào)水工程受水區(qū)水資源優(yōu)化配置研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào).2012.10(4)：6-10.

[2]劉家宏，嚴(yán)伏朝，牛存穩(wěn)，等. 淺議引漢濟(jì)渭配水工程調(diào)蓄研究的關(guān)鍵問(wèn)題[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào).2014.12(3)：244-248+257.

[3]田兆偉. 一維非恒定流數(shù)學(xué)模型在東江的應(yīng)用研究[J].人民珠江.2015.36(5)：66-70.

[4]Cowan W L. Estimating hydraulic roughness coefficients[J]. Agricultural Engineering.1956.37(7): 473-475.

[5]Chow V T. Open channel hydraulics[M]. McGraw-Hill Book Company, Inc; New York.1959.

[6]Aldridge B N, Garrett J M. Roughness coefficients for stream channels in Arizona[R]. US Geological Survey.1973.

TU991.33

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1004-1184(2017)05-0180-02

2017-05-17

彭向平(1982-)，女，陜西楊凌人，工程師，主要從事水利工程管理工作。