引黄灌区首部枢纽泥沙输移特性与流速试验研究

宁少雄，孙耀民，吴文勇，肖娟*，赵永安，赵志华

(1. 太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024； 2. 运城市尊村引黄灌溉服务中心，山西 运城 044099； 3. 中国水利水电科学研究院，北京 100048； 4. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832000)

黄河以泥沙多闻名，引水必引沙.引黄灌区沉沙池、后池、干渠泥沙含量大，淤积重，导致灌溉水利用效率低，然而灌区泥沙具有双面性.王延贵等[1]在引黄灌区一系列实测数据的基础上，探讨了泥沙启动规律和淤积机理，总结了典型引黄灌区水、沙分布的规律与特点，分析并验证了适用于典型灌区的挟沙力公式.韩其为[2]阐述并验证了泥沙起动的统计学规律.程秀文等[3]对黄河水沿垂线分布的含沙量特点进行了分析，提出了在首部枢纽整治泥沙的重要性.胡春宏[4]针对泥沙灾害提出了资源化利用、联合优化配置与水沙调控治理方略.尚静[5]针对黄河淤积问题，提出通过水源和沉沙池两方面减沙，并通过优化输水断面等提高挟沙力.卢红伟等[6]提出减少泥沙的途径主要是减少黄河水泥沙含量或减少引水，对于引水后的泥沙主要通过沉沙池沉降粗沙来实现沉降拦截.文献[7-8]探讨了不同粒径泥沙的扬动机理，得到了一些成果与结论，但针对渠道和首部枢纽的研究相对较少.

文中为提高灌区输配水利用效率，重点是减少泥沙含量和粗沙的引入，因此急需对首部枢纽展开试验研究，提出减少粗沙引入的措施与阈值，为尊村引黄灌区泵站高效提水与减沙提供一定依据.

1 研究区域概况

尊村一级站位于黄河小北干流中段右岸尊村咀上，共有10台机组，为实现侧向进水，设计提水流量定为46.5 m3/s，灌溉面积为11.06万hm2，同时，它还承担着工业用水与城市用水.由于需水量大和泥沙含量大导致灌区淤积问题突出，其中1/3淤积在沉沙池内，1/3淤积在渠道，严重影响了干渠的输配水能力.

2 材料与方法

2.1 监测点及断面布置

试验研究区域位于尊村引黄灌区一级站，整个枢纽监测布置从泵前黄河口至沉沙池出口，长1 640 m,各监测断面距离不等，如图1所示.根据试验需求，在引黄口、前池、进水口、后池、沉沙池进口、沉沙池出口布设监测断面,选取不等距典型断面.共选取7个监测断面，分别为泵前断面Ⅰ、断面Ⅱ、断面Ⅲ、断面Ⅳ，泵后断面Ⅴ、断面Ⅵ、断面Ⅶ，如表1所示.当沉沙池关闭时，监测断面Ⅴ和断面Ⅵ，当沉沙池开启时，监测断面Ⅶ和断面Ⅵ.

图1 断面布置图

表1 断面桩号

2.2 监测及采样方案

2019年5—7月对所布置断面进行监测及取黄河水样.各机组运行稳定后，记录其工况，准备1.5 L采样瓶，采用积深法按照图2采集黄河水样，不同断面采集黄河水样时间间隔计算式为

(1)

根据《河流流量测验规范(GB 50179—2015)》[9]，如图2所示，布置3条测深、测速、测沙垂线，且三者互相重合，使用Starflow 6526超声多普勒仪测量水深、平均流速和水面宽度.

图2 断面取样布设图

2.3 泥沙水处理与分析方法

泥沙水样经定容、静置，并采用虹吸法吸取上清液1 000～1 200 mL，将剩余泥沙水样倒置于烧杯中，经烘箱烘干，对烘干后的泥沙称重并记录，依据《河流泥沙颗粒分析规程(SL 42—2010)》[10]对其进行粒径级配分析.首先进行前处理，判断泥沙样品酸碱性.经判断，泥沙样品为弱碱性.将泥沙样品中的杂草等杂质通过筛分清理掉，取筛分后的泥沙样品约0.4 g左右，放入到试剂管中，并加入4 mL左右的过氧化氢溶液，通过产生大量气泡去除其中有机质；随后将试剂管置于电沙浴锅内，通过加热去除剩余过氧化氢溶液，待试剂管冷却后加入40 mL去离子水和0.5 mol/L六偏磷酸钠，继续加热沸腾1 h，沸腾期间，为防止去离子水蒸干，根据实际情况需要补充去离子水；待其冷却后，采用马尔文Mastersizer 3000湿法测量分析粒径级配.

2.4 测定指标与推算

依据《河流悬移质泥沙测验规范》[11]，测沙垂线上各测点泥沙含量、测沙垂线上平均泥沙含量、整个断面平均泥沙含量计算式为

(2)

(3)

(4)

(5)

上述式中：Cs为黄河水样泥沙含量，g/L；Ws为黄河水样中干沙的重量，g；V为所取黄河水样样品的体积，L；Csm为测沙垂线上平均泥沙含量，kg/m3；Cs0.2，Cs0.6，Cs0.8为不同深度测点泥沙含量，kg/m3；v0.2，v0.6，v0.8为不同深度测点流速，m/s；vm为垂线上平均流速，m/s；Qs为整个断面上的泥沙输送率，t/s；qi为第i根垂线与第i-1根垂线之间面积通过的流量，m3/s；Csmi为第i根垂线的平均泥沙含量，kg/m3；Csa为断面上平均泥沙含量，kg/m3；Q为整个断面上通过的流量，m3/s.

3 研究结果与分析

3.1 泵站首部枢纽泥沙变化特征

在2019年5—7月共进行了6次监测及采集黄河水样，有1次沉沙池开启(05-01)，如表2所示.首部枢纽所引泥沙含量与来水工况呈正相关关系，通过监测与试验分析发现，来水工况介于6.55～8.80 m3/s时，一级站平均泥沙含量低于2.00 kg/m3.如图3所示，对于泵前4个断面，黄河水从泵前断面Ⅰ、断面Ⅱ流至断面Ⅲ的过程中挟带了大量泥沙，总体呈现明显上升趋势，这是由于黄河本身含沙量高、流速大所致.黄河水从断面Ⅲ到断面Ⅳ的过程中泥沙含量普遍上升，仅有一次(05-13)泥沙含量没有增加.这是由于机组引水导致流速大小不一，使断面Ⅲ流至断面Ⅳ时，底部泥沙产生冲刷或悬移质泥沙形成沉降造成.黄河水从泵前断面Ⅳ提至泵后断面Ⅴ(Ⅶ)的过程中，泥沙含量变化有高有低，且这一数值与泵后断面水深成反比，其中断面Ⅶ水深145 cm(05-01)、断面Ⅴ水深181 cm(05-13)、断面Ⅴ水深122 cm(07-14)呈现这一规律，这是由于5月单机组工况较小，流速小导致淤积从而使泥沙含量呈现下降趋势，7月中旬(07-14)单机组工况大进而产生冲刷，断面Ⅵ泥沙含量高达4.29 kg/m3，但由于断面Ⅳ泥沙含量值远大于断面Ⅳ，故造成泥沙含量下降的趋势.由于冲刷导致流速过快，水深下降，其中断面Ⅴ水深1.16 m(06-03)、断面Ⅴ水深1.11 m(06-24)、断面Ⅴ水深1.21 m(07-01)符合这一现象与规律.黄河水从断面Ⅴ(Ⅶ)到断面Ⅵ过程中泥沙含量呈现降低趋势，沉沙池开启时(05-01)这一趋势尤为显著，泥沙含量从2.75 kg/m3减少至0.64 kg/m3，减少了约77%，说明沉沙池沉降泥沙十分有效.

表2 来水工况与泥沙含量

3.2 断面泥沙粒径分布规律

选取断面Ⅲ、断面Ⅳ、断面Ⅴ(Ⅶ)、断面Ⅵ，对经马尔文Mastersizer 3000分析的样品数据选取3或5个深度的中值粒径值D进行绘图分析，如图4所示，图中HR为相对水深.其中断面Ⅵ选取5个深度，表示为0，0.2H，0.6H，0.8H，1.0H.断面Ⅲ、断面Ⅳ、断面Ⅴ(Ⅶ)选取3个深度，表示为0.2H，0.6H，0.8H.对于不规则断面Ⅲ，从底层到表层中值粒径有大有小，这是由于断面Ⅲ过水断面面积变化较大导致流速时大时小所致，该断面中值粒径介于0.030～0.054 mm.对于断面Ⅳ，由于断面水体紊乱，流速分布不均，故从底层到表层中值粒径有大有小，该断面中值粒径介于0.02～0.07 mm.对于规则断面Ⅴ(Ⅶ)，从底层到表层中值粒径呈现减小的趋势，该断面中值粒径介于0.03～0.17 mm.对于断面Ⅵ，从底层至表面中值粒径总体变小，该断面中值粒径介于0.025～0.170 mm.沉沙池开启时，从底层至表层中值粒径分布较为均匀.可见首部枢纽的泥沙中值粒径大小介于0.02～0.20 mm.

图4 不同断面不同深度中值粒径级配

图5为各断面泥沙粒径级配曲线，图中α1为小于某粒径百分数.由于试验位于黄河口附近，从断面Ⅲ、断面Ⅳ、断面Ⅴ(Ⅶ)、断面Ⅵ所取泥沙粒径级配分析数据可以看出，其粒径最大值为3.500 mm，最小值为0.100×10-3mm.所引黄河水中泥沙粒径主要为0.006～0.200 mm，极大颗粒与极小颗粒占比小，粗沙(大于0.050 mm)所占比例为40.8%.由此可知，黄河水中泥沙粒径集中分布于0.050～0.200 mm，表明尊村灌区引水过程的泥沙粒径介于0.006～0.200 mm.

图5 泥沙粒径级配曲线

3.3 泥沙输移特性分析

黄河水挟沙力指挟沙量与水流的挟沙能力相等，使其处于不冲不淤积状态，即引水过程中所能携带悬移质泥沙量处于临界值.结合2019年试验中实测数据与室内分析，推算其挟沙能力.选取黄河水利委员会精密测验所用公式，经处理后的挟沙力计算式为

(6)

式中：S为挟沙力，kg/m3；v为水流速度，m/s；R为水力半径，m；ω为泥沙静水沉降速度，m/s.

泥沙静水沉降速度计算按《河流泥沙颗粒分析规程(SL 42—2010)》，将粒径划分为17个组，最大粒径为4.000 mm，最小为0.001 mm.

在计算泥沙沉降速度时，粒径D≤0.062 mm时，采用斯托克斯公式计算，即

(7)

当0.062

(lgSa+3.665)2+(lgφ-5.777)2=39，

(8)

(9)

当D>2.000 mm时，计算式为

(10)

粒径组沉速的几何平均值计算式为

(11)

将上述计算所得沉降速度代入式(6)，得到各断面挟沙力，与试验值比较，经相关性分析及与前人研究对比并分析，结果见表3.表3结果比前人研究相关性更高.这是因为首部枢纽更靠近黄河口，与式(6)的实测资料更为接近.

表3 挟沙力实测与计算值相关性分析

如图6所示，将各断面的实测值作为自变量，计算值作为因变量绘制拟合于同一坐标轴，实测值略小于计算值.

图6 挟沙力计算值与实测值拟合关系

为了使计算值更加接近于首部枢纽实测值.建立式(6)和拟合公式关系如下：

令

(12)

联立

y=1.918 5x0.855 09，

(13)

得

(14)

即尊村灌区首部枢纽挟沙力公式为

(15)

3.4 扬动、起动流速分析

根据各断面测量深度H，平均温度T取20 ℃，深度取H=1.0，1.5，2.0 m；根据《河流泥沙颗粒分析规程(SL 42—2010)》计算沉速，扬动及起动流速(见表4)采用天然砂公式计算，即

表4 泥沙沉速、起动速度

(16)

vf=0.812D0.40ω0.2H0.2，

(17)

式中：vc为泥沙的起动流速，m/s；ε为孔隙率，取0.4；vf为泥沙的扬动流速，m/s.

从表4可以发现，粗颗粒泥沙沉速快，细颗粒泥沙沉速慢，泥沙粒径越大，沉速越快.正是利用这一泥沙特性，在首部利用沉沙池可以有效沉降并拦截大量粗颗粒泥沙，这也是造成淤积的重要原因.当D>0.062 mm时，起动流速随粒径增大而增大；当D≤0.062 mm时，起动流速随粒径增大而减小.

将马尔文Mastersizer 3000分析所得粒径与实测H代入式(17)得到理论扬动流速值，并和实测数据对照分析(见表5)，两者差异具有统计学意义，表明此公式适用于尊村灌区.

表5 流速计算与实测值相关性分析

将流速实测值vm作为自变量，计算值vc作为因变量绘制拟合于同一坐标轴，如图7所示，当流速大于0.3 m/s时，计算值vc小于实测值vm；当流速小于0.3 m/s时，计算值大于实测值.

图7 流速计算值与实测值拟合关系

为了使计算值更接近于首部枢纽实测值，建立式(17)和拟合公式：

令

vf=y=0.812D0.4ω0.2H0.2,

(18)

联立

y=0.443 13x0.332 02,

(19)

得

x=6.197D1.2ω0.6H0.6,

(20)

即尊村灌区首部枢纽泥沙扬动流速公式为

vf=6.197D1.2ω0.6H0.6.

(21)

4 讨 论

在引黄灌区，需要减少有害泥沙(大于0.05 mm)引入，基于上述研究，针对首部枢纽实测数据，在此对1～2 m水深展开讨论，由式(21)计算可知，流速大于0.28～0.42 m/s时，粒径为0.05 mm的泥沙开始扬动，故对于泵前黄河口断面Ⅲ流速应控制在0.28 m/s左右才能大量减少有害泥沙输移至泵前.对于引水口断面Ⅳ，通过图4(Ⅳ)、图5及式(21)预测到其淤积严重，目前水深最大为2.00 m，淤积严重的引水口仅有0.25 m，这也是造成有害泥沙引入的原因之一.据此，引水口流速应介于0.12～0.42 m/s，工况为3.0～10.5 m3/s最宜；距引水口平均水深处，该断面最佳流速为0.3 m/s，工况为7.5 m3/s，由此可减少有害泥沙的引入，对于此引水口断面，后期应及时清淤.

泵后干渠泥沙粒径大小介于0.006～0.200 mm，将0.200 mm带入式(21)可知干渠不同水深处扬动流速介于1.36～2.06 m/s，同时0.050 mm粒径泥沙不同水深处扬动流速介于0.28～0.42 m/s，为了确保干渠冲淤平衡，应定时冲刷.表4中粒径为3.500 mm的泥沙起动流速介于1.05～1.21 m/s，依据国家规范《灌溉与排水工程设计规范(GB 50288—2018)》[12]，渠道平均流速不应小于0.30 m/s，要想实现上述冲淤平衡目标，建议流速以0.42 m/s左右最佳，需要冲刷时，流速应大于2.06 m/s.

5 结 论

1) 干渠黄河水泥沙含量与工况成正相关，保证输水效率前提下，为减少有害泥沙的引入，建议单台机组流量控制在7.50 m3/s，引水口断面应及时清淤.

2) 进入干渠的有害泥沙占比为2/5，悬移质泥沙粒径分布于0.006～0.200 mm，沉沙池对有害泥沙沉积拦截效果十分有效.

3) 建议增长泵前输水距离，前池流速以0.30 m/s左右最宜.对于干渠，灌溉、生活、工业用水时，流速以0.42 m/s左右最宜，为实现冲淤平衡，应定期以大于2.06 m/s的流速进行冲刷.

文中仅以一个灌期内数据处理分析，具有一定局限性.今后继续加大此项研究工作，以获取更多数据，同时结合CFD数值模拟深化此研究，为未来泥沙问题和灌区现代化发展提供依据.