本帖最后由 彩色风筝 于 2022-5-3 10:06 编辑
输水渠道流量计算的曼宁公式简介南水北调中线从丹江口水库约 150 米高程取水,经 1300 公里输水渠道送到约 50 米海拔的终点北京,共 1300 公里的路途,纯靠一百多米的水落差驱动。水流坡降不到万分之一。这个坡降大约相当于三峡大坝之后的水位一直到长江入海口的平均坡降。 水在渠道中靠天然坡降流动的水流速度,可以用曼宁公式计算。具体来说,水速正比于坡降的平方,水力半径的]问题就出在用什么曼宁糙率数据来计算才合理。普通清洁的天然河道的曼宁系数约 0.04,如果长上水草会更高,视河床状况而定。干净的打磨平滑光洁的混凝土表面,其曼宁系数是 0.013。南水北调东线和中线所有设计施工,看来都采用 0.013 的曼宁系数。这对吗? 问题出在这里。理想条件下清洁而光滑的混凝土表面,曼宁系数才会低到]南水北调的设计施工者一切都按照最优条件计算,违背了工程设计里一切都考虑到最坏情况的基本设计原则。这是在欺骗自然规律和工程规律。最坏的情况,如果有可能发生,就必然会发生。最优的条件,如果未必能达到,就必然达不到。这是基本规律。南水北调的设计者假设一年 365 天都能按照最高效率输水,不管枯水季节还是洪水季节,他们还假设渠道永远保持清洁光滑,曼宁系数不会超过 0.013。他们还假设水头分布的理论计算完全正确,输水渠道各段的水位,水速,完全和理论计算吻合。在所有一切保持完美无缺的,并且长期保持完美无缺的情况下,他们认为可以达到一年输水 100 亿吨的目标。 事实情况远没有那么完美,事实要骨感得多。 南水北调中线京石段的四次输水远未达到设计要求 南水北调中线的石家庄到北京段,已因北京奥运先期建成。至今已四次通水,效果如何? 四次通水累计输水 16.1 亿吨。第四次通水从 2012 年 11 月 21 日到 2014 年 4 月 5 日,共有 500 天,输水 4.82 亿吨。平均流量为每秒 11.2 立方,按此流量每年输水量为 3.5 亿立方,远远低于每年输水 100 亿立方,入京 50 亿立方的原定工程目标。而输水渠道的截面面积有 60 平方米,按照流量每秒 11.2 立方算,水流速度仅有每秒 0.19 米,极端缓慢。 再把数据和第一次输水对照。第一次输水,按照杨开林、汪易森的论文中实测数据,流量为每秒]再次重申,中线的工程设计目标是年调水 100 亿吨,入京 50 亿吨。就是平均流量要分别达到每秒 320 立方和 160 立方。现在看远远达不到这样的目标。 泥沙沉积将很快毁掉南水北调工程 天然的水流,即使没有任何污染,也并不是纯净的,其中携带有大量泥沙。这些泥沙会在输水渠道中积累,是水流缓慢,甚至完全停滞下来。泥沙沉淀是个非常严重的问题。但是在南水北调的论证和实施中,根本没有泥沙组的专家参与,因为他们知道泥沙的问题根本就无法解决。泥沙会毁掉南水北调工程。 我们先来看看一些数量级数据。丹江口水库每年入库水量为]再看看长江,每年入海流量约一万亿立方,携带入海的泥沙有五亿吨。这是约 0.05.% 的泥沙含量。长江下游的水速约每秒 2.5 米。在这样水速条件下,能够携带 0.05% 的泥沙。 水流携带泥沙,和水速关系很大。发洪水时,不但水极度浑浊,并且大块的石头都被水流推着走。可是枯水时节,即使很小的泥土颗粒都会沉淀江底,成为泥浆。这个水速和泥沙颗粒大小的相关关系很敏感。物理计算表明,这个相关关系是六次方关系,假如水速增加到两倍,二的六次方就是]丹江口入库水流速度每秒 3.5 米,就能携带 0.5% 的泥沙。长江下游水速每秒 2.5 米,是丹江口的 72%。而 72% 水速的六次方是 14%,携带 0.5% 泥沙就减少到携带 0.07%,多余的泥沙便沉淀到江底了。因此,只要水流略缓,泥沙的沉淀是惊人的。 专家计算,98%]假如每秒流速 2.5 米的长江水可以携带 0.05% 的泥沙,那么 0.01% 是五分之一的泥沙量,按照六次方根算,水流速度每秒 2 米的流速,可以把泥沙冲刷走。但是水流若只有每秒一米或者更低,那么这部分泥沙的 98% 都要沉淀下来。每米的渠道每年要沉淀 750 公斤的泥沙,这是非常惊人的沉淀速度。因此,输水渠道水速无论如何都不能低于每秒 2 米。否则泥沙问题很严重,无法解决。 可是实际数据已经告诉我们,京石段第一次输水时,水流速度仅有每秒]最新的报道,石家庄段开始充水试验。数据很不妙,文中叙述石家庄段全长 123 公里,设计入境流量为每秒 220 立方,出境流量每秒 170 立方。可根据报道,这段 123 公里渠道,水流从入境到出境总共花了整六天,平均水流速度仅每小时 0.85 公里,或每秒 0.24 米。按照这样的流速,流量不到每秒 14 立方,比设计的入境流量每秒 220 立方,出境流量每秒 170 立方,低了不止一个数量级。并且这样缓慢的水流,泥沙沉淀无可避免,工程因此被摧毁报废,是几年内无可避免的结果。 失败的南水北调工程后患无穷 南水北调中线渠道横跨中原大地,高悬于地,流经人口稠密的城镇。若是略有差池,渠毁水漏,滔天洪水,夺命无情!我们敢肯定不会出事吗?我们来拿沙河渡槽来算算。 沙河渡槽的箱式槽是两箱并行,输水截面加起来]我可以保证的是,水中含有腐蚀性的无机盐分,在巨大重力压迫下,水泥是不抗拉的,必然开裂起缝,纯靠钢筋支持。而钢筋暴露在空气,水和无机盐中,日久腐蚀,无法耐久。 南水北调渠道若出事,必有突然性,沿途居民,绝难有逃生机会。 北方冬天冷,若遇极寒天气,渠道必然结冰冻结,胀破渠道。无法修复。这个问题无解。 失败的南水北调将如何收场?我实在难以想象。也许他们现在能够做出的最好选择,正如已经运行的东线一样,建成后就基本上搁置不用,成为一道中看不中用的风景线罢。 缺水的中国北方如何摆脱困局 中国北方极度缺水,干渴难忍。可是指望南水北调解决问题,是盼不上了。规划中的东线和中线各每年调水一百亿吨,是指望不上的。顶多每年有三亿多吨入京就了不起了。这笔天文数字的调水投资,确实是扔在水里了。 事实上,按照地理条件算,北方并不缺水。中国国土年降水量为六万亿吨。北半个中国的得到两万亿吨,平均年降水量约六百到七百毫米。相比之下,南水北调即使每年调水能够达到一百亿吨,和老天爷的赏赐相比,只是九牛一毛,无济于事。 北方缺水是人为的,环境污染,水土破坏,至无水可用。因植被被破坏,天下雨的水无法截留,直接变成洪水奔流入海。治理之道当保护环境,恢复植被,让雨水被植物截留,渗入地下留存。再不济拦坝筑人工湖蓄水。不能让洪水白白流走。 北方煤炭开采摧毁自然资源,大量摧毁地下水资源,必须悬崖勒马,不能无止境挖煤了。必须显著减少煤炭开采量,留些给子孙,让土地休养生息。不足的煤炭资源可以进口。 城市用水,不能依赖过量开采地下水了。地下水无非来自地面,绝不能作为常态的水源供应,只能作为特殊情况下的应急水源。城市用水,应该另辟来源,大量地开发海水淡化。同时大规模提高水价,让居民懂得水的珍贵,也可鼓励民间投资开发海水淡化。 北方农村在长期缺水中,为求生存家家户户建造水窖。这是一个好办法。再干旱的地方都会有雨下。不能让雨水白白流,必须积起来慢慢用。但是,每家每户自行修建水窖,耗资太高,规模太小。必须通过扩大规模来减少成本。水窖无非围一圈墙把雨水积起来。围住的雨水量正比于围住面积,修建成本正比于围墙周长。因此周长长两倍,能围住面积就是四倍,就有四倍的水。应该一个村庄建一个打水窖足矣。一个城市建一个特大水窖,或者说是人工湖,也足矣。年降雨 700 毫米,如果能够留存 500 毫米,一平方公里就是五十万吨的水。一千平方公里就是五亿吨水。围成圆形,只需顺势修 112 公里的围墙即可。利用地形灌入地下。北京乃至整个华北的水危机,如此可以化解也。
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