王新宏，吴 巍，雷赐涛，宁利中，魏文礼,龚立尧

(省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室(西安理工大学)，陕西 西安 710048)

天然河流中的水沙具有不可分割的属性，引水必引沙。黄河是世界闻名的多沙河流，我国引黄灌区普遍存在的主要问题就是渠系泥沙淤积问题[1-3]。如何减少渠道泥沙淤积，对渠系泥沙妥善进行处理和利用，始终是引黄灌区长期安全、经济运行的首要问题[4-6]。减少渠道泥沙淤积问题的关键措施之一是增大渠道水流输沙能力[7]，在灌区渠道规划设计阶段，提高水流输沙能力的主要措施是增大渠道设计比降、渠道衬砌、优化渠道断面等[8-10]。在灌区投运之后，主要措施是通过优化灌区调配水运用方式[11-12]，例如集中输水用水，避免细水长流，在河源含沙量较低时段加大渠道输水流量等，尽量满足渠道输沙要求，保持渠道冲淤平衡[13-15]。

陕西省东雷抽黄灌溉工程自建成运行以来，各级渠道均出现过程度不同的泥沙淤积问题[16-17]。作为一个已经运行30余年的老灌区，目前干渠渠首沉沙池已经淤废，大量泥沙直接进入塬下总干渠，造成了十分严重的泥沙淤积问题。据2015年实测，渠道内最大淤积厚度已达3 m，塬下总干渠平均淤积厚度达1.8 m，实际输水能力仅为设计输水能力的50%。为了研究采用非工程措施减少总干渠泥沙淤积的可行性，拟采用加大渠道输水流量的措施，即在灌溉季节渠道正常运用期间，满足需水流量的前提下，增加干渠引水流量，将多余水量由干渠末端退水渠退回到黄河中。通过优化灌区调配水运用方式，在灌溉季节选择合适的时段，加大渠道输水流量，增大渠道的水流输沙能力，达到减缓渠道淤积，甚至年内冲淤平衡的目的[18]。

虽然许多文献[19-21]中都提到了采用加大渠道输水流量等减少渠道淤积的方法，但仅限于定性描述，鲜有定量分析的报道，也未从经济上分析采用这种方法的合理性，尤其对抽黄取水工程更是如此。本研究采用东雷抽黄灌区实测冲淤及水沙资料，对已有一维恒定不平衡输沙数学模型进行了验证。通过对渠首引水流量和含沙量等实测资料的分析，拟定了加大渠道输水流量的多种方案，对不同方案下渠道的冲淤过程及减淤量等进行数值模拟计算，并通过分析对比不同方案情况下的冲淤量和抽水费用，提出了加大渠道输水流量减少淤积的较优方案，以期定量地从经济合理性上探讨抽黄灌区加大干渠输水流量减少淤积的可行性。

1 灌区概况

东雷抽黄灌区位于陕西省关中东部，东起黄河漫滩，西抵坞坭塬边，北临徐水沟畔，南接洛惠灌区。灌区东西宽约39 km，南北长约57 km，总面积974 km2。东雷抽黄灌溉工程是陕西省扬程最高、流量最大的电力提灌工程，分为东雷一期抽黄工程和东雷二期抽黄工程，管理单位分别为东雷抽黄灌溉管理局和渭南市东雷二期抽黄工程管理局。东雷一期抽黄工程和二期抽黄工程虽然均设置有单独的取水一级站，但其一级站和二级站之间均需要通过共用一条塬下总干渠输水，其具体位置如图1所示。

图1 东雷抽黄灌区平面位置图Fig.1 Map of Donglei irrigation district

东雷一期抽黄工程(下称东雷一黄)建设于20世纪七八十年代，设计灌溉面积6.80万hm2，于黄河小北干流右岸的陕西省渭南市合阳县塬下东雷村附近设置东雷一级站取水口，取水采用无坝引水方式，由一级站将黄河水提入总干渠，设计引水流量40 m3/s，加大流量60 m3/s，沿总干渠西侧，自北向南依次在东雷、新民、南乌牛和加西分设4个二级上塬抽水站，同步修建了申都退水渠和加西退水渠。

东雷二期抽黄工程(下称东雷二黄)建设于20世纪90年代，设计灌溉面积8.43万hm2，于东雷一级站取水口下游5.90 km处黄河太里湾附近设置太里湾一级站取水口，设计引水流量40 m3/s，引至夏阳村北汇入一期工程总干渠南下，经新民、南乌牛、加西等一期工程二级站至塬下北干村附近设北干二级上塬抽水站，近期正在规划在塬下总干渠末端新建北干退水渠，设计流量40 m3/s。

东雷抽黄灌区总干渠从东雷一级站出水池起，沿黄河右岸向南延伸至大荔县范家乡北干村塬下，全长38.856 km(桩号0+000～38+856)。总干渠(0+000) m～(6+036) m段为东雷一黄专用灌溉渠道，在桩号6+036处东雷二黄太里湾一级站输水渠汇入，即(6+036) m～(38+856) m段为东雷一黄与东雷二黄共用渠道。按渠道纵横断面形态，东雷抽黄工程总干渠可划分为6段，其中第1段为东雷一级站出水池至群英洞出口(桩号0+000～1+350.50)，该段为马蹄形断面明流隧洞，其余各渠段均为梯形棱柱体渠道。东雷抽黄工程总干渠纵横断面形态参数见表1。沿程共设有3个退水渠，从上游至下游依次为申都退水渠、加西退水渠和干渠末端新建北干退水渠。需要明确的是，本研究所采用加大渠道输水流量的措施中，多余水量是经由干渠末端新建北干退水渠退回到黄河中，不考虑其他退水渠的影响。

表1 东雷抽黄总干渠各段断面形态参数Table 1 Morphological parameters of canal sections in Donglei irrigation districtmain

2 模型验证

渠道泥沙冲淤计算采用依据水动力学理论建立的一维恒定非均匀不平衡输沙模型[22-23]，基本控制方程包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程、悬移质扩散方程。模型求解方式为有限差分法非耦合求解，计算时间步长为每天一个时段，空间步长为100 m一个渠段(除特征断面所在渠段外)，模型所用到的基本方程如下。

水流连续方程式：

(1)

水流运动方程式：

(2)

泥沙连续方程式(分粒径组)：

(3)

悬移质扩散方程式(分粒径组)：

(4)

式中：Q为流量；x为流程；qL为侧向流量(入为正，出为负)；Z为水位；αe为动能修正系数；ξ为局部水头损失系数；V为断面平均流速；g为重力加速度；K为流量模数，K=ACR1/2，其中A为过水断面面积，R为水力半径，C为谢才系数，C=(1/n)R1/6,n为糙率；Sk和S*k分别为第k粒径组泥沙的断面平均含沙量和水流挟沙力；γ′为泥沙干容重；Ak为第k粒径组泥沙冲淤面积；t为时间；qsk为单位流程上第k粒径组泥沙的侧向输沙率(入为正，出为负)；Ns为粒径分级总数；α为恢复饱和系数；ωk为第k粒径组的泥沙沉速；q为单宽流量。

为了验证数学模型，收集整理了2012-2016年东雷抽黄灌区塬下总干渠引水引沙及渠道淤积观测资料。其中包括东雷一级站和太里湾一级站实测日平均抽水流量、含沙量资料以及沿程各二级站(东雷、新民、南乌牛、加西、北干共5个)的日平均抽水流量资料。渠道淤积方面，根据调研结果可知2011年夏灌后至2012年春灌前，灌区塬下总干渠曾实施局部机械清淤，清淤范围为申都退水渠至加西退水渠之间共23.11 km渠道，清淤后该段渠道断面恢复原设计状态。本研究收集到申都退水渠至加西退水渠渠段清淤完成后，逐年的渠道淤积纵剖面和累计淤积量资料。

依据上述实测资料，模型验证计算的空间范围为总干渠隧洞出口(桩号1+350.50)至北干二级站(桩号38+855.84)之间的37.50 km渠道。参照图1，从上游至下游渠道的汇流、分流节点依次为：上游边界东雷一级站，东雷二级站分流节点，太里湾一级站汇流节点，申都退水渠、新民二级站、南乌牛二级站、加西二级站、加西退水渠和北干退水渠分流节点，以及下游边界北干二级站。渠段划分为421个渠段，共422个控制断面，渠道初始断面为2011年局部清淤后的纵横断面形态。上游进口水沙条件为东雷一级站和太里湾一级站实测引水引沙过程，其中悬移质泥沙级配采用多年平均级配，并按粒径分成9组(同水文年鉴)；沿程分流分沙情况根据各二级站实测日平均过程获得(因各二级站取水口均未采取防沙措施，假定分沙比与分流比相同)。据了解，验证计算时段2012-2016年申都退水渠和加西退水渠未运行，计算中不考虑退水影响；另外，北干退水渠目前仍处于规划设计中，验证计算中亦不考虑。下游出口边界条件为总干渠末端断面的水位-流量关系曲线。

验证计算的主要内容包括申都退水渠至加西退水渠之间23.11 km渠道的淤积量和纵剖面。验证计算结果见图2和图3。从图2，3可以看出，计算值与实测值基本吻合。因此可以认为，该模型能够较好地反映总干渠冲淤变化规律，可以预测水位、含沙量和渠道淤积变形的沿程变化及随时间的变化，可用于模拟总干渠不同方案情况下的泥沙冲淤过程。

图2 东雷抽黄总干渠申都至加西段渠道纵剖面计算值与实测值的比较 Fig.2 Comparison of measured and calculated values onvertical section along the primary canal in Donglei pumping irrigation sytem of the Yellow River

3 总干渠泥沙冲淤计算的边界条件及方案拟定

3.1 冲淤计算的边界条件

冲淤方案计算中，模型的研究范围和验证计算完全相同。计算的时间长度为1年，时间步长、渠段的划分以及下游边界条件与验证计算完全一致，不同之处在于渠道的初始断面条件不同。2016年东雷抽黄工程实施了塬下总干渠清淤改造工程，一方面对塬下总干渠全面实施机械清淤，另一方面对干渠全面实施砌护改造，改造后的断面形态见表1。方案计算采用的初始地形条件，即为改造之后的总干渠纵横断面条件，初始状态下总干渠淤积量为0。另外，上游边界来水来沙条件以及沿程各节点出流过程，依据不同方案有所不同。

3.2 冲淤方案拟定

3.2.1 计算目的 东雷抽黄灌区的实际运行表明，一年之中，夏秋灌期间由于引水量大，引水含沙量高，常常超过了渠道输沙能力，渠道处于淤积状态；而在冬春灌期间由于引水含沙量较低，渠道一般处于冲刷状态[24-25]。从东雷抽黄灌区多年实际运行情况看，夏灌期间渠道大多数处于淤积状态，春、冬灌期间渠道通常处于微冲微淤或冲淤平衡。灌区干渠实际运行1年，渠道总体上处于累计性淤积状态。为了缓减渠道淤积，甚至达到年内冲淤平衡的目的，在灌溉期间选择合适的时段，加大渠道输水流量，增大渠道的水流输沙能力。冲淤方案计算的目的就是研究正常运行工况和加大渠道输水流量工况下干渠冲淤过程之间的差别，着重分析加大输水流量之后的减淤量和增加的费用等指标，综合对比论证增大干渠输水流量减少渠道淤积的可行性。

3.2.2 正常运行工况及基础方案的确定 正常运行工况是指灌区现状实际运行情况，即渠道输水流量仅满足各二级站灌溉需求，退水渠无多余水量下泄。正常运行工况是加大渠道输水流量工况中各方案对比的基础，后文中称为基础方案，编号为f-0。对比分析近年来灌区实际引水量、用水量等资料，2012年灌区实际运行情况具有较好的代表性。该年度引水引沙总量、用水总量等接近近几年的平均值。本研究选取2012年作为典型年，代表未来灌区实际运行情况，进行方案计算。该方案采用的上游进口水沙条件为2012-05-15至2013-05-14东雷一级站和太里湾一级站实测日平均流量过程和含沙量过程，该年度引水总量为50 720万m3，沙量为237.71万t，年平均含沙量为4.69 kg/m3，最大日平均含沙量为19.20 kg/m3，最小日平均含沙量为0.32 kg/m3。沿程各节点分流条件为对应时段各二级站实测日平均抽水流量过程，申都退水渠和加西退水渠实际未运行，计算中不考虑。另外，北干退水渠亦不考虑运行，退水渠无多余水量下泄。

3.2.3 加大渠道输水流量工况及不同对比方案的拟定 加大渠道输水流量工况是指在正常运行工况的基础上，选择合适的时段，加大渠道输水流量，达到增大输沙能力和减少淤积的目的，多余水量由干渠末端北干退水渠下泄。由于选择的加大流量的时段不同，渠道的减淤效果也不同。依据加大流量时段的不同，划分为不同对比方案。本研究按照来水含沙量的大小将研究时段划分为4种不同的加大渠道输水流量的时段(表2)，据此拟定了8种不同的时段组合，即表3中的8种方案f-1，f-2，f-3，…，f-8。

表2 东雷抽黄总干渠4种加大渠道输水流量时段的划分Table 2 4 Partitions of discharge periods when increasing canal flow of Donglei irrigation distrctmain canal section

表3 东雷抽黄总干渠不同减淤方案加大流量时段组合Table 3 Description of increasing discharge periods combinations in different sedimentation reduction schemes of Donglei irrigation distrctmain canal section

注：表中如“时段组合1+3”指表3中时段编号1和3的组合，即在夏灌全时段和春灌全时段内加大渠道输水流量。其他以此类推。

Notes：“Period combination 1+3” refers to combination of periods number 1 and 3,namely increasing discharge at whole period of summer and spring irrigation.Same for other.

这8种方案中，加大渠道输水流量的运用方式为：当北干二级站灌溉需水流量小于干渠末端3.33 km渠道设计最大流量45 m3/s时，加大东雷二黄一级站抽水流量至40 m3/s，同时东雷一黄一级站在满足其二级站灌溉需水的前提下增加5 m3/s的抽水流量，使干渠末端3.33 km渠道输水流量增大至其设计最大流量45 m3/s。8种方案采用的下游边界条件以及渠道纵横断面条件与基础方案f-0(即正常运行工况，无加大流量时段)完全相同。不同之处在于上游来水来沙条件不同，多余水量由干渠末端退水渠下泄。

3.3 计算指标

为了比较各冲淤方案的优劣，本研究采用以下物理量对总干渠冲淤预测结果进行描述：

1)减淤量。指基础方案(即无加大流量时段)淤积量与各冲淤方案预测淤积量之差，表征各冲淤方案的绝对减淤量，代表该冲淤方案渠道泥沙淤积减少量的具体数值。

2)减淤率。指减淤量与基础方案累计淤积量的比值，表征各冲淤方案的相对减淤量，用于反映各冲淤方案的相对减淤效果。

3)加大引水总量。指各冲淤方案引水总量与基础方案引水总量之差，表征该方案为减少泥沙淤积而增加的引水量，亦称为减淤耗水总量。

4)每方减淤耗水量。指各冲淤方案减淤量与加大引水总量的比值，表征每减少1 m3泥沙淤积的耗水量，代表该方案的减淤效率。

5)减淤耗水总费用。指各冲淤方案加大引水所需费用，依据东雷抽黄工程多年实际运行抽输水成本0.006元/m3(包括电费、运行管理费等)计算得出。

6)减淤耗水费用。指减淤耗水总费用与减淤量的比值，表征各冲淤方案每减少1 m3泥沙淤积所需的成本，可作为各方案的减淤效果经济指标。

4 计算结果与分析

利用前述验证后的数学模型，分别对上述拟定的基础方案和8种不同对比方案进行了泥沙冲淤计算，计算结果见表4。

表4 东雷抽黄总干渠各减淤方案的计算结果Table 4 Calculation results for each sedimentation reduction schemes of Donglei irrigation district main canal

由表4可见，减淤率最大的方案为f-4，其减淤率为59.63%，减淤量为3.29万m3；其次是方案f-8，减淤率为58.14%，减淤量为3.21万m3；再者是方案f-6，减淤率为56.98%，减淤量为3.14万m3。方案f-4的减淤耗水费用最低，为9元/m3；其次是方案f-8，减淤耗水费用为18元/m3；再次是方案f-6，减淤耗水费用为44元/m3。

综合对比各方案减淤量和每方减淤耗水费用2个指标可见，方案f-4减淤量最大，而且费用最低，是上述8个方案中减淤效果最佳的方案。该方案选取春灌含沙量较低时段，加大渠道输水流量，其减淤率最大，每方减淤耗水费用最少。据了解，东雷抽黄干渠人工清淤费用约为50元/m3，说明采用加大渠道输水流量减少干渠泥沙淤积的措施从经济上是合理可行的。

5 结 语

采用数值模拟的方法，探讨了通过加大干渠输水流量减少渠道淤积的可行性，主要结论如下：

1)利用已有一维恒定不平衡输沙数学模型，采用东雷抽黄灌区实测水沙资料，对模型进行了验证。结果表明,该模型能够较好地反映总干渠冲淤变化规律，可用于模拟总干渠泥沙的冲淤过程。

2)在对渠首引水流量和含沙量等实测资料分析的基础上，拟定了加大渠道输水流量的多种方案。利用验证之后的数学模型，对不同方案情况下总干渠的冲淤过程及减淤量等进行了数值模拟计算，通过对比各方案减淤量和减淤耗水费用2个指标，最优方案为：选取春灌含沙量较低时段，加大渠道输水流量，其减淤率为59.63%。

3)最优方案下减淤耗水费用为9元/m3，与人工清淤时费用50元/m3相比节省成本82%，说明采用加大渠道输水流量减少干渠泥沙淤积的措施从经济上也是合理可行的。