玛纳斯河总干渠推移质输沙率公式分析

徐凤丽,牧振伟,郝 瑞

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐830052;2.新疆水利厅玛纳斯河流域管理处,新疆石河子832000)

推移质输移问题是泥沙运动力学和河床演变研究的一个重要内容,推移质运动是十分复杂的问题,迄今为止,对于推移质输沙率的研究已经有一百多年的历史。目前推移质输沙率公式数量很多,但公式的立论基础之间存在争议。近年来针对山区河流推移质输沙计算理论和方法有不少进展,但总的来说,山溪性河流推移质输沙的计算仍是一个众多学者持续关注而到目前为止还没有得到解决的问题。近年来,李山等学者对弯道式渠首设计及运行进行了研究[1～4],王忠等人针对金沟河渠首泥沙处理给出相关经验[5],侯杰、邱秀云等通过国家自然科学基金项目《悬板分层式引水渠首水力特性及输沙机理的研究》及横向试验课题对渠首的引水排沙措施做了研究[6～11],得到了解决具体型式渠首的引水排沙新措施。但以上研究都是基于实验室,或者根据实际工程运行定性总结出来的,缺乏定量的基础理论依据和代表性,防沙措施往往具有局限性。而关于新疆弯道式渠首推移质运动规律的计算分析文献报道很少,推移质运动对渠首引水影响缺乏理论依据,而推移质输沙率是山溪性河流进行科学研究的基础和工程应用的主要依据,由于以往有关天然河流泥沙观测资料较少,前人研究成果主要是以室内水槽实验基础得出的,从而缺乏天然河流实测泥沙资料比较和验证。

玛纳斯河属山溪性河流,据红山咀站实测资料,多年平均径流量12.6×108m3,多年平均悬移质输沙量315×104t,推移质泥沙约47×104t,占悬移质泥沙的15%。河流泥沙年际变化大,实测最大年输沙量547×104t,最小年输沙量82×104t,变差系数Cv达 0.57,年内分配极不均匀,年推移质输沙量40×104t,最大卵石粒径600 mm,主要集中在6月～8月,平均6月～8月的输沙量占全年的90%以上。

1 实测资料的选取与分析

采用直接量测法中的器测法,推移质采样器采用MB-Ⅱ型卵石推移质采样器。本文根据红山咀站实测资料中的平均水深、平均流速、床沙颗粒级配、实测推移质输沙率等参数资料进行筛选后代入各家公式进行计算,将计算结果与断面实测成果进行对比分析。初步确定适应于玛纳斯河总干渠的推移质输沙率公式。参数选取情况见表1。

表1 计算参数

将流量以升序排列,得到流量—输沙率,平均流速—输沙率,平均水深—输沙率,平均粒径—输沙率的关系,将其绘制到单对数坐标图上可得图1。

图1 流量、平均水深、平均粒径、平均流速与输沙率的关系

从图上可以看出流量—输沙率,平均流速—输沙率,平均水深—输沙率,平均粒径—输沙率之间没有直接的线性关系,关系比较复杂,有待进一步分析。

2 计算公式说明

推移质输沙率的研究目前主要分为水槽试验,现场实测及推移质输沙率公式的计算。推移质输沙率公式的形式千差万别,理论基础也各不相同,目前为止,在对推移质输沙率公式的研究中,依据公式形式理论基础大致可分为4类:概率论及力学相结合;建立在能量平衡观点的基础上,以拖曳力为主要参变数;从沙波运行的情况考虑;以流速为主要参变数[12,13]。本文通过选定公式对玛纳斯河总干渠推移质输沙率进行计算,将计算结果与实测输沙率进行比较,对适用于该干渠的推移质输沙率公式进行了初步探索。由于实测数据有流量,平均水深,平均流速,所以本文选定以流速为主要参变数的推移质输沙率公式与实测输沙率进行比较。各家公式的具体介绍见表2。

表2 计算公式

根据红山咀站实测卵石推移质级配资料分析,由于数据较少最终决定用算术平均粒径为计算粒径。流速采用断面平均流速,所有的rs/r均取2.65。选定利用武汉水利电力学院公式[14]来计算起动流速。摩阻流速U*采用曼宁-斯特里克勒公式[12]计算,式中h为平均水深,d为算术平均粒径。

3 结果分析

3.1 计算结果与实测数据比较分析

各公式计算值与实测输沙率在双对数坐标图2所示。从图2中可以看出,列维输沙率公式计算值与实测值整体吻合较好;其次是梅耶-彼得公式,其计算值与实测值吻合普遍较好;沙莫夫公式计算值与实测值部分吻合较好,但部分计算值比实测值偏小;窦国仁公式计算值普遍比实测值偏小。爱因斯坦公式当输沙率大于3时,计算值比实测值偏小;当输沙率小于3时计算值比实测值大。表明利用列维公式计算玛纳斯河的卵石推移质输沙率比较合适。

图2 各输沙率公式计算值与实测输沙率的比较

3.2 适用公式主要参数分析

对各家公式的计算结果进行对比分析,可以看出以概率论及力学相结合的爱因斯坦公式的计算结果与实测值偏差较大。而以流速为主要参变数建立的公式计算结果偏差较小。

由于山溪性河流通常坡陡流急,集流散流过程迅速,洪水猛涨猛落,水位流量变幅大,推移质多且大,水流挟沙能力变化急剧,同时河谷狭窄弯曲,两岸地质构造发育,岩石风化破碎,构成河床的床沙多为砾石、卵石等,颗粒粗、级配分布宽。相应的会使引入总干渠的推移质输沙率增大。在利用摩阻流速计算时计算结果与实测值偏差较大,主要是因为在选择某个代表粒径作为糙率尺寸ks时存在偏差,在用公式计算推移质输沙率的过程中,这些参数的累积偏差更明显。

4 结 论

(1)影响卵石推移质起动和输沙规律的因素复杂并且多,目前有许多因素尚难定量考虑,而天然渠道的情况较实验室更为复杂。本文从应用的角度出发,对玛纳斯站卵石推移质输沙率计算公式进行了初步选定分析。

(2)对于卵石推移质,选定合适的代表粒径计算是非常重要的。

(3)在选定玛河站卵石推移质起动流速和输沙率公式时,将卵石推移质近似为均匀沙处理,均未考虑泥沙颗粒之间的作用,在以后将进一步做出探讨。

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