黄河下游高含沙水流输沙的可能性与制约因素

2019-10-21丰青李勇李小平

人民黄河 2019年3期

丰青　李勇　李小平

摘要：鉴于黄河历史上曾出现过主槽冲刷状态下的高含沙洪水，考虑到高含沙洪水的强大输沙能力，围绕黄河下游的高含沙洪水泥沙输送能力开展了研究，并对一般挟沙水流和高含沙水流的临界含沙量进行了定量计算。结果表明：天然条件下可实现使河道处于冲刷状态的高含沙洪水，其水沙条件具有一定的特殊性，特别是经过河道沿程天然筛选后的级配与含沙量需满足一定的条件;长距离输沙时，持续的高含沙历时也是远距离传播的必要条件之一。

关键词：比表面积;泥沙级配;含沙量;高效输沙;高含沙水流;黄河下游

中图分类号：P333;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.010

1 引言

随着黄河下游水资源量日益紧缺和小浪底水库运用过程中的排沙需要，如何最大程度地利用黄河下游水资源成为未来黄河治理和规划中急需解决的重大课题。20世纪50年代以来，黄河下游发生过多场高含沙洪水，其中多数发生漫滩，漫滩洪水造成艾山以上河段主槽严重淤积，平滩流量减小。但是，对于漫滩流量相对较小的河段，泥沙主要淤积在嫩滩上，主槽则在一定条件下发生强烈冲刷。在主槽内传播的非漫滩高含沙洪水黄河下游发生较少，已经发生的如“77·7”高含沙洪水，花园口站最大洪峰流量为10 800 m³/S，相应含沙量为437 kg/m³，洪水期间最大含沙量为546kg/m³，相应的洪峰流量为6 550 m³/s，该年汛前花园口平滩流量为6 800 m³/s，洪水主要在主槽内传播。为了从理论上说明高含沙洪水具有很强的输沙潜力，费祥俊[1]、曹如轩[2]提出了水流挟沙力的双值关系并进行了理论分析，分别提出了各自的临界淤积、临界冲刷挟沙力公式;费祥俊[3]、舒安平[4]考虑到高含沙水流与一般挟沙水流中泥沙颗粒对水流黏性的影响，提出了包含比表面积等表征泥沙颗粒对水流黏性影响程度的挟沙力计算公式。为了充分认识高含沙水流的输沙潜力，本文以造成黄河下游主槽强烈冲刷的“77·7”高含沙洪水为研究对象，从水流挟沙力角度对花园口断面和利津断面进行冲淤分析计算，定量讨论“77·7”型高含沙洪水水动力条件下黄河下游河道的输沙能力。

2 高含沙水流输沙能力

关于“高含沙水流”的定义，目前仍存在一定争议，部分学者采用定量的标准，如70、100 kg/m³;部分学者以流体的本构方程为判断依据，认为非牛顿体时为高含沙水流，牛顿体时属于一般含沙水流。已有研究表明，高含沙水流不同于一般挟沙水流，其含沙量的显著提升已经影响到了水流特性，除了挟沙水流的浑水容重，还有水体黏性、水流阻力等。

2.1 高含沙水流具有高效的输沙潜力

黄河下游发生的高含沙洪水大多会引起河道淤积，但不能忽视的是非漫滩高含沙洪水在主槽内传播过程中可能引起强烈冲刷。随着洪水流量的增大，漫滩后水流流速及水流阻力较非漫滩洪水传播过程有着较大的差异，在嫩滩淤积、流速减小的同时，整个断面的输沙能力将显著减弱。

“77·7”高含沙洪水大部分时间在主槽内传播，其水位流量关系曲線见图1.由图1可知，35 h内同流量水位降低了1.3 m。7月9日5时，流量为6 130 m³/s、含沙量约200 kg/m³时，水位流量关系开始向冲刷趋势发展，至7月10日16时，流量为4 900 m³/s、含沙量约400 kg/m3，水位流量关系趋于正常情况。这种高含沙洪水引起的强烈冲刷现象引起了不少治黄科研入员的重视，并从水动力条件、含沙量分布条件、水流阻力阈值特征等角度进行了一系列讨论。

赵业安等[5]曾对黄河汛期潼关高程的变化进行了实测资料统计分析，并点绘了多年实测流量级为2 000～5 000 m³/s的数据，结果显示潼关高程的升降与洪峰的平均含沙量关系密切，存在一个临界含沙量，其值约为150 kg/m³。小于该临界含沙量的洪水随着含沙量的增大，潼关高程不断缓慢抬升;超过该临界含沙量的洪水随着含沙量的增大，潼关高程迅速降低。这也表明，达到一定条件的高含沙洪水具有较为强大的输沙潜力，能够不断输送大量泥沙进入下游，同时不会造成河道淤积。部分试验研究表明[3]，含沙量超过400 kg/m³时，水流会由牛顿体转变为宾汉体，具有一定的极限剪切力，可实现远距离泥沙输送。

2.2 高含沙洪水的水沙动力特征及当时的河道形态特点

2.2.1 水沙动力特征

钱宁等[6]认为黄河干支流的高含沙水流一般属于紊流型两相流，渭河、北洛河、洛惠渠等处细颗粒泥沙较多，可形成属于伪一相流的均质浆液。部分学者认为，伪一相流发生时底部床面往往出现动平床状态，而两相流时其底部床面则受水动力条件及床沙颗粒的制约，形成沙纹或沙垄[7]。含沙量的增大对水流的紊动强度及其分布也会产生显著影响，部分学者认为，高含沙条件下水流紊动受泥沙颗粒的制紊效应影响，水流阻力显著减小，水体内悬沙浓度趋于均匀分布。受限于高含沙条件下直接对水体及近底床面进行观测获得可靠结果的难度很大，目前关于高含沙条件下床面形态的结论大多是根据实测资料采用公式倒推计算的方式得出的。

2.2.2 河道形态特点

在非漫滩高含沙洪水传播过程中，随着主槽的不断冲刷，将逐渐形成窄深型的河道断面。这种窄深主要是相对宽浅的花园口断面而言的，与需要考虑侧面边壁紊动影响的三维水流结构不同。如图2所示，发生在1977年的“77·7”和“77·8”高含沙洪水后花园口嫩滩处由于漫滩洪水的水动力条件较弱，因此泥沙大量落淤，主槽则刷深3m左右，形成窄深断面，具有较强的输送能力。不少黄河科研工作者注意到高含沙洪水传播过程中，嫩滩和主槽存在强烈的泥沙冲淤差异，建议通过缩窄过流宽度的方式使高含沙水流集中在主槽内。考虑到黄河下游已发生的高含沙洪水大多发生漫滩且引起大量淤积，什么样的高含沙洪水能够实现不淤积或不显著淤积的远距离输送，成为当下泥沙研究者关注的主要问题之一。

2.3 高含沙水流挟沙力公式

笔者选取了同时适用于不同含沙量级计算的挟沙力公式，如舒安平公式、张红武公式[8]等（公式形式见表1，其中Sv为由体积含沙量表示的水流挟沙力;U为断面平均流速;g为重力加速度;R为水力半径，一般取水深;ω为泥沙颗粒群体沉速;k_w为武汉水利电力学院公式的系数;m_w为武汉水利电力学院公式的指数;y为分组沙容重;y_s为泥沙容重;k_c为曹如轩公式的系数;m_c为曹如轩公式的指数;S_v为体积比含沙量;D_bed50为表层床沙中值粒径;γ_m为浑水的容重;U_r为浑水与清水黏性的比值，又称相对黏性：K为浑水卡门常数;f_m为浑水阻力系数），以“77·8”洪水为例进行了对比计算。由于黄河实测悬沙和床沙级配资料无法满足韩其为公式的要求，因此本文未采用韩其为公式。考虑到舒安平公式的挟沙力计算结果与实测含沙量的伴随性较好，并未出现较为显著的数据抖动（见图3），同时该公式考虑了水流阻力系数与含沙水流黏滞系数对挟沙力的影响，故选择该公式计算水流挟沙力。

张红武公式属于半经验半理论公式，其卡门常数的计算式为

尽管张红武挟沙力公式理论上存在量纲不和谐的映陷，但其在黄河下游动床模型试验中曾被广泛使用。

舒安平公式中相对黏性的计算公式[9]为

3 黄河下游典型高含沙洪水输沙能力

黄河干支流历史实测高含沙洪水资料显示，天然条件下高含沙洪水中悬沙的中值粒径与含沙量呈现较为显著的单调递增现象，见图4。费祥俊也指出，黄河高含沙洪水的沿程调节使得泥沙颗粒变粗，在含沙量为200 - 300 kg/m3时，D90为0.05 - 0.08 mm，而在含沙量增大为700 - 800 kg/m3时，D90为0.20 - 0.25 mm。

窦国仁等[10]从紊流理论推导了高含沙水流的极限剪切力和极限含沙量，并认为受限于泥沙颗粒的薄膜水厚度，若水体内仅存在细颗粒泥沙，则无法形成高含沙水流。因此，高含沙水流的悬沙中值粒径必然比同水动力条件下的一般挟沙水流的略大些。

考虑到悬沙级配的差别会造成悬沙比表面积的差异，即使同样的中值粒径，泥沙颗粒级配曲线中泥沙质量比例累积曲线的斜率也往往存在一定差别，因此计算得到的悬沙比表面积相差可能达到数倍。以“77·7”和“77·8”高含沙洪水花园口断面实测混沙级配资料为例计算悬沙比表面积，可知在来沙条件较为稳定的河段，悬沙比表面积与悬沙中值粒径大体呈对数函数关系，见图5。

4 黄河下游高含沙水流高效输沙可能性

以黄河下游“77·7”高含沙洪水为研究对象，根据实测水沙资料分别确定非漫滩高含沙洪水在花园口断面和利津断面主槽传播过程中流量分别为3 000、4 000、5 000 m³/s时对应的流速和水深。即假定水动力条件固定时，按照天然河道来沙规律，分析计算水流挟沙力随含沙量不断增加的变化规律。

计算过程中，天然河道来沙中悬沙的中值粒徑可由图4得出，悬沙比表面积可由图4和图5来联合确定。采用舒安平公式计算上游来流含沙量自0至600kg/m3时，花园口断面挟沙水流的相对泥沙输送能力（挟沙力/含沙量），结果见图6。由图6可知，最不易输送的含沙量约为200 kg/m3，该结果与《泥沙手册》中黄河流域最不易输送的含沙量点绘资料结果相近。同时，可得到两个临界含沙量，即一般含沙水流条件下的临界淤积含沙量，流量4 000 m³/s时约为63 kg/m³;高含沙水流条件下的临界冲刷含沙量，流量4 000 m³/s时约为410 kg/m³。这个结果也很好地说明了在花园口断面“77·7”洪水的水动力条件下，具有哪些条件的挟沙水流能够实现冲淤平衡或冲刷。

5 黄河下游高含沙水流输沙制约条件

黄河下游发生的非漫滩或小漫滩的高含沙洪水非常少，大多发生在2002年以前。小浪底水库运用后，进入黄河下游的水沙搭配特别是级配与含沙量的响应关系受水库调度及库区泥沙淤积平面分布的影响，与天然条件下的洪水存在较大差异。“77·7”高含沙洪水冲刷过程中，河道形成了较为窄深的断面形态，有利于泥沙输送。

在河道内实现高含沙洪水非淤积远距离输送的条件是相对苛刻的，除了泥沙组成及含沙量的需要，还要确保有足够的后续动力。黄河下游河道长度近800km，如何在中游水库群联合调度的同时保证高含沙水流传播过程满足多因素的要求，需要进一步研究。

参考文献：

[1]费祥俊.远距离输沙明渠不淤流速的研究[J].泥沙研究，1996（4）：77-85.

[2]曹如轩，高含沙水流挟沙力的初步研究[J].水利水电技术，1979（5）：55-61.

[3] 费祥俊，黄河下游节水减淤的高含沙水流输沙方式研究[J].人民黄河，1995，17（3）：1-8.

[4] 舒安平，水流挟沙能力公式的转化与统一[J].水利学报，2009，40（1）：19-26.

[5] 赵业安，潘贤娣，李勇，等，黄河下游河道输沙用水量的初步研究[R].郑州：黄河水利科学研究所，1990： 67-73.

[6]钱宁，万兆惠，高含沙水流运动研究评述[J].水利学报，1985，16（5）：27-34.

[7]邵学军，王兴奎，河流动力学概论[M].北京：清华大学出版社，2013：102- 110.

[8]张红武，张清，黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992，14（ 11）：7-9.