区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型研究

车南雪

(河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000)

0 引 言

我国虽然拥有众多的河流，但是这些河流在空间上分布极其不均匀，且在流动过程中会挟带大量泥沙到水流中，形成沙流河。这些沙流河中的河水，不能作为人类生活日常用水，甚至连农田灌溉也不能直接使用，以免河流中挟带的泥沙沉淀到农田中，破坏农田中的有机物，影响农作物生长[1]。因此，我国采用水利灌溉渠道来沉淀沙流河中存在的泥沙。水利灌溉水渠主要分为明渠和暗渠两类，前者的水源为地面上的水源，如河流、水库、积蓄的雨水等；后者的水源为封闭的地下水[2]。不论是明渠还是暗渠，都需要利用斜坡引导水流流入水渠中，并将引导来的水流疏导、分配灌溉到农田的不同位置，实现农田灌溉[3]。在这一过程中，河流中的泥沙也会顺着水流流入灌溉水渠中，此时的泥沙会随着水流流速变化，沉积在水渠底部或流入农田[4]。若大量的泥沙沉积在水渠底部，会造成渠道堵塞，影响田地灌溉；若大量的泥沙顺着水渠进入田地，则会影响农作物生长，破坏农田中的有机物[5]。

基于此，国内外相关学者十分重视水利灌溉渠道中水利挟沙力研究。根据水流挟沙影响因素、河流参数变化以及水流和泥沙参数，采用模拟试验的方式，得到了爱因斯坦床沙质函数、全沙输沙率公式、悬移质输沙率公式、高含沙水流挟沙力计算公式、基于能量的水流挟沙力方程等计算方法，来计算水流挟沙力值[6]。在国内外研究基础上，相关学者提出如下观点。如文献[7]将泾河和渭河两条具有代表性的沙流河作为研究对象，根据这两条河流的运动特性，建立水流挟沙力公式。文献[8]考虑河道整治工程在施工过程中对河流自然演变过程的影响，建立一维水沙数学模型，限制河道整治工程。上述学者研究的水利挟沙力模型，应用在区域水利灌溉渠道中，存在水利挟沙力计算值与实际值拟合度低的问题，为此本文研究区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型。

1 区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型研究

由于区域水利灌溉渠道直接连通区域水源，让水源按照灌溉渠道，将水输送至田地，灌溉农作物。在这个过程中，水流不可避免地携带河床、渠道中的泥沙，此时的泥沙会在水流强度影响下，改变其扬起的高度、转移的速度、止动状态、形状和质地。反之，水流的强度也受到泥沙质量的影响，改变水流能量分配[9]。基于此，此次研究通过确定泥沙综合特性和水流强度参数计算结果，建立区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型。

1.1 计算水流强度参数

v=εv*

ι=GRP=ρgHP

ω=GQp=GHvp=ιv

(1)

式中：δ为水流运动黏度；J为能坡；G为水流容重；ρ为水流密度；ε为流速系数；B为坡高；R为水力半径；g=9.8 m/s2为重力常数；p为区域水利灌溉渠道坡度；t为单位时间；v*为经水流表测量得到的水流流速；H为水流深度；P为坡能比降；Q为水力灌溉渠道单位宽度水流量；d为微分求导符号；s为水流水平距离[10]。

在计算过程中，由于水流强度参数所采集的数据范围较大，且计算单位不一，若直接采用式(1)得到的水流参数建立水流挟沙力模型，需要进行大量的单位换算，影响模型运算效率。为此，采用无因次化消除参数计算范围，将其转换为无纲量形式，则有：

(2)

ω′=ι′v′

依据式(2)，即可得到无纲量后的5个水流强度参数值，作为模型中水流强度值计算部分，得到水利挟沙力值。

1.2 确定泥沙综合特性

泥沙处于河流中时，会受到泥沙沉速、河床粗糙度、泥沙沉速和容重、河床床面剪切力等因素影响。则在区域水利灌溉渠道中，泥沙会受到灌溉渠道糙度、灌溉渠道剪切力、泥沙沉速等因素影响，为此计算灌溉渠道粗糙率系数γ、灌溉渠道剪切力ι1、泥沙沉降v1这3个特性参数。由于泥沙粒径大小存在一定的差异，为此将形状因子和圆度引入泥沙沉降公式中来计算泥沙沉降特性参数，则有：

(3)

式中：ρ1为悬浮颗粒密度；k1、k2、k3均为阻力系数，其计算公式如下：

(4)

式中：o为砂砾圆度系数；c为科里形状因子[12]。将式(4)的计算结果代入式(3)中，即可得到泥沙沉降特性参数值。

灌溉渠道糙率系数、灌溉渠道剪切力两个参数，则引入河流糙率系数、剪切力计算公式进行计算，则有：

ι1=ρv0

(5)

式中：C0为曼宁糙率；C1为灌溉渠道糙度；v0为灌溉渠道水流摩阻流速。

综合式(3)和式(5)，即可确定泥沙综合特性，根据这一特性确定泥沙与水流之间的关系，即可得到水利挟沙力模型。

1.3 建立水利挟沙力模型

依据式(2)、式(3)和式(5)计算结果，水利与沙力之间存在如下关系：

ζ=zq′r

(6)

式中：z为泥沙转移系数；q′为无纲量处理后的水流强度参数；r为泥沙综合特性参数指数[13]。

(7)

式中：z1为无量纲的泥沙输移系数；r1、r2、r3、r4分别为p、v、H、v1的指数[14]。

从式(7)中可以看出，式(2)在式(6)的作用下，其采用无纲量总共消除了流速、水深和沉速3个参数的纲量。基于此，对式(7)进一步简化，则有：

(8)

式中：v1′为无量纲泥沙沉速。

根据式(8)所示的公式，采用数据拟合的方式，确定无量纲泥沙转移系数及其对应的指数，则有：

(9)

将式(9)拟合得到的无量纲泥沙转移系数值及其对应的指数值，代入式(8)中，即可得到区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型。

2 数值模拟

选择考虑河道整治工程影响的水利挟沙力模型和基于人工神经网络的水利挟沙力模型作为此次实验对比对象，采用实际数据在计算机上进行数值模拟的方式，验证此次研究建立的区域水利灌溉渠道中水利挟沙力模型。

2.1 模拟数据

此次实验选择某区域的水利灌溉渠道土壤，作为水利挟沙力模型中灌溉水携带土壤。将采集到的土壤进行风干处理，让其过2 mm的筛，得到细砂砾、粗粉砾、中粉砾、细粉砾、黏砾、粗砂砾6种砂砾，每种砂砾的直径分别为0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.001～0.005 mm、0.001～0.005 mm、0.001 mm、大于0.25 mm，分别占砂砾总数量的4.25%、51.01%、17.36%、6.51%、17.62%和3.25%。根据此次实验选择区域农田所需灌溉量，所设计的模型水流量、水流比降、砂砾沉速3个参数的模拟计算数据见表1。

表1 水利挟砂砾模拟数据

根据表1所示的水流量，其灌溉面积在4.2～24.1 m2之间。

2.2 水利灌溉渠道模拟

区域水利管道渠道受区域地形影响，为了简化实验，选择灌溉渠道中的斜坡部分，作为灌溉实验模拟灌溉渠道部分，所设计的模拟装置见图1。

图1 水利灌溉渠道模拟装置

在图1所示的水利灌溉渠道模拟装置中，模拟水渠长约4.5 m、宽约0.3 m、高约0.1 m。将玻璃制成的水箱作为灌溉水渠水源，进水管为水渠水源补充点，观察水源变化情况。当灌溉水渠要灌溉农田时，在模拟水渠与水箱之间的加沙漏斗处添加砂砾，让水流顺水渠而下，模拟其在田地灌溉过程中，砂砾携带情况。为了让水利灌溉渠道更加贴近实际情况，在模拟水渠的上端和下端分别安装可调节支架来调节水渠高度。水渠灌溉水流量则通过水箱与加沙漏斗之间的放水阀门实现。

2.3 水利挟沙力实测值

采集图1中泥沙收集装置收集到的泥沙，由于实验装置问题，避免泥沙在水槽内堆积，需要充分搅拌使砂砾与水混合。采集混合后的含沙水流，将其静置沉淀烘干称重处理，得到体积水流含沙量V和水流挟砂砾值ζ，其计算公式如下：

(10)

式中：V1为样品烘干后沙样重量；t为取样时间；V2为含沙水流体积。

将此次实验测量值代入式(10)中，即可得到水流挟砂砾实际值。以获取的模拟数据为依据，采用3组水利挟沙力模型，分别计算水流挟砂砾值，检测3组模型模拟计算结果与水流挟砂砾实际值的拟合度。

2.4 模型与实测值拟合度对比

根据表1所示的模型数值模拟数据，采用3组模型分别计算水流挟砂砾值，并将计算结果与式(10)得到的水流挟砂砾实际值进行拟合，其拟合结果见图2。

从图2中可以看出，考虑河道整治工程影响的水利挟沙力模型模拟计算水利挟沙力值，虽然靠近1∶1直线，与实际值拟合，但其大部分拟合点位于1∶1直线上方，其拟合值明显偏大；基于人工神经网络的水利挟沙力模型的拟合点则散乱地包围在1∶1直线上下，虽然也与实际值拟合，但是同样存在较大的偏差；而研究模型拟合点与1∶1直线完全贴合，表明模型模拟值和实际值基本一致。由此可见，此次研究模型计算水利挟沙力值与实际值具有较高的拟合度。

图2 水流挟砂砾实际值与模型模拟值拟合度对比图

3 结 语

此次研究通过寻找水流强度参数和泥沙综合特性之间存在的关系，建立区域水利渠道中水利挟沙力模型，得到区域水利渠道中水利挟沙力值。并且采用模拟实验的方式，验证此次研究建立的模型计算水利挟沙力精度，为区域水利灌溉渠道建设提供参考。在今后的研究中，还需深入研究悬沙沉降、底沙起动等泥沙特性，进一步提高水利挟沙力模型计算精度。