浅析引汉济渭工程配水管网的流量设计参数确定

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(1.陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室，陕西 西安 710032；2.陕西省江河水库管理局，陕西 西安 710018)

浅析引汉济渭工程配水管网的流量设计参数确定

彭向平1，靳金平2

(1.陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室，陕西 西安 710032；2.陕西省江河水库管理局，陕西 西安 710018)

引汉济渭工程是解决陕西关中地区缺水问题的战略性骨干调水工程。工程建成后，配水系统调蓄能力成为工程供水效益能否充分发挥的关键，而作为保障配水工程调蓄能力的重要基础，配水管网流量设计参数的合理确定十分重要。通过建立引汉济渭输水模型，计算分析管道流量大小，进而确定了配水管道流量设计参数的大致范围。由于引汉济渭工程跨度大，沿途环境复杂，配水管网的流量设计参数未来需根据实际进一步细化确定。

引汉济渭工程；调蓄工程；配水管网；流量设计参数

1 工程概况

陕西省关中地区是陕西省经济社会发展的主体和核心地带，日益严重的资源型缺水问题制约着该地区的经济社会发展，并引发了一系列环境地质问题。引汉济渭工程是陕西省为解决关中地区缺水问题而建设的跨流域骨干调水工程[1]。该工程以汉江干流黄金峡水库(规划)及其支流子午河三河口水库(规划)为水源，由黄金峡泵站自黄金峡水库提水，通过无压引水隧洞、自流输水至黑河金盆水库下游黄池沟，连接关中供水网络，实现向关中地区供水。作为引汉济渭工程的重要组成部分，输配水干线工程包括黄池沟配水枢纽和渭河南干线、过渭干线、渭北东干线、渭北西干线等4条干线，总长度330.77 km。

由于引汉济渭工程水源区与南水北调中线工程水源区部分重合，为优先保障南水北调中线工程的供水水源，留给引汉济渭的可调水过程极不均匀，供水和用水需求过程匹配性差。引汉济渭工程建成后，配水系统的调蓄能力成为工程供水效益能否充分发挥的关键[2]。其中，合理确定配水管网的流量设计参数是保障引汉济渭调蓄工程得以顺利、高效运转的重要基础性工作。然而，引汉济渭工程空间跨度较大，配水管网所经地区自然地势等条件有很大的差异，而且不同地区引水工程调蓄配置方案有所不同，对管道的过流能力要求不同，这些都给配水管网的流量设计参数确定带来了困难。本文通过建立引汉济渭输水模型，基于对管道流量大小的计算分析，确定包括渠道糙率、断面尺寸等关键指标在内的流量设计参数。

2 引汉济渭输水模型

引汉济渭工程以隧洞和明渠输水为主，水流的运动形式主要是具有自由水面的无压自流水。一维非恒定流数学模型发展得比较成熟，计算简便，能满足工程精度要求，所以在各种河渠的水力模拟中得到了广泛地应用[3]。根据引汉济渭输水隧洞的自流输水的运行方式，通过求解圣·维南方程组来模拟隧洞中非恒定流过程，方程组形式如下：

(1)

(2)

式中：Z为水位，Q为流量，B为水面宽度，A为过流面积，ql为单位长度上的旁侧入流或出流，g为重力加速度，t为时间，s为沿程距离，R为水力半径，C为谢才系数。

从黄池沟到关中地区配水系统，存在倒虹吸、分汊渠道以及分水口等过水建筑物进行水量分配，因而需要作为内边界构建相应的配水系统模型，对于倒虹吸可以按照满流状态，也即有压输水状态进行计算。从模型模拟简便实用出发，可以不考虑水流在倒虹吸的内部运动，将其过水能力按有压管道公式进行计算，并认为倒虹吸进出口流量相等，即：

(3)

式中：μ为管道流量系数；Z0为包含行进流速水头的上下游水位差，即总水头损失。

由于工程设计时是按照加大流量进行倒虹吸设计，所以系数K根据加大流量下的水头损失求得，即：

(4)

在对其进行模拟时，根据倒虹吸的流量计算出起点和终点间相应的水头损失Z0，再将式(3)和(4)与离散后的圣·维南方程组联立求解，即可得到倒虹吸处进出口的水位。

对于分汊渠道，采用明渠分汊河段的处理方法，将渡槽、隧洞等与总干渠明渠相结合的地方看作是汊点，如图1所示。

图1 渠道汊点示意图

根据质量守恒，汊点处应满足流量相容，得汊点处的水流连续条件：

(5)

根据动量守恒，并忽略流速水头，阻力损失，可以近似认为汊点处端点水位相同有：

Zi=Zi，1=…=Zi，k=Zi，N

(6)

在模型计算中，分水口可以按侧向出流处理，即作为圣·维南方程组中连续方程的源汇项ql。这样处理的结果使得离散后的方程组已经包含了分水口的分水影响，因此分水口无须再作单独考虑。

3 输水干渠综合糙率确定

一般调水工程渠道沿程糙率系数的确定通常根据设计规范或者是根据公式计算，通过综合分析后取值。由于引汉济渭工程还处于规划阶段，还未开展具体的渠道设计。因此还不适宜根据水力学的计算公式来确定其糙率取值，而应根据设计规范、已有工程经验初步确定其糙率系数。Cowan[4]和Chow[5]提出一种确定渠道糙率系数n值的方法，即先确定渠道在直线、均匀和光滑状况下的基准值，然后再考虑各种影响因子对其进行修正，具体计算如下：

n=(nb+n1+n2+n3+n4)·m

(7)

式中：nb为顺直、均匀、光滑渠道的基准n值；n1为渠道表面不规则度对n值影响的校正因子；n2为渠道断面形状和尺寸变化影响值；n3为渠道中障碍物影响值；n4为渠道中植物生长影响值；m为渠道弯度校正因子。

引汉济渭工程渠道明渠段全线为混凝土衬砌，重大工程施工质量能够有所保证。基于Aldridge和Garrett的研究成果[6]，结合相关手册和设计标准，确定引汉济渭工程输水干渠综合糙率基准值为0.013。因为渠道的不规则度、渠道取直状况、渠道中障碍物和渠道弯度都会增加渠道的糙率。在糙率基准值nb的基础上，针对公式(7)中的各个影响因子，对渠道糙率系数进行相应地调整。(1)引汉济渭工程属于重大工程项目，其施工工艺应有保障，在施工完成和运行初期，渠道表面会比较光滑，渠道表面不规则度对糙率系数的影响相对要小。同时，根据已有国内外调水工程的实际经验，运行一定时间后，即使在管理完善的前提条件下，渠道表面总会有一定程度的侵蚀或者边坡冲刷，在此将渠道表面不规则性对糙率的影响值n1取为0.001。(2)如果渠道断面和形状的变化是渐变和均匀的，即使渠道断面的形状和尺寸变化比较大，对糙率n的影响也不会显著。引汉济渭工程沿线渠道断面的尺寸和形状应属于缓慢渐变过程，沿程也不存在断面突然收缩或者扩张的情况，因此，可以认为渠道断面变化对糙率的影响可以忽略，n2取值为0。(3)障碍物，诸如圆木、树根、大石头、残骸、桩和桥墩，会改变渠道中的流态，从而增加渠道糙率。其影响大小取决于障碍物的形状、障碍物相对于渠道断面的尺寸、以及障碍物的数量、排列和间距。引汉济渭工程为隧洞输水为主，沿程全封闭模式，渠道中存在圆木、树根、孤立的石头、桩和残骸的可能性很小。因此，n3取为0。(4)渠坡植物生长会增加水流的紊动和渠道的粗糙程度，减少渠道输水能力。引汉济渭工程渠道运行期间，明渠边坡上不可避免地会在一些缝隙中长草，但考虑到将来运行期间的良好管理，边坡上长草的覆盖面积不会超过25%的湿周。同时，工程的封闭式运行方式，沿程无雨水的排入，大量密集生长水草的可能很小。因此工程渠道渠底的水草生长情况应该不明显，n4取为0。(5)弯度的影响取决于弯渠道总长与直渠道总长的比例。引汉济渭各段总体来讲，属于长直渠道，完全可以认为弯度对工程渠道糙率的影响可以忽略不计，即m取值为1。

综上所述，在施工质量得以保证，运行管理质量水平比较高的前提条件下，根据设计规范和以往经验初步估计引汉济渭工程输水段糙率系数n取值为：

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

4 配水管网管径及明渠水力设计

在实际的输水工程设计中，管径和明渠断面的设计可以采用均匀流的方法进行设计。

1)对于管径D，根据管段长度L、管段流量Q和管段首末的水头差h确定：

J=h/L

(8)

S=J/Q2

(9)

(10)

式中：J为水力坡度，S为管段比阻，n为管壁糙率。

引汉济渭工程黄三段与南水北调中线一期工程末端河北段流量(设计流量60 m3/s，加大流量70 m3/s)相近，参考其水力坡度，取最大值Jmax为3.31×10-4，最小值Jmin为7.71×10-5。计算得到管道内通过流量为70 m3/s时管径的范围为9.09≥D≥6.91。

2)使用明渠输水时，需要根据当地地形条件确定明渠形状和面积。对于梯形断面，采用明渠均匀流渠道断面尺寸公式计算其底边长b和水深h。

(11)

式中：Q为流量，n为渠道糙率，m为坡道系数，i为渠底纵坡，β为宽深比。β可根据水力最佳断面条件或实用经济断面条件确定。

从上述分析可以看出，由于引汉济渭工程空间跨度较大，管网所经地区自然地势等条件有很大的差异，实际工作中还需根据不同渠段实际情况，结合其最大过流量进行分段设计。

5 结语

合理确定引汉济渭工程配水管网的流量设计参数是保障引汉济渭调蓄工程充分发挥效益的重要基础。本文基于圣·维南方程组建立引汉济渭工程输水模型，计算分析管道流量大小，进而给出配水管道流量设计参数的大致范围。其中灌渠糙率通过先确定渠道在直线、均匀和光滑状况下的基准值，然后再考虑各种影响因子对其修正得到；管径和明渠断面采用均匀流的方法进行设计。然而，由于引汉济渭工程空间跨度较大，在实际工作中配水工程各渠段断面设计(形状、大小)需要从施工、运行和经济等各个方面进行比较分析，进而确定最终方案。

[1]杨晓茹，费良军，张永永，等. 引汉济渭调水工程受水区水资源优化配置研究[J]. 水利与建筑工程学报.2012.10(4)：6-10.

[2]刘家宏，严伏朝，牛存稳，等. 浅议引汉济渭配水工程调蓄研究的关键问题[J].中国水利水电科学研究院学报.2014.12(3)：244-248+257.

[3]田兆伟. 一维非恒定流数学模型在东江的应用研究[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

B

1004-1184(2017)05-0180-02

2017-05-17

彭向平(1982-)，女，陕西杨凌人，工程师，主要从事水利工程管理工作。