给王诗成副厅长的信(1)

来源:北京铁道科学研究院退休研究员   发布时间:2015-05-21 03:49:47 

王诗成副厅长:

20071219北京晚报上,看到以“山东可开凿海水大运河”为题的一篇文章,文章介绍了您提出的人工运河两大功能及运河长度、断面尺寸等参数。我是一名水利工作人员,曾经做过三十几年的河道水工模型试验,对河道的水流速度、水面比降、断面形状口、阻力系数等参数之间关系较为熟悉,粗看介绍文章之后就感到此项工程的技术可行性不大,随即打开电脑,在网上收集资料,根据有限资料做的水力计算表明,此项工程的技术可行性确实不行。主要原因是河道长度太大,胶莱两湾的水位差(含潮差)不大,运河中的水流速度太小,一湾的水流还没有流到另一湾之前,两湾的潮位早已改变增减方向,在一个潮汐涨落的全过程中,两湾的部分水体只能在运河中南来北往的流来流去,挟污水体流不到运河以外,不能实现两湾水体的交换功能。您的倡议只有在运河长度较短,两湾水位差较大的情况下,才有实现的可能。

下面拟用具体的计算数据予以说明:

一、计算参数的选用及解说:

1、运河长度:计算中取130公里,计算长度可以使河道水流速度加大。

2、计算断面:取运河两湾中间的一个断面。河宽1000,主航槽3012副航槽700,水深5。这样,全断面的平均水深为7

3、计算水位:根据中国海洋大学陈宗镛教授的研究,胶莱两湾潮位呈现此消彼长之势。为使计算结果更明确,计算假定一湾的潮位最高时,恰好另一湾的潮位最低。

各湾河口处的潮位变化,最好能有大潮期间24小时的同步观测资料,因为没有,这里采用夸大的计算数据,认淡一湾潮位最高上升3米时,另一湾潮位同时下降3米。这样采用数据的计算结果会使河道中的纵向水面比降增大,水流速度加快。130公里河道中水面比降24小时的变化如下图所示。(图略)

图中A点代表胶州湾一侧河口潮位最高的水位,B点代表莱州湾一侧河口最低时水位,实线表示相应的河道水面线,虚线表示莱州湾水位最高面胶州湾水位最低时的河道道水面线。AD两点之间的高差是24小时胶州湾河口的水位变化,BC点的高差是莱州河口24小时的水位变化,河道中其它各处的水位变化幅度在虚线和实线之间。河道中段可能会有相当长的一段范围,断面水位高度没有明变化,图中显示仅有一点,是绘图中夸大了变化的高差所至。

计算唢有考虑胶州湾比莱州湾的水位差不多高出1米,原因是河道水是往复运动,高出的1米对胶州湾流向莱州水流可以增大比降,增加流速,而对莱州湾流向胶州湾的水流则相反,作为估算,可以不必考虑得那么仔细。

水面比降:根据计算中水位中采用的数据,两湾的最高水位差是6,因此,130公里河段最大水面比降为:6m/30000m=0.000046.

4、河道阻力系数:河道断面平均糙率系数n值,按糙率系数表采用n=0.03。(主槽部分n值会小一些,可以采用n=0.025,其它部分的n 值可以采用n=0.035-0.04

二、计算及分析结果:

1、采用最常用的曼宁公式计算河道断面流速:

V=c×(RJ)^0.5

C=1/n×R^(1/6)

式中V-断面流速,单位米/秒:

R-断面水力半径,明渠计算中R值可以采用平均水深替代,这里R7

J-水面比降,这里为J=0.000046

C-舍齐系数。按给出的舍齐公式计算,断面的舍齐系数为:C=46.103

按流速公式计算出的河道断面平均流速为:

V=43.103×(7×0.000046)^0.5=0.83/

计算全部采用了对计算结果十分有利的数据,因此预计如果按目前公布的数据开挖运河,运河通航后的实际断面流速不可能大于0.83/秒。

2、为什么说运河不能实现两湾水体的交换功能?

利用上面的计算结果,假如两湾中的侧河口在水位最高时有一块挟带污染特的水体开始沿运河向另一湾方向流去,那么24小时之后,这块水体流会到什么地方呢?能流到另一个河湾中去吗?D

简单计算可以得出,这块水体24小时流过的距离为:S=0.83/秒×24小时×3600=71712米,约72公里,72公里小于130公里,即挟污的这块水体还没有流出运河之外。

实际上的挟污水体远比这样计算的距离要短,因为在24小时内这块水体的流动过程之中,河道的纵向比降随两潮位的变化在不断的变缓,流速越来越小,挟污水体运河水流速度虽小,但挟带海藻、微生物、水面浮油等杂物的能力还是有的。所以说,如果按目前的预想开挖运河,运河很可能成为新的污染地,特别是在两湾采用某些导流措施激起岸边的局部环流以后。

三、计算与分析的结果是否合理可以借助水工试验直观验证

长江三峡施工之前,曾由多家水利院所作水工模型,论证其可行性。作为1000亿元投资的重大工程,在有经费来源的情况下,可能考虑水工模型试验。

从模型试验的河道中,用不易扩散的染料或少许油污等代表挟污水体,可以直观地看到挟污水流是在运河中作往返流动,还是能够流出运河之外。

试验在先取合适的模型比尺及模拟两河湾河口处24小时水位变化时,会有相当的难度,但作为科学的定性判断,预计是可以解决的。

需要说明的是,请另找做这个试验,一则,我做试验证明我的论点缺少说服力,二则,我已经七十开外,没有这个能力了。

试验仅需要以下基本资料:

1、胶莱运河的设计走向及130公里的设计河道的纵向地形高程数据。

2、胶莱两湾河口处建立临时观测水尺,同步记录一个月左右的逐日24小时水位变化。如有特大潮位月份的观测资料更好,没有的话,能有发生频率较高的中低潮位的资料也行。

3、河道断面设计尺寸。

四、是否存在采用某些工程措施后就可以使运可开挖变为可能?

肯定的回答是:基本上不存在!

原因有以下几点:

1、两湾的潮位差是天然的,不能人为改变。

2、运河长度缩短的幅度有限。

3、加大运河断面尺寸虽然可以增大水流速度,但考虑目前的设计尺寸已经不小了,再增加的可能性估计也不大。

4、在运河上修建水闸等,只能增加河道阻力,减缓流速,结果将适得其反。

其中,12两点是问题的关键所在。我们没有办法把运河水流的纵向水面比降从十万分之几提升一个数量级,因此,以两湾水体交换为目的的运河开挖也就是没有可能的。

五、关于本文的处理建议

从网上论坛中看出,诸多专家和领导支持开挖运河,本文似有挑战和泼冷水之嫌。本人不想成为论争的一方,请您把我的计算结果私下转达给支持开挖运河的有关专家即可,如有疑问或认为计算数据取用不当,计算分析不合理等等,建议给我发送电子邮件,地址是:caorzh@yahoo.com.cn

收到本文以后,期望告知已经收到。谢谢!

100081 北京铁道科学研究院铁3410

退休研究员 曹瑞章

20071224

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