黄河上游镫口扬水灌区渠道输沙特性研究

2018-09-10赵琳琳马太玲于健李超

人民黄河 2018年2期

关键词：特性

赵琳琳马太玲于健李超

摘要：以黄河上游镫口扬水灌区总干渠为研究对象，研究了引黄渠道泥沙的输移、沉降与悬移特性，分析了含沙量的变化规律及其与各影响因素间的相关性。结果表明：总干渠挟沙力和水流速度、悬移流速及起动流速三者间的关系对含沙量及渠道的冲淤状态有显著影响；含沙量的变化规律具有沿程减小、沿程增大、变化平缓和起伏较大4种状态；含沙量S与各因子相关性由强到弱的排序为流速U、沉速ω、床沙中值粒径D50床、水深h和悬移质中值粒径D50悬，S与U、ω、D50悬均成幂函数关系，与h成线性函数关系，与D50床成指数函数关系。

关键词：特性；渠道输沙；镫口扬水灌区；黄河上游

中图分类号：TV146+.1；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.003

镫口扬水灌区地处黄河上游，该处黄河非汛期平均含沙量为1.3～3.0 kg/m，，汛期平均含沙量为4.5～7.8kg/m3，多年平均含沙量为4.46kg/m3，悬沙中值粒径为0.002～0.050mm。引黄灌溉致使灌区渠道产生了严重的淤积问题，近年来虽然采取了一定的防淤措施，但是渠道淤积问题并未改观。笔者以该灌区总干渠为研究对象，利用2012-2013年的现场采样数据进行分析，研究了渠道泥沙的输移、沉降与悬移特性，分析了含沙量变化规律及其与各影响因素间的相关性，以期揭示灌区渠道的冲淤变化规律。

1 采样时间和采样点设置

2012年、2013年共采样5次，分别在总干渠内泵站出水口、东富桥、伊泰桥、官地桥、土合气桥、大巴拉盖桥、小巴拉盖桥、总干渠末端共设置8个采样断面，每个采样断面设置9个采样点。

2 监测指标及分析内容

现场采样监测内容：采集总干渠各断面悬移质、推移质和床沙，测定各采样断面的垂线水深和流速，测量各采样断面的渠底高程（每次灌水前后）。室内检测分析指标：悬移质和推移质含沙量、颗粒级配。检测分析方法：含沙量采用烘干法，流速采用旋桨流速仪测定，泥沙颗粒级配采用激光粒度分析仪进行检测分析。

3 总干渠泥沙淤积特性及其影响因素

泥沙受水流紊动和本身重力与惯性力的共同作用，在水流中表现为悬移质的沉降和床沙的悬移等特性，从而影响渠道含沙量的变化和渠道的冲淤状况。本文通过分析泥沙沉速来研究悬移质的沉降特性，通过分析水流流速、悬移流速和起动流速三者的关系来研究床沙的悬移特性。

3.1 悬沙的沉降

由于泥沙密度大于水的密度，因此水中的泥沙颗粒将受重力作用下沉，在静水中下沉的速度与颗粒粒径成正比，下沉速度的快慢直接影响渠道的淤积情况[1-2]。本文采用斯托克斯[3]公式计算泥沙沉速：式中：γs和γ分别为干沙和水的容重kN/m3；g为重力加速度，m/s2；d为悬移质中值粒径，m；v为运动黏滞系数，m2/s。

由式（1）计算得到总干渠泥沙的沉速为0.13～5.70mm/s，变化范围较大。2012年悬移质粒径较小且较为均匀，计算得到的泥沙平均沉速较小；2013年悬移质粒径较大且不均匀，计算得到的泥沙平均沉速较大。各次采样各断面泥沙沉速见图1（图中部分悬移流速过大而无法表示，以6m/s代替，实际值远远大于6m/s）。

3.2 床沙的起动

沉降的泥沙形成床沙后，在一定的水流条件下会再次起动。根据泥沙动力学理论，泥沙的起动流速主要受重力和黏结力的影响，泥沙之间的黏结力随着粒径的减小而增大，粒径越小起动流速越大。对于有黏性的引黄泥沙，使用比较普遍的起动流速公式主要有窦国仁、张瑞瑾和沙玉清公式[4-5]。本文研究对象为引黄灌区泥沙，颗粒较细，泥沙粒径范围为0.021～0.163mm，黏结力起主导作用，故采用张瑞瑾公式[6]计算泥沙起动流速：式中：Uc为床沙起动流速，m/s； h为水深，m；d'为床沙中值粒径，m；ρs、ρ分别为泥沙和水的密度，kg/m3。

由式（2）可知，相同水深下，起动流速与床沙粒径成反比；相同粒径下，起动流速与水深成正比。将起动流速Uc与水流速度U进行对比可知，总干渠内大部分情况下U>Uc，即大部分情况下床沙均可起动，但起动后能否形成悬移质还要看其能否满足悬移条件。各次采样各断面床沙起动流速见图1。

3.3 床沙的悬移

天然河渠中，含沙量不很高的挟沙水流一般属于非均质两相流，对于床面上的泥沙颗粒，当水流对颗粒的上举力或者水流的时均上举力和脉动上举力共同作用克服了沙粒的水下重力时，沙粒就会从床面扬起呈悬浮状态[7]，泥沙颗粒依靠水流紊动支持其悬移输送[8]。水流流速反映了水流的紊动强度，达到一定的水流流速能使泥沙上扬悬移，床沙能否保持悬移取决于水流流速U和悬移流速Us之间的相对关系。床沙的悬移流速计算公式[9]为式中：Us为床沙的悬移流速，m/s；ω为泥沙沉速，m/s。

当U>Us时，床沙起动形成悬移质而被水流输移。计算得到的总干渠各断面悬移流速见图1。

3.4 U、Us和Uc的关系变化

水流流速U、悬移流速Us和起动流速Uc三者关系的变化将引起渠道的冲淤变化。由图1可知U、Us和Uc成如下关系：

（1）U>Uc>Us或U>Us>Uc时。两种情况下，由于水流速度均大于悬移流速和起动流速，因此床面泥沙将起动且形成悬移质，易造成渠道的冲刷。不过，前者形成的悬移质不易沉积落淤，后者则易落回到床面。

（2）Us>U>Uc或Us>Uc>U时。前者床面泥沙会起动，但不会形成悬移质而被水流输移，后者床面泥沙既不会起动也不会悬移。此种情况可能导致渠道淤积。

（3）U=Us=Uc时。此时为床面泥沙起动的临界状态，渠道处于不冲不淤状态，此种状况出现较少。

由于渠道各斷面水流条件不同，水流流速和水深沿程发生变化，因此水流流速、悬移流速和起动流速也将沿程改变，三种流速的关系将随之发生转换，使渠道冲淤状态发生变化。

4 含沙量变化规律及其相关性

4.1 含沙量变化规律

含沙量的变化是渠道泥沙输移、沉降和悬移特性发生变化的结果。总干渠各次采样含沙量沿程变化曲线见图1。将各次采样的平均流量、平均来沙量、平均悬沙中值粒径D50悬、平均悬沙沉速、平均挟沙力以及水流流速U、悬移流速Us和起动流速Uc三者间的关系列于表1。

根据表1和图1，总干渠含沙量呈现以下4种变化规律[10]：

（1）当引水流量较小、来沙量和悬移质粒径居中时，水流挟沙力居中，泥沙沉降速度相对较小。又因U≈Uc≈Us，故接近于床面的泥沙处于变成悬移质的临界状态。此种情况下，没有大量悬移质沉降，也没有大量床沙悬移，含沙量沿程变化平缓，见图1（a）。

（2）当引水流量较大、悬移质平均粒径较小时，水流挟沙力较大，泥沙沉速很小，不易沉降。同时因U>Uc>Us，故床沙能够起动并形成悬移质且不容易沉积落淤，含沙量沿程增大，见图1（b）。

（3）当引水流量较小、来沙量居中且悬移质平均粒径较大时，水流挟沙力小，泥沙沉速较大，易发生沉降。同时因Us>U>Uc，床沙形不成悬移质，故含沙量沿程减小，见图1（d）。

（4）当引水流量和来沙量均较大、悬移质粒径较大时，渠道含沙量沿程呈起伏变化，推移质和悬移质交替变化，同时U与Us的关系也发生交替变化，使渠道发生沿程冲淤变化，见图1（c）、图1（e）。出现此种情况的原因：虽然引水流量较大，但是来沙量也较大，悬移质沉速较大，导致渠首挟沙力不足，悬移质落淤，同时在渠首段均出现Us>U>U的情况，床沙也形不成悬移质，故渠首含沙量下降；在渠道后段，由于断面发生变化，因此U、Us和Uc三者的关系发生交替变化，U>Us>Uc时床沙起动形成悬移质，Us>U>Uc时悬移质落淤形成推移质，在推移质和悬移质交替变化下，含沙量变化较大。

4.2 含沙量影响因素的相关性分析

渠道含沙量的变化主要受水流条件、水的物理性质、泥沙的物理性质和水流边界条件[11]的影响，因此本文综合选择水流流速U、水深h、床沙中值粒径D50床、悬移质中值粒径D50悬和泥沙沉速ω作为含沙量的影响因素，采用SPSS19.0软件分析含沙量与各影响因素间的相关性，进而确定与含沙量显著相关的影响因素。分析采用2012年和2013年的采样数据共142组，以含沙量S为因变量，其余各因素为自变量，绘制各变量的散点图，确定因变量S与各自变量的相关关系。表2为各因子与含沙量之间的函数关系和确定性系数。

根据表2，流速U、水深h、中值粒径D50、沉速ω与含沙量S的相关性分析如下：

（1）流速U与含沙量S的相关性。U与S的相关性较为明显，S随着U的增大而增大，成显著正相关关系。U与S成幂函数关系，确定性系数为0.412，相关性较好，可见流速是影响含沙量的主要因素。

（2）水深h与含沙量S的相关性。h与S的点据较为散乱，成微弱正相关，两者成线性函数关系，确定性系数为0.085。理论分析也表明，水深h与含沙量S的关系不稳定，但存在一定的正相关性。

（3）床沙中值粒径D50床与含沙量S的相关性。D50床与S的关系点据较为散乱，两者成幂函数关系，确定性系数为0.117。

（4）悬移质中值粒径D50悬、泥沙沉速ω与含沙量S的相关性。D50悬、ω与S的点据均较为散乱，关系比较紊乱。D50悬、ω与S均为幂函数关系，确定性系数分别为0.070、0.128，均为微弱负相关。分析表明，在静水状态下，悬移质粒径增大时，悬移质沉速增大，含沙量相应减小。而相关性分析的结果显示ω和D50悬与S的相关性较小，可能原因是实际水流多处于动态，泥沙实际沉速小于静水沉速，故泥沙沉速与含沙量的相关系数变小。同时，由于D50悬与ω的相关性显著（确定性系数高达0.405），因此其与含沙量的相关系数也偏小。

5 结语

（1）总干渠水流速度U、泥沙悬移流速Us和起动流速Uc之间存在3种关系，即U>Uc> Us或U>Us>Uc、Us>U>Uc、U=Us=Uc。对应上述3种关系，渠道分别处于冲刷、淤积和不冲不淤状态。

（2）干渠含沙量变化呈现4种状态：含沙量沿程减小（Us>U>Uc）、含沙量沿程增大（U>Uc>Us）、含沙量变化平缓（U≈Uc≈Us）和含沙量起伏较大（U与Us、Uc的大小发生交替变化）。

（3）含沙量S与各因子相关性由强到弱的排序依次为流速U、沉速ω、床沙中值粒径D50床、水深h和悬移质中值粒径D50悬，S与U、ω、D50悬均成幂函数关系，与h成线性函数关系，与D50床成指数函数关系。

参考文献：

[1]胡健，戴清，张志昊，等.引黄灌区非均匀沙的输送机理研究[J].灌溉排水学报，2008，27（6）：18-22.

[2]王延贵，李希霞，王冰伟.典型引黄灌区泥沙运动及泥沙淤积成因[J].水利學报，1997，28（7）：13-18.

[3]张瑞瑾，谢鉴衡，王明甫，等.河流泥沙动力学[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2002：156.

[4]窦国仁.论泥沙起动流速[J].水利学报，1960（4）；44-60.

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[6]郭庆超.天然河道水流挟沙能力研究[J].泥沙研究，2006（5）：45-51.

[7]刘青泉，周济福，舒安平.床面附近泥沙运动的分析[J].水科学进展，2003，14（5）：569-575.