水动力模型在河南黄河涵闸引水能力计算中的应用

李利琴 崔文娟 曹 然

(1.河南黄河勘测设计研究院，河南 郑州450003；2.郑州黄河河务局，河南 郑州450003)

新中国成立以来， 河南黄河的引黄灌溉事业得到了很大的发展，引黄灌溉济卫工程人民胜利渠渠首闸建成，引黄灌溉面积达30 万亩，此工程是新中国成立后的第一处大型引黄灌溉工程。目前河南省共有引黄灌区28 处，各引黄灌区主要分布在沁河口以下区域，灌区总设计灌溉面积2362.35 万亩，历史灌溉最大面积2172.28 万亩。除沿黄的三门峡、洛阳、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳7 市受益外，还包括非沿黄的许昌、周口、商丘、安阳4 市。

目前， 黄河干流河南段小浪底以下经常开启使用的引黄涵闸35座，总设计流量为1304.4m3/s。按地区划分，郑州辖区内引黄涵闸7 座，设计引水流量338.4m3/s； 开封辖区内引黄涵闸3 座， 设计引水流量231m3/s；焦作辖区内引黄涵闸3 座，设计引水流量180m3/s；新乡辖区内引黄涵闸11 座， 设计引水流量250m3/s； 濮阳辖区内引黄涵闸11座，设计引水流量305m3/s。 引用黄河水不仅保证了农业灌溉，而且还为沿黄城市提供了生活、工业和生态环境用水。 河南引黄灌溉面积正在稳定中不断发展。

河南省是农业大省，尤其是黄河两岸，更是以农业经济为主。针对目前河南黄河涵闸引水日益困难的局面，采用水动力模型开展河南黄河涵闸引水能力计算，为在一定程度上缓解引水困难的现状提供技术支持，对今后保障灌区灌溉是积极有益的。

1 模型引水能力计算基本原理及条件

1.1 计算基本原理

涵闸引水能力计算原理： 把河道中涉水建筑物引起的能量损失分为三部分， 第一部分为涉水建筑物占用过流断面使上游水流收缩引起的能量损失； 第二部分为收缩的水流经过涉水建筑物后再扩散所引起的能量损失； 第三部分为各种形状及排列的涉水建筑物本身造成的能量损失。 计算中考虑了糙率变化的因素，结合各种形状涉水建筑物的阻水机理考虑了各种局部阻力。

基本方程式是根据引水体系内两断面间应满足能量 守 恒 定 律 推 导 求 得， 即：Y2＋Z2＋

式中：Z2、Z1——上、下断面底高程；

Y2、Y1——上、下断面水深；

V2、V1——上、下断面平均流速；

a1、a2——动能校正系数；

g——重力加速度；

he——工程阻水造成的水头损失。

工程阻水造成的水头损失，包括摩阻损失与局部损失两部分，由下式计算:

式中：L——长度；

C——断面扩张或收缩系数。

摩阻坡度Sf计算：

1.2 计算条件及工况

1.2.1 断面选取

根据涵闸上下游河道情况，模型的计算范围，上边界至引水口断面，下边界至下游渠道末端断面。 计算资料采用各渠道和涵闸相关参数。 根据引水体系的不同，基本上分两种情况选取计算断面：

①引水体系只有穿堤闸：引水段首尾2 个起止断面、穿堤闸前引渠末端断面、穿堤闸上游断面、涵洞进口断面、涵洞出口断面，下游渠道开始断面，共设7 个断面。

②穿堤闸前有防沙闸：断面选取基本和穿堤闸一样，引水段首尾2 个起止断面、防沙闸前引渠末端断面、防沙闸上游断面、涵洞进口断面、涵洞出口断面、防沙闸下游渠道开始断面，防沙闸下游渠道末端断面、穿堤闸上游断面、涵洞进口断面、涵洞出口断面，下游渠道开始断面，共设12 个断面。

计算断面平面位置示意图见图1、图2。

1.2.2 边界条件模型上边界采用流量控制，下边界采用断面水位控制。

图1 计算断面平面位置示意图①

图2 计算断面平面位置示意图②

1.2.3 计算工况

模型计算考虑工况：在设计条件下，按不同流量级分别计算引水体系的过流能力。 以Q1＝1m3/s 为起点、△Q＝Qi＋1-Qi＝1m3/s 为步长，以穿堤闸设计流量Q 设为终点控制， 计算不同过流情况下的大河流量与引水体系的过流关系，点绘出引水体系水位～过流能力关系曲线，以涵闸的设计引水位对应的设计流量为控制点进行拟合。

图3 杨桥闸引水体系示意图

图4 闸前引渠参数及断面图

图5 闸后引渠参数及断面图

图6 闸孔断面图

2 涵闸引水能力计算应用

河南黄河杨桥引黄闸（以下简称杨桥闸）位于黄河南岸大堤桩号32＋021 处。 该闸建于1970 年1 月，为3 孔涵洞式水闸，孔口宽2.6m，高2.5m，设计引水位85.57m（黄海高程，下同），设计引水流量32.4m3/s，加大引水流量45 m3/s。 设计灌溉面积2.033 万公顷。 建筑物总长153m，其中：闸室和涵洞段共长86m，闸身宽度为10.9m；上游防冲槽段长6m，铺盖段长13m；下游消能防冲段长18m，海漫段长30m。

该闸自使用以来，主要承担杨桥引黄灌区内的农业灌溉、城镇生活和工业企业、乡镇人畜及生态用水任务，为中牟县工农业发展发挥了重要作用。

在杨桥闸引水能力计算中，采用了该模型中的相关计算功能对现状涵闸断面分别进行了引水能力计算， 从而确定了涵闸不同流量下相应的引水能力。 通过引水能力计算得出的结论也为涵闸引水能力提供了参考。 以下介绍计算过程及得出的结论。

2.1 计算断面的选取

杨桥闸为穿堤闸， 其引水体系内没有防沙闸等其它闸相连。选取引水段首尾2 个起止断面、穿堤闸前引渠末端断面、穿堤闸上游断面、涵洞进口断面、涵洞出口断面，下游渠道开始断面， 共设7 个断面， 断面之间可以任意划分成断面，理论上可以得到任意断面的引水能力结果。

2.2 计算过程

计算主要过程包括模拟引水体系、断面生成及参数的选取。

（1）模拟引水体系

随着森林面积的不断增加，保护任务加重，森林资源保护手段欠缺。林业信息化建设薄弱。尤其是森林防火方面，野外火源防不胜防，具有突发性和扑救的艰巨性。除了南北山各绿化区有承包单位进行管护外，近几年营造的重点林业工程权属多为集体，随着林地面积的增加，管护任务日益繁重，乱砍、乱采、乱挖屡禁不止，加剧了地表植被破坏。而我市林业信息化正处于起步阶段，林业资源信息化发展存在劣势。生态建设的信息资源整合力度不大，缺乏统筹管理，开发利用滞后，信息化应用跟不上林业核心业务的需求。

图中圆圈范围内为杨桥闸（图3）。

（2）闸前闸后引渠断面及参数选取（图4、图5）。

（3）闸孔及涵洞断面及参数选取（图6、图7）。

2.3 计算结果

本次计算未考虑渠道和涵闸的淤积情况，未考虑穿堤闸下游渠道上的节制工程和阻水建筑。以引水流量对应的引水位为参照点，计算结果见下图（图8、图9）。

3 计算结果复核

杨桥闸按相关规范进行计算，以此来复核模型结果的合理性。

3.1 闸孔过流能力

假设过闸流量为10m3/s，下游渠道水深1.6m，闸后水深根据水面线推求为hs＝1.92m。 假定闸门全开时洞高D＝2.5m 与H0的比值D／H0＞0.65，为堰流。

根据《水闸设计规范》 有关公式计算闸孔过流能力：

式中：H0—闸前水深（m）；

hs—闸后水深（m）；

ε—堰流侧收缩系数，取值0.95；

σ—堰流淹没系数。

B0—闸孔净宽。

经计算， 过闸流量为10m3/s 时， 闸前水深H0＝1.93m，D／H0＝1.3＞0.65，为堰流，计算公式合理。

3.2 涵洞过流能力

涵 洞 上 游 水 深H0＝1.93，H0与 洞 高D 的 比 值H0／D＝1.93／2.5＝0.77＜1.2，涵洞出口水深h=1.31m＜D，故涵洞内水流为无压流。 涵洞长L＝78m＞8H0＝15.44m，为长洞。

根据《灌溉与排水工程设计规范》有关公式计算涵洞过流能力：

式中意义同前。

经计算得，涵洞过流能力Q＝10m3/s，满足过流。

根据计算结果：闸前水深为H0＝1.93m， 闸底板高程为82.81m，即闸前水位为84.74m，杨桥闸过流Q＝10m3/s。

图7 闸后涵洞断面图

图8 水面线计算成果

从公式计算的结果看，模型得出的结果是合理的，运用该模型计算引水能力，在保证计算结果合理的前提下，又节约了时间和成本。

图9 闸前水位流量关系曲线

表1 复核表

4 结论与建议

模型可计算涵闸的水面线、水位流量关系及引水能力。 模型通过参数设定可以自动模拟建筑物的几何尺寸及外观，图文并茂的还原引水体系的整体性，使计算对象为连续的整体。 可建立绘图辅助工具，解决了与决策分析和图形绘制应用相关的需要。 模型适合目前黄河下游涵闸计算引水能力的需求，针对复杂的计算，能够节约计算时间，提高工作效率。

通过上述工程计算运用实例可以看出，该模型能够广泛的应用到黄河下游涵闸引水能力计算中。 通过计算，能够对现行涵闸引水能力进行复核，能对涵闸引水现状做出评价，也能够对涵闸的运行提供依据。 模型适合目前黄河下游涵闸引水能力复核的需求，针对复杂的计算，能够节约大量的人力物力。 在黄河下游涵闸中有着广泛的应用前景和意义。