漕源之变:引沁济运的兴废与明代治河困局

明初,黄河南北摆动不定,人为分引河流众多,为解决大运河缺水问题,全线引河济运,引沁济运亦深受关注。景泰至成化朝,河臣主持引沁工程,实现了运河对沁河水多个方向的引用。弘治至嘉靖朝,治沁以筑堤疏浚为主,引沁工程的实施艰难,成为漕源的备用方案。隆庆至万历朝,围绕引沁入卫产生了一系列争论与矛盾,诸如朝中合流派与分流派治河理念之争、百姓生计与国家治漕之争、沁河上下游利益之争等。在漕运至上和黄河水环境变化的背景下,沁河在嘉靖朝中期以后经历了功能和地位的变化,民生与漕源的矛盾最终在保漕目的下得以调和。引沁济运的兴废反映出明代治河中的内在困局。

干旱和局部渗水对膨胀土渠堤稳定性影响研究

为探究膨胀土渠堤表面风干、地下水位升高和侧坡渗水等因素对其稳定性的影响,防控由此引发的现场灾害,开展了填方渠坡室内模型试验,研究了南水北调渠堤膨胀土含水量波动对渠坡变形和裂缝发育规律的影响,分析了边坡变形值、裂缝长度宽度与含水率、时间和渗水位置的关系,揭示了膨胀土含水量波动的致灾过程和时空发育规律。试验结果表明:(1)旱季坡面水分蒸发导致渠坡表层200 mm深度内首先产生垂直坡表面的“V”形簇状纵向裂缝,后逐渐水平发育,坡面最大沉降值为4 mm, 15 d后沉降趋于稳定;(2)雨季渠堤下部地基水位抬升使渠堤底部膨胀土发生显著膨胀,渠堤整体抬升3.32 mm;(3)在渠堤侧坡渗水中心点附近土体含水量上升8%以上,坝堤内自由水沿纵横向不均匀扩散而引起土体各向不均匀膨胀变形,并在右坡坡脚处产生长400 mm、宽14 mm的宽大裂缝;(4)基于膨胀系数的地基变形计算公式可以较好地预测渠坡浸水后各位置的变形量,有助于依据土体含水量判别各点的变形状态,为渠堤稳定性分析提供参考。

非满管流对渠管结合输水系统水力特性的影响

【目的】了解非满管状态下的渠管结合输水系统水力特性。【方法】采用物理模型试验与理论分析相结合的方法,对不同充满度下主渠流速分布与水面线变化、管道流速、分流比的变化规律进行了研究。【结果】不同充满度下主渠各断面紊动强度沿程均呈先升高后降低的变化趋势,在距管道入口纵向2倍、横向1.5倍管径的主渠区域内流速变化较为剧烈;在有管道存在的主渠壁面附近水面线变化剧烈,沿程呈先降低后增大再降低的变化趋势。通过量纲分析得到非满管流速表达式,采用线性回归分析法拟合得到非满管流速系数计算式,计算值与实测值之间的相对误差不超过8.81%。当主渠流量不变时,非满管流速系数随主渠傅汝德数的增大而增大,随水深比、充满度的增大而减小,分流比随充满度的增大而增大;当充满度不变时,随着主渠流量的增大,非满管流速系数增大,分流比减小。【结论】非满管流对主渠的影响范围有限,在安装闸阀以及量水设备时要尽量避开相关影响区域,采用本研究推导的流速系数公式只需获得主渠的傅汝德数与水深值,即能快速计算非满管流速值,在来水流不变的情况下可通过增大主渠水深来获得较大的管道流量。

南水北调中线总干渠污染物降解及自净能力研究

自净过程是影响河湖水体水质变化的重要因素,污染物降解系数是决定水体自净能力的关键参数。定量分析长距离输水过程中渠道本身的自净作用,对于认识总干渠水质变化过程,区分其他外源因素对水质变化的影响都有着重要意义。以高锰酸盐指数和氨氮为研究对象,采用室内实验模拟的方法测定了南水北调中线输水总干渠典型断面的污染物降解系数,并将模拟的自净衰减过程与水质实际变化过程进行对比。结果显示:①总干渠污染物降解系数k相对天然河流处于较低水平,陶岔断面k_(COD_(Mn))为0.055 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),郑湾断面k_(COD_(Mn))为0.049 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.003 d^(-1),大安舍断面k_(COD_(Mn))为0.032 d^(-1),k_(NH_(3)-N)为0.009 d^(-1);考虑到高锰酸盐指数实际组分复杂,渠道降解系数较模拟结果可能更低。②模拟的自净衰减过程受温度、流速的影响较大,不同条件下总干渠高锰酸盐指数将从1.8 mg/L下降至0.228~1.042 mg/L,氨氮浓度将从0.034 mg/L下降至0.026~0.030 mg/L。由于存在藻源性、大气沉降和坡面径流等外源输入增量,总干渠沿程实测高锰酸盐指数介于1.8~2.4 mg/L之间(2019年),基本维持稳定;氨氮浓度介于0.029~0.096 mg/L之间(2019年),有升高趋势。理想条件下,自净作用最大能够消减高锰酸盐指数增量的81.81%,消减氨氮增量的30.37%。研究成果可为深入认识南水北调中线总干渠输水过程中水质沿程变化提供参考。

On conservation and development of architecture and environment in the construction of large-scale national infrastructure——Exemplified by the Jiangsu Section of the Eastern Route South-to-North Water Diversion Project

The water-diverting route project’s characteristics,natural landscapes,and histories and humanism of the Jiangsu Section of the Eastern Route South-to-North Water Diversion Project were systemically analyzed through proposing and studying the canal culture routes,the water resources heritage corridors,the landscape and recreation corridors,and the town economic corridors.The station areas along the water-diverting route were scientifically zoned and graded through quantitative and qualitative synthetic methods.Both planning compendiums and construction controlling methods were proposed based on the project grades of points,lines,and areas.Conservation and development of architecture and environment in the large-scale national infrastructure construction were explored systemically.Theories and methods of developing harmonious water-supplying functions,ecological functions,landscape effects,and cultural effects of large-scale water resources were examined.

分水墩:一种水利遗产中蕴含的传统理景智慧

分水墩是一种古代江南地区人工堆筑的水利设施,常位于河道交汇处的水中央。其既有导航、阻水、分水等实用功能,又蕴含着丰富的历史文化、宗教信仰、人居观念等人文信息,是一种水利遗产和景观遗产。基于田野调查、社会访谈、历史文献检索和历史影像考证,分析分水墩遗迹的总体建置沿革、空间分布、文化内涵和理景理念、理景特征。得出分水墩理景擅于使用巧营人文节点的点景方式,融合“临近远借、登高远眺”的借景和造景手段,营造出“捍控水脉、耸秀中流、豁目开襟、聚景凝萃”的理景特征。这种将实用功能与景观创造融为一体的营建方式,体现了江南水利遗产特殊的理景智慧和赓续传统,折射出古人统筹全域环境,以点睛关键地段,提振人居聚落整体景观格局的全局理景思维。这是对中国景观遗产研究对象的一次补充完善,对认识和研究水利遗产中包含的传统风景园林理景理念具有一定参考价值。

地铁盾构区间下穿南水北调干渠研究

为保证南水北调干渠安全及地铁自身安全,以郑州市轨道交通7号线一期工程漓江路站—刺绣路站区间为例,开展对其盾构区间下穿南水北调干渠隧道工程设计与研究。分别从盾构区间平纵断面、隧道加强措施等方面,结合以往设计经验进行优化设计,提出更合理的工程设计方案,通过数值模拟验算该穿越过程的可行性。

二十世纪五六十年代黄河下游引黄灌溉失序原因重探——以人民胜利渠为中心

新中国成立后,以兴建人民胜利渠为标志拉开了黄河下游引黄灌溉的序幕。“引黄灌溉”作为一种利用黄河水资源,抵御干旱、保障农业生产的重要方式,在1949年后的黄河水资源开发利用史上具有代表性。二十世纪五六十年代,黄河下游引黄灌溉陷入“失序”状态,具体表现为:引黄工程蜂拥上马和灌区用水“大引大灌”,最终导致了严重的内涝和次生盐碱化问题。黄河下游引黄灌溉不得不按下“暂停键”。究其缘由,与完成粮棉高产指标和缺乏有效监管不无关系,根本上则暴露了黄河水权制度建设的缺陷,为开发利用黄河水资源敲响了警钟。随着黄河下游引黄工程的复灌,水权和黄河水资源管理也逐渐确立和规范起来。回顾这段历史,既是对新中国治水兴水艰辛历程的再回顾,也有助于我们理解当前黄河流域生态保护和高质量发展战略所要求的水资源集约节约利用的历史必然性。

南水北调中线电子渠道平台建设

南水北调中线工程输水线路长,沿线分水口门和控制设施多,水力学及调度控制响应是工程设计与运行管理的关键。在收集、整理南水北调中线相关资料的基础上,建立了南水北调中线基础地理、输水线路、控制工程及相关建筑物的综合数据库。采用自主开发的TGIS平台,集成了南水北调中线总干渠一维和局部二维、三维数学模型,在该平台下,能够进行输水能力计算、水力控制响应分析,为工程设计、管理和运行调度提供了基础平台。

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。

南水北调中线电子渠道平台研究及应用

以南水北调中线工程水力学分析和工程信息管理为背景,将基于GIS的电子渠道与长距离复杂内边界的非恒定流数学模型相耦合,建立了一个集工程参数管理和水力学模拟分析为一体的电子渠道平台.基础数据层、平台层和应用层的三层结构化设计方法和W indows多线程与信号同步技术,保障了GIS平台上的水力学模拟和计算结果的实时动态展示,为大型调水工程的数字化管理和运用研究提供了一个有效方法.

南水北调中线工程运行特性及控制方式研究

简要介绍了国家"十一五"科技支撑计划项目"南水北调中线工程关键技术研究与应用"课题四"中线工程输水能力及冰害防治技术研究"所取得的部分水力学研究成果,包括南水北调中线工程输水模拟平台的研制、中线工程数值仿真软件开发、分水口和节制闸的水力敏感性分析、闸前常水位控制算法、穿黄工程节制闸闸前水位确定、冰期输水能力及冰期运行控制等,研究成果紧密结合中线工程的实际情况,可应用于中线工程的运行、调度与管理。

北京市南水北调工程配套工程东干渠输水隧洞设计方案研究

东干渠工程是北京市南水北调工程供水环路的重要组成部分,输水隧洞全长44.7 km,内径4.6 m。由于输水线路长、埋深大、内水压力高、风险源多,设计工作面临众多难点,设计采用结构力学、二维和三维有限元等计算方法,取得结构应力分布云图,确定控制工况及应力最大区域,模拟特殊工况下的结构破坏形式,充分确保结构安全可靠。通过将HDPE高密度聚乙烯自粘胶膜防水卷材应用到多层防水设计中,解决了双层衬砌容易发生层间窜水的难题,为达到一、二衬联合受力效果提供了条件。采用地下连续墙围护结构及玻璃纤维筋作为洞门结构配筋,避免了大面积施工降水对环境的影响,提高了盾构进出洞的施工效率。面对众多地铁、铁路、桥梁等风险源,引入了科学的风险管理机制,采取有针对性的风险分级,进行了全面的检测、评估、论证,确保了工程建设顺利完成。

引配水对京杭运河杭州段水质的改善预测

根据平原河网的水动力和水质特点,建立了运河水系河网水质模型,并利用2007年该运河水系河网的实测水位及水质资料对模型进行验证。进行了杭州市主城区引配水方案下的水动力计算,并对设计水动力条件下的运河水质进行预测。结果表明,杭州市主城区引配水方案实施后,运河干流及主要支流水质将有较大改善。

大型输水明渠运行控制模式研究

以南水北调中线干渠为背景,研究了大型输水明渠闸前常水位运行控制模式。基于下游运行控制概念,提出了包括前馈控制、反馈控制和解耦三个环节的分布式集中控制方案。其中前馈控制采用主动蓄量补偿方法,用于消除计划分水等可预测扰动的影响,加快渠道的响应与恢复速度。反馈控制采用水位-流量串级PI反馈控制方法,用于消除非计划分水等未知扰动和测量扰动的影响。采用流量控制器降低下游方向渠池间的耦合影响。设计专门的解耦算法,降低上游方向的耦合影响。在南水北调中线京石段渠道上进行了仿真试验。模拟了计划分水和非计划分水工况下,各闸门的操作过程和相应水位流量响应过程。结果表明,所设计的控制方案能够有效减少大型输水明渠的时间滞后,快速消除已知分水扰动和未知分水扰动的影响,使闸前水位快速回复至目标值,控制过程中的水位波动满足安全限幅。

“人”形弯道环流是解决引水渠首泥沙入渠的有效途径

多沙河流上的拦河闸式引水渠首在中部设置进水闸引水 ,必然带来泥沙入渠问题。通过模型试验研究 ,人为地创造了形成弯道环流的边界条件 ,形成“人”形对称的弯道环流 ,将中进水闸前的泥沙导向远离中进水闸的两侧 ,通过左、右两侧泄洪冲沙闸排向下游 ,避免或大大减少进入中进水闸的推移质泥沙量 ,较好地解决了泥沙入渠问题。

大型渠道弧形闸门过流公式测试比较

【目的】利用大型渠道实测数据,评估不同弧形闸门过流公式的适用性和性能。【方法】以南水北调中线干渠严陵河闸为对象,收集约18000组监测数据,分析不同工况下的闸孔出流特性,测试国内外常用的7种过流公式。【结果】实测闸下收缩断面弗氏数位于0.152~0.985区间,超出了南科院(NHRI)经验公式的适用范围;实测孔堰流分界点e/Hu接近0.991,超出了武水(WHUEE)经验公式的适用范围。CAP公式、无量纲公式和3种二次型经验系数公式的数据拟合R2分别为0.989、0.996、0.809、0.822和0.832,流量计算平均绝对误差MAE分别为2.25%、2.65%、4.11%、4.08%和3.98%。各公式在低、中潜流比下(X_(r)≤0.9)流量计算误差|E|max均小于10%,在高潜流比时(X_(r)>0.9)达18%(CAP公式)、25%(无量纲公式)和36%左右(3种二次型经验系数公式)。【结论】所测大型弧形闸门的工作区间明显超出了南科院和武水经验公式的适用范围,5种国外公式在低、中潜流比下(X_(r)≤0.9)流量计算误差均在10%以内,在高潜流比下明显增大,推荐优先采用CAP公式和无量纲公式。

梯级泵站渠段水污染事故仿真及应急调度研究——以南水北调东线工程为例

以南水北调东线工程两湖段梯级泵站为研究对象,开展了突发水污染事故仿真模拟及闸、泵应急调度控制研究。利用突发水污染事故工况的梯级泵站输水一维水动力学和水质数值模型,探讨了污染物输移转化规律,预测其对水质的影响;针对污染物的传播速度、渠道水位变幅等限制条件,提出水污染事故下泵站及退水闸应急控制模式;在此基础上制定泵站和退水闸控制规则和方案,模拟分析不同控制方案下污染团扩散范围、渠道水位变幅、泄水量等参数变化情况,最终优选出最优泵站、闸门联合调度控制方案控制水污染事故,同时保证泵站及渠道的运行安全。研究成果可为东线梯级泵站工程突发水污染事故应急控制提供技术参考。

分水口运用引起的南水北调中线总干渠水力响应特征

大型输水渠道水力响应过程的特征参数,如渠道水位降落速率和水位波动距离等,对渠道的调度运行方式的制定有着十分重要的作用。利用南水北调中线工程电子渠道平台,对中线工程总干渠上的典型分水口的不同分流情况进行模拟分析,研究了分水口运用所引起的渠道水力响应现象,获取了水力响应过程的基本参数,为工程运行调度提供了参考。

引黄灌区侧向取水口泥沙淤积和入渠特性

以内蒙古磴口引黄扬水灌区为研究对象,根据4个灌水期泵站开、停泵时取水口前的泥沙淤积厚度以及运行期间取水流量和入渠含沙量的检测结果,研究了取水口泥沙淤积特性和入渠特性.结果表明,流速比和取水口分流宽度是影响泥沙入渠的主要因素.流速比越小,取水口分流宽度越大,横向环流作用越强,推移质入渠量越大.侧向取水的泵站,取水主流区偏向下游,当流速比增大时,取水主流区更偏向下游.在平面回流和横向环流的共同作用下,取水口推移质入渠量呈现下游大于上游的分布.取水口前设置拦沙坎可以有效地阻止推移质入渠,拦沙坎顶部设在距自由水面1.6 m以下,既可以极大地减少泥沙入渠,又可以获得较好的水流流态,防止水泵空化、气蚀.