从北引渠道越清越淤，试论水流的自然平衡特性

马逸平

(黑龙江省大庆市引嫩工程管理处，黑龙江大庆163712)

1 问题的提出

北引工程1976年开始通水运行，通水不久，全线出现了冲刷和淤积。到了1980年，发现乌北渠道进水闸下游8 km段严重淤积。由于冲刷和淤积，使渠道断面总的变化加宽，由竣工时的窄深式断面变成了宽浅式断面。据1992年工管科实测资料统计，普遍比设计断面加宽了5 ～8 m。严重段比设计断面加宽了一倍以上。其中冲刷段累计约40 km，淤积段累计长度约80 km，总计约120 km，占北引工程渠道总长度的50%。这种情况导致了水流流速的急剧降低，影响了整个北引工程的过水量。

2 当时采取的措施与发生的奇迹

当时管理处认为这是北引工程的咽喉，这里出现淤积，会影响整个工程引水，会影响新兴石油城市大庆的工业供水和经济发展，后果是严重的。北引管理处忙不迭的花费巨资购买了挖泥船，组建清淤队，对该段进行大规模清淤。每年耗资10 万元～13万元。到了1984年，已耗资50 多万元。(当时北引管理处全年的水费收入只有182 万元)。而该段的清淤状况是越清越淤，并造成该段上游大面积冲刷。时至1985年，挖泥船经常出现故障，管理处因经费问题也无力维修。无奈之下，清淤工作不得不停下来。(1986年该船被水利厅调给哈市水利局)。该段清淤工作停下来以后，奇迹发生了。1 a、2 a、3 a、5 a以后，该段淤积并没有再增加，渐渐稳定下来，水流畅通。上游段的冲刷也渐渐停止了下来。这引起了工程管理人员极大的关注。

3 发生奇迹的原因

为了寻找其中的原因，工程管理人员加强了观测，并对比每年整个渠道冲刷、淤积段的变化。发现开始变化比较大，以后逐渐变小，到1993年，每年的观测断面越来越接近，变化已经非常轻微。

从渠道横断面的如此变化，可以得出结论:渠道从通水的1976年开始，水流对北引渠道工程进行了大刀阔斧的冲、淤“改造”，造成大段的，大面积的冲刷与淤积，经历了17 a的时间，到1993年逐渐停了下来。冲的渠段不再冲了，淤积的渠段也不再淤了，处于一种冲、淤平衡状态［1］。这个过程，就是水流的自然平衡过程。当然这不是绝对的静态平衡，而是动态平衡。这种状态下的北引渠道，尽管各渠段都留有冲刷与淤积的痕迹。与工程竣工时对比起来。没有那么规整好看，但却最适合渠道里运行的水流。这就是水流自然平衡特性所要达到的“目的”。在这个“平衡状态”的形成过程中，如果被人为的干扰。(比如用挖泥船疏浚，清淤或渠道里增加水下建筑物等)，那么，渠道里的水流还要去求取新的平衡。代价就是北引渠道工程又将遭到新的一轮破坏，又将需要几年甚至十几年的时间形成新的平衡，冲淤破坏才会再度停下来。北引是人工渠道，通水运行，水流对渠道的作用，无非是冲刷与淤积。对北引工程来说，影响冲刷与淤积的因素主要有以下9 点:

1)各渠段的土质类别。

2)渠底比降。

3)边坡。

4)糙率。

5)渠道走势，弯道变化。

6)冻融。

7)水流作用。

8)容水。

9)人为因素(如调度运行的流量变化等)［2］。

上述9个因素中，最重要的就是水流作用，而水流作用是反映在流速的变化上，反映在流速与渠道不冲不淤流速的关系上。而水流的自然平衡，正是水流通过对渠道冲淤的调节，达到对流速的调节。在整个渠道内，最后使在整个渠道内水流的流速都在不冲不淤流速范围以内，达到渠道冲淤平衡。水流的自然平衡特性，是要经过相当长的时间，才能达到自然平衡的“目的”。

经过多年的实地观测，观察，认证研究，对比分析，著者认为产生水流自然平衡的机理，应该是:对于一条长距离的土方明渠，在水流的作用下，经历多年的时间，产生冲刷与淤积是不可避免，而且是对应而又不可分的。有冲刷就必然有淤积，并必然发生在上游与下游间［3］。这是因为，在水流运行中，当遇到断面狭小的渠段，水位壅高，水流要想通过，必然流速加快，从而水流获得能量，当流速加快到超过该段的不冲不淤流速(北引的不冲不淤流速为0.55 ～0.65 m/s)，因加快流速而获得能量的水流必然裹挟着该渠段的大量泥砂，向下游流去而造成冲刷。相反，当水流遇到断面宽大的渠段，水流损失能量，流速减慢，当流速减慢到低于该段的不冲不淤流速时，挟砂能力下降，把从上游冲刷所挟带的泥砂沉降下来，造成淤积。水流通过对狭窄断面的冲刷，扩大了断面，断面扩大，使流速降低。水流通过对宽大断面的淤积，使断面缩小，断面缩小，使水流流速增加。这样经过相当长的时间(北引工程用了17 a)，使水流在冲刷段的流速与淤积段的流速趋于平衡——都接近于渠道不冲不淤流速，使冲段不再冲刷，淤段不再淤积，渠道达到冲淤平衡，这个水流自然平衡的全过程，就是水流自然平衡特性。水流的这个特性，使水流仿佛有一种“智能”，可以有选择的去改造渠道，让水流可以按照自己的方式去通过渠道。

水流自然平衡特性，是一个过程，是一个规律，这个过程和实现这个规律需要2个条件:①需要相当长的时间;②以对渠道的冲淤破坏为代价［4］。

这个规律适合于所有天然河流和人工渠道，揭示了所有天然河流和人工渠道在水流的作用下，不管开初冲刷与淤积有多么激烈和严重，只要人为不去干扰它和消除外水作用，只要给它足够的时间，水流就会通过长时间的冲淤调节，达到对流速的慢快调节，最后使天然河流或人工渠道不再冲淤，在水流自然平衡特性的作用下，达到冲淤平衡。如果人为干预，会适得其反［5］。

4 结 论

水流流经河床时，床面上的泥沙颗粒受到水流拖曳和上举力的作用，当这些力的工作用等于或略大于泥沙颗粒抗拒运动的力(重力、黏端力)的作用时，泥河颗粒将从静止状态转入运动，泥沙的运动形式与水强弱、颗粒大小、形状及在床面的相对位置有关。对于一定的诃河组成，当水流强度较低时泥沙颗粒基本上在床面附近滑动、滚动和跳跃等方式运动，称为推移质，水流强度增大时，一部分泥河颗粒脱离床面进入主流区，在紊动涡体挠带下陡水流向下游运动，称为县移质，随着水流强度进一步增加。转化为悬移质的颗粒越来越多继续向下游运动，当水流强度减弱后，这些是移质就沉淀下来产生了淤积，所以把一定水流和边界条件下能够通过河段下泄的床河质量称为挟沙能力。所以控制引嫩总干的流速是关键。而流速又与速度、坡降、流量等相关，人为难以控制情况下就靠自然的冲淤平衡。为什么北引渠道会出现越清越淤现象?正是人们当时还不认识，不了解水流的自然平衡特性，并进行了人为干扰造成的。因为水流的自然平衡特性需要经过很长的自然时间，并经过水流的逐步自然改造，才会达到一个真正的动态平衡。渠道清理的规模越大，水流的自然改造作用就越大，对渠道的破坏就越大，白费了很多人力、物力，却达不到应有的效果。以北引为例，耗费了几十万元的巨额资金，经历了3 a的时间，大规模清淤，却是越清越淤，渠道的淤积情况不但未改善，反而越来越严重。最后无力清淤，渠道反而在水流的自然平衡特性下，自然改善了。由此可见，人力改造工程最终还是要顺应自然。才能达到最好的效果。

［1］韩其为. 推移质中的几个理论问题研究［J］. 中国水利，2004(18):48 －53．