气动冲沙法辅助小浪底水库调沙的设想

丁 磊，罗 勇，窦希萍，缴 健

（南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通部重点实验室，江苏南京210029）

为防洪、防凌需要及保障黄河淡水资源利用，黄河干支流逐步修建了多座水库，而在多沙河流上修建水库，必然面临水库严重淤积的问题。因此，如何长期保持有效库容，成为工程泥沙研究中需要重点解决的问题［1］。

针对水库防淤、清淤问题，学者已经进行过广泛研究，并形成了一系列较为成熟的技术。然而，水流输沙效率低的问题并没有得到根本解决。本文在梳理黄河干流水库泥沙调控现状的基础上，从理论和试验方面介绍了一种新方法——气动冲沙法，结合水动力与强人工干预措施来辅助黄河干流水库的泥沙调控，以期有效提高泥沙负载（指单位水量能够挟带的沙量）。

1 黄河干流水库及水沙调控现状

1.1 黄河干流水库介绍

水少沙多、水沙关系不协调是黄河水沙的主要特点，也是其复杂难治的症结所在。水库联合调度是进行流域水沙调控的有效手段，黄河干流已建成的主要水库（见表1）在建成后均发生了不同程度的淤积。以三门峡水库为例，运行后2 a库区发生严重淤积，93%的来沙淤积在库内，库尾的潼关高程大幅抬升了近5 m、即便此后三门峡水库调整了运行方式，但近60 a来潼关高程仍然较高。

表1 黄河干流主要水库信息

1.2 2018年黄河水沙调控概况

对黄河水沙调控尤其是下游河道的水沙调控来说，洪水是泥沙输移的主体，洪水平均流量及洪水历时是决定输沙效率的重要因素［2］。

最近一次黄河水库联合调度发生在2018年。因2018年汛期黄河流域暴雨过程频繁、降雨量较大，受降雨影响，黄河上游来水偏多，共出现3次大洪水。针对该情况，成功实施了龙羊峡、刘家峡水库联合防洪运用以及万家寨、三门峡、小浪底中游水库群水沙联合调控。在水库、河道减淤方面取得新成效，万家寨水库排沙1.91亿t，三门峡水库排沙4.84亿t，小浪底水库排沙 4.66 亿 t［3］。

1.3 水动力输沙效率缺陷

通过水库调控并利用洪水进行水库冲淤的最大问题是受自然因素约束较大，若遇较枯年份，则进行多库联合调度来达到预计冲沙效果较为困难，主要原因是水流输沙效率较低，每排沙 1 m3需耗水 10～20 m3［4］，即泥沙负载很低。中国西北地区降雨量偏小且时空分布不均，水资源严重短缺，需要水库汛期蓄水，没有冲沙水量条件，导致大部分泥沙滞留在水库内。因此，提高泥沙负载就显得尤为重要。

水流能量在运动过程中的消耗主要分为3部分。首先是用于克服河床阻力，其次是通过脉动能量悬浮泥沙，最后是用于输送底沙。窦国仁等［5］根据能量消耗原理，推导得单位水体水流挟沙力S*和底沙单宽输沙量qsb的计算公式为

式中：α为水流挟沙能量消耗系数；γs和γw分别为泥沙颗粒和水的容重；n为曼宁系数；v为平均流速；H为水深；ω为泥沙颗粒沉速；K1为底质运动系数；K为水流用于输送临底推移和半悬移泥沙的消耗系数；C0为谢才系数；vc为用平均流速表示的泥沙起动临界流速；g为重力加速度。

根据长江、黄河的实测资料和实验室资料，可得

K1v为底沙颗粒在水流作用下的移动速度，该速度比水流速度小，因此K1＜1.0，本文近似取K1＝0.8，得K＝0.125，也就是说用于输送临底泥沙的能量仅占水流总能量的12.5%。由α＝0.023可知水流挟沙消耗水流能量的2.3%，可见与输送底沙及临底悬沙相比，水流挟沙能效较低。若要提高挟沙与输沙能力，则必须提高水流紊动强度以及泥沙上扬的垂向速度，而气动冲沙法则是达到该效果的有效手段。

2 气动冲沙法试验原理

2.1 气动冲沙介绍

通过气动冲沙法进行治沙、输沙的新观点和新方法首先由南京水利科学研究院罗勇、罗肇森等［6-7］提出。他们认为，水流紊动强度的增大和流速分布的不均匀性可以通过在水中加入另一种介质来实现，而最有效且经济的就是空气。

气动冲沙是在河底中加入空气而形成的气、流、沙的联合运动，是介于空气动力学、水动力学和固体力学三者的边缘学科。气动冲沙的设想始于20世纪70年代，最初应用在河口悬沙运动的一项试验中。固-液、固-气、液-气等两相耦合研究均已有较多成果，但三者混合在一起的研究和运用很少。本文将常见的物质三态结合在一起进行研究，并对其运用进行尝试。对封闭环境中的气体而言，压力、体积（气量）及温度是最重要的三个物理量。在气动冲沙的背景下，气体温度不会发生很大变化。因此，若要研究气体对悬移质及推移质的影响，则首先要摸清水流中气体对泥沙起动及输运的影响机理，而其表现形式则为气体压力及气量对水流产生的影响。

2.2 气动冲沙理论分析

为更好地统一气体与水流物理量，气体压强以水柱高度计算，为ΔH，空气流速V为

式中：Cv为气速系数，与气体传播环境有关；ρw、ρ0分别为水和空气的密度。

当温度为10℃时，ρw＝1 000 kg/m3，ρ0＝1.25 kg/m3，则式（3）可变为

气体缓慢入水后（气泡初始速度近似为0），气泡直径由零膨胀到最大值dbmax，dbmax主要与气体流量及重力加速度有关［8］：

式中：Qa为单位时间的空气溢出量；K′为系数，取值为1.295～1.487。

根据Haberman W L等［9］的研究，气泡使得水流产生向上流速，大小与气体雷诺数Re有关，当气泡较大、气体雷诺数大于2 000时，水流上升速度可表示为

水底溢出的气泡在上升过程中体积不断增大，按dbmax＝0.03 m计算，则不同直径气泡使水流产生的垂向向上的流速见图1。

图1 气泡上升中直径和速度变化过程

气动冲沙系统由存气系统和输气系统两部分组成，存气系统主要包括空压机和气罐，输气系统包括水上管道和水下管道（见图2）。

图2 气动冲沙系统组成

根据质量守恒定律和气体伯努利方程，不考虑输气系统对气体运动的阻力，则有

式中：k为比热比，空气在日常温度下可取1.4；p2为排气孔处水压力，当气孔上方无覆盖泥沙、水深为H时，p2＝γwH，其中γw为水的容重，当气孔上方覆盖泥沙深度为ds、水深为H时，可近似认为p2＝γwH+γsds，其中γs为泥沙容重。p1为气罐内气体压强；M为马赫数，，其中u为排气孔处空气流速，a为音速，一般2取340 m/s，当排气孔处气体速度为1倍音速时，＝0.528。

管道气流速度越大，冲淤效果越好，但管道压力也越大，因此气动冲沙时一般控制在0.528～1之间。冲沙开始时，气罐内气体压强等于空压机工作压力，随着冲沙的进行会逐渐减小。储气罐内气体流速与排气孔处相比很小，计算时可认为是0。以水深50 m、排气孔上方无泥沙、空压机工作压力为1 MPa为例，随着排气的进行，气罐内气体压强与排气孔处空气速度的关系见图3。当气罐内压强与排气孔处水压强相同时排气停止，需使用空压机对气罐再次充气。

图3 气罐压力与排气孔空气流速的关系

3 应用设想

3.1 小浪底水库淤积情况

小浪底水利枢纽上距三门峡水利枢纽130 km，下距花园口水文站128 km，坝址控制流域面积69.4万km2。小浪底水库淤积区域主要可以分为3部分，分别为干流淤积三角洲、支流河口、进水塔前［10-13］。水库运用初期以拦蓄泥沙、下泄清水为主，干流纵剖面呈三角洲淤积形态。由1999—2018年黄河主要断面实测地形资料可知，三角洲顶点2018年已推进至距大坝15 km左右处。小浪底库区支流淤积主要为干流来沙倒灌所致，出现明显的拦门沙坎。水库进水塔前的泥沙淤积高程超过180.0 m，泄洪建筑物进水口存在被泥沙淤堵的风险。

3.2 气动冲沙试验研究

3.2.1 试验准备

水槽位于南京水利科学研究院铁心桥基地水工新技术试验厅（见图4），水槽总长16.0 m，净宽0.7 m，净深1.5 m，水槽底部铺设长×宽为60 cm×60 cm喷气管网，试验用空压机见图5。试验中排气孔、排水孔孔径均为1.5 mm，为使排气孔气流稳定溢出，同时也防止泥沙淤堵并快速形成上升气流云，设置排气孔出口为45°下开。

图4 试验水槽

水槽槽首设置固定流量200 m3/h、可调节流量为100 m3/h的水泵各一套，可调节流量水泵连接一个电磁流量计和闸阀用于流量调节。水槽边建造有沉沙池、清水池、消力池，水槽槽尾设起落尾门一扇，用来调节水位高低，槽首设消能栅。水槽出水流入沉沙池，经过沉沙池过滤后流入清水池，再进入试验水槽，组成循环供水造流系统。无气动装置时最大流量为83 L/s。流速采集使用 ADV（Acoustic Doppler Velocity），用于测量垂向和水平方向流速。试验用空压机排气量为280 L/min，排气压力为 0.8 MPa。

图5 试验用空压机

3.2.2 泥沙选择

根据2018年黄河小浪底水库底沙资料，中值粒径最大为0.014 mm，最小为0.004 mm。畛水河测量断面泥沙中值粒径为0.004～0.007 mm。因水库中水深较大，故底部泥沙获取困难。根据实际情况综合考虑，选择郑州市花园口将军坝附近水厂沉沙池的泥沙进行气动冲沙试验。黄河水利科学研究院分析结果显示，该处泥沙中值粒径为0.041 mm，仍比小浪底库区泥沙粒径大。因此，若气动冲沙法能在本试验取得较好效果，则在小浪底水库效果会更好。

3.2.3 清水试验

为探究气泡运动对水流的影响，首先进行无泥沙情况下的清水试验。无排气时，水槽中试验段水深1 m处的流速见表2。

表2 无排气时各工况水深1 m处水平流速

因实际操作中无法控制排气速率完全稳定，气压必然是一个逐渐减小的过程，故在探究排气对水流影响的试验中，采集的是气压为0.8～0.4 MPa时的流速，排气过程持续50 s。排气阀打开时出现明显“气泡云”，气泡在水槽中的状态见图6，气泡运动包括上升过程和顺水流方向运动过程。流速测点共2个，分别位于排气孔正上方以及排气孔下游4 m处。

针对上述5种工况，对排气阀打开情况下的流速进行测量。对气孔正上方测点，排气期间垂向流速一直处于剧烈变化中，对不同流量、水深工况下排气期间排气孔正上方垂向流速进行时间平均计算，结果见表3。由表3可知，受气泡上升影响，不同工况排气孔上方垂向流速为40～60 cm/s，但垂向流速的大小与水深和流量没有明显关系。

图6 水槽中气泡顺水流方向运动过程

表3 排气时各组次排气孔正上方垂向流速

对气孔下游4 m处测点，各工况下垂向流速的变化明显小于排气孔正上方的，与静水状况相比，变化均为±2 cm/s，但水平流速与静水工况相比有明显变化，见表4。由表4可知，气泡顺水流方向的运动使得排气孔下游流速明显增大。

表4 排气各工况下游4 m处水平流速

因此，经过清水试验分析，可初步判断气动冲沙的作用可由两部分组成。首先，排气孔处垂向流速明显增大，使得该处泥沙易于起动且难落淤；其次，气泡顺水流方向的流动使得水流流速增大，挟沙能力增强。

3.2.4 泥沙试验

用黄河原型沙对气动冲沙效果进行了试验。在排气管网上方覆盖厚度为25 cm的泥沙，采用流量最小、水深最大的工况（即流量28 L/s、水深1.30 m）进行试验。试验过程见图7、图8。从图7可以看出，排气1 s时，排气孔上方已可见明显气泡；排气2 s时，气泡已经影响到水流表层；排气6 s时，水槽观测段全部水体含沙量明显增大。因此，排气初期即有大量泥沙起动，由底沙变为悬沙，随着排气进行，含沙量明显增大。该状态持续保持到排气结束（50 s），排气结束后水槽观测段水体仍保持高含沙状态，仅表层含沙量有肉眼可见的降低。

图8为表层含沙量的纵向变化过程，可以看出排气1 s时水流表面出现扰动；2 s时扰动变化非常明显，且含沙量明显增大。此后水流表面悬浮泥沙也出现了明显的顺水流方向的输运。10 s时，水流表面泥沙已经可以输运到排气孔下游4 m处。排气结束后1 min，表层含沙量与排气期间相比有一定的减小。

将水槽中水体缓慢排出，对排气孔上方泥沙进行测量。排气后泥沙平均厚度为18 cm。因此，本次排气将排气孔上方28%的泥沙排向下游。对排气孔至下游4 m处泥沙厚度进行测量，平均泥沙淤积厚度为0.3 m，因此排气孔上方泥沙起动后又落淤在下游的占全部泥沙量的8%，即有20%的泥沙被水流带出水槽，气动冲沙的效果相当可观。

图7 垂向含沙量变化过程

图8 纵向含沙量变化过程

3.3 设 想

气动冲沙法原则上可以用于黄河各处，只要空压机的气压超过水深、淤沙厚度所形成的压强及管闸、接头等形成的阻力损失，空气即可从排气管处溢出而生成上升流并带动泥沙上扬。使用气动冲沙装置逐步排出小浪底水库的淤积泥沙是有可能的，但冲淤时间要根据当地环境、冲淤效果而定。对小浪底水库来说，可考虑在淤积三角洲顶点及支流拦门沙段两岸布置“人”字形气排冲沙，两岸布设空压机和气罐，各冲气排进行轮番冲沙，使三角洲不再淤积抬高，并可与其他调沙措施相结合，增强水库排沙效果。利用空气流可以远距离输送的特点，可用一套系统负责一段较远的距离（例如5 km），某一片河床冲刷的泥沙输移到下游河床淤积，该淤积泥沙又会被该处气动装置起动，如此连续循环，实现由上而下“接力”输沙。如将排气管布置于河道主槽，则主槽冲深后，两侧泥沙会坍塌进入主槽，该部分泥沙下次充气又可扬动。同时，该系统也可在水库调沙调度时打开，若与异重流输沙相结合，则可使得上游来沙不再落淤。由此可见，气动冲沙是经济、高效的水库防淤、清淤措施。

4 结 语

针对黄河含沙量大、干流水库不同程度淤积的状况，提出了一种水动力与强人工干预有机结合的泥沙负载提高方法，即通过气动系统使水体中产生气泡，增强水流的紊动强度及垂向流速，提高水流的挟沙、输沙能力。通过水槽试验，对黄河原型沙在气动装置辅助下的起动与输运进行了研究，试验中可明显看到气泡向上以及沿水流方向的运动。在一次排气过程中，覆盖于排气孔上方的泥沙中，有28%的泥沙得以起动并被水流输运，且其中仅有8%落淤到下游水槽中，20%的泥沙被带出了水槽，结果证明气动冲沙法清淤效果明显。同时，针对小浪底水库的淤积特点，对将气动冲沙法应用到小浪底水库的可行性进行了分析，并提出了初步方案，可依据此方案在水库相机开展现场示范研究。