黑山峡至玉门关 云运河水力计算研究

黑山峡至玉门关调水工程运河水力计算研究

摘要

本文针对从黑山峡（海拔1420米）调水至玉门关（海拔1300米）的运河工程开展水力计算研究。工程总距离约1000公里至1200公里，设计过流能力超2000立方米/秒，水面最大宽度500米，水深不超过8米。基于自然河流工况，深入分析运河流量、流速、水头损失及水面坡度等水力特性，为工程设计筑牢科学根基。

一、引言

黑山峡调水工程旨在引黄河上游水资源至西北干旱区，改善生态环境，推动区域经济发展，对缓解西北水资源短缺意义重大。本文通过水力计算，剖析运河在自然河流工况下的水力特性，确保工程设计科学合理、切实可行。

二、工程概况

起点与终点

工程起点为黑山峡，海拔1420米；终点为玉门关，海拔1300米，总落差约120米。

设计参数

总距离：1000公里至1200公里

设计流量：2000立方米/秒

水面宽度：最大500米

水深：不超过8米

将黑山峡大坝加高至1420米至1450米之间，长江黄河水资源输送到干旱缺水的西北地区，

云运河中间段走向

如果南水北调西线调来320亿立方米，黑山峡原有330亿立方米，二次降雨增加200亿立方。总共800亿立方米以上，以吨水一元，不收地租在甘肃形成约3亿亩耕地

三、水力计算基本原理

（一）流量与流速

流量（Q）指单位时间内通过某一截面的水体积，计算公式为：Q=A×v

其中，A为过水断面积，v为流速。

（二）水头损失

水头损失涵盖沿程水头损失和局部水头损失。对于明渠，沿程水头损失一般用谢才公式结合曼宁公式计算，公式为：hf=S×L

其中，S为底坡，L为渠道长度；

局部水头损失计算公式为：hl=ξ×(v²/2g)

其中，ξ为局部水头损失系数，v为流速，g为重力加速度。

（三）明渠均匀流公式

明渠均匀流的流速计算公式为：v=C×R^(2/3)×S^(1/2)

其中，C为谢才系数（C=1/n，n为糙率），R为水力半径，S为底坡。

四、运河水力计算

（一）过水断面设计

采用梯形断面，底宽为200米，边坡系数为1:2，水深为8米。计算过水断面积：A=b×h+m×h²

其中，b为底宽，h为水深，m为边坡系数。代入数据得：A=200×8+2×8²=2256平方米

（二）流速计算

设计流量为2000立方米/秒，流速计算公式为：

v=Q/A=2000/2256≈0.89米/秒

（三）水头损失计算

沿程水头损失

假设运河糙率为0.02，底坡为0.0001（根据地形高差计算），水力半径R为：R=A/P

其中，P为湿周。计算得：

P=b+2×h×√(1+m²)=200+2×8×√(1+4)≈239.4米

R=2256/239.4≈9.43米

根据谢才公式（C=1/n），代入数据得：

v=(1/0.02)×9.43^(2/3)×0.0001^(1/2)≈0.92米/秒

与设计流速接近，表明设计合理。

沿程水头损失：hf=S×L=0.0001×1000000=100米

局部水头损失

局部水头损失主要发生在隧洞进出口、弯道等位置。假设局部水头损失系数为0.5，流速v≈0.89米/秒，计算局部水头损失：

hl=0.5×(0.89²/(2×9.81))≈0.02米

• 总水头损失

总水头损失为：

Ht=hf+hl=100+0.02=100.02米

• 水面坡度计算

水面坡度S为：

S=Ht/L=100.02/1000000≈0.0001

表明水面坡度符合自然河流工况。

五、水力特性分析

（一）流速分布

运河流速在0.89米/秒至0.92米/秒之间，流速分布均匀，能保证运河输水效率和稳定性。

（二）流量稳定性

总水头损失为100.02米，虽小于工程总落差120米，但需进一步考量长距离输水过程中的其他因素对流量稳定性的影响。

（三）水深与断面设计

设计水深为8米，底宽200米，能满足2000立方米/秒的过流能力需求，同时规避了过深水位带来的施工难度和安全隐患。

六、结论

通过对黑山峡至玉门关调水工程运河的水力计算，结果表明：

• 运河设计流量为2000立方米/秒，流速在0.89米/秒至0.92米/秒之间，流速分布均匀，可满足工程需求。

• 总水头损失为100.02米，小于工程总落差120米，具备自流输水的基本条件，但长距离输水的流量稳定性还需深入研究。

• 设计水深为8米，底宽200米，既能满足过流能力需求，又能降低施工难度，工程可行性较高。

综上所述，该调水工程在水力设计上具备一定合理性，但仍需对长距离输水的稳定性等问题作进一步研究与完善，从而为塔克拉玛干沙漠及其周边地区提供稳定可靠的水资源，助力区域生态修复和经济发展。

参考文献

[1]《水力计算手册（第二版）》

[2]《水力学》（河海大学）

[3]《水利工程中的水力计算与模拟》

[4]《水力计算手册》

声明本人所学专业为电气工程自动化，非水工相关。

须发已花白，自学能力很差。

计算可能存在基本常识性错误，如有恳请批评指正。