黄河宁夏某河段减沙渠首设计及其数值模拟

柳明洋，李春光2，，吕岁菊，赵文娟，乔 桥，许昊丽

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2. 北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021；3. 北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021； 4. 吕梁学院 建筑系，山西 吕梁 033400）

0 引 言

黄河在宁夏境内全长397 km，引黄灌区干渠39 条，充分利用黄河水是解决水资源短缺的重要措施。但黄河水少沙多，严重影响渠道的引水效率。为改善沉积，解决渠道泥沙淤积以及泥沙含量，提升水资源运载能力，利用鱼嘴分流分沙工作原理，使含沙量少的水流在外江流入渠首［1］，达到降低水流泥沙承载能力，以实现渠道减沙的目的。

泥沙淤积是不可避免的问题，在农业灌溉、城市排水中造成诸多不利影响。引、排水系统中沉积物的持续沉积会影响渠道系统正常运行的工作效率，造成经济损失。Bagnold［2，3］等在固定床实验中研究了泥沙初始沉积，推导了推移质和悬移质输沙率的计算公式，并得出泥沙的启动与沉积有相似的原理；Safair［4］等发现当流速降低，非黏性沉积物启动速度低于沉积速度，这一速度被称为初始沉积速度；当流速逐渐增大，流速达到使固定床面的泥沙开始运动，这一速度被称为初始运动速度。Krishnappan 等人［5］研究了泥沙沉降过程中泥沙粒径和沉降速度的变化规律，并表明：较小的颗粒尺寸更容易下降和淤积。李春光等［6-9］人根据黄河宁夏段水动力资料，得到了黄河宁夏河段泥沙运动规律及冲淤演变规律。

渠道排沙防淤这类问题是可以通过自身清洁标准来预防使其最小化［10］，根据自身清洁标准，河床上推移质在开始移动［11，12］，或悬移质在不平衡状态下向下游运输［13-15］，在供、排水系统中率先考虑的是保护床面稳定［16-20］。因此，初期沉积或排沙是取水工程设计一个重要环节，较少悬移质或推移质流入引、排水系统是重要环节。为达到减少泥沙进入渠道系统中，引水系统利用弯道环流的水流特性凹岸引水［21，22］，通过改变渠首与河流的角度、增设拦沙坎达到最佳引水目的［23-25］；排水系统在渠首设置沉淀池［26-28］，达到沉淀的目的。

本文基于黄河宁夏某河段，将都江堰工作原理应用到渠道设计中，并根据河流动力学凹岸冲刷凸岸淤积原理，设计两种不同取水方式，利用数值模拟的计算方法，对比不同工况下引水渠中悬移质的含量。

1 模型依据

1.1 水动力控制方程

采用二维水动力模型及非黏性泥沙耦合模型，对研究区域及模型进行数值模拟研究。模型基于不可压缩的雷诺平均N-S方程，包括连续方程、x方向的动量方程、y方向的动量方程。

x方向动量方程：

y方向动量方程：

式中：t为时间；h为总水深；x、y为直角坐标系；u、v为x、y方向上的速度分量；S为源项；f为科氏力；η为水深；g为重力加速度；d为静水深；ρ为水的密度；Sxx、Sxy、Syy为辐射应力分量；Us、Vs为源项的水流流速。

1.2 泥沙控制方程

非黏性泥沙输移求解计算是基于二维水动力模型的基础上，计算单一水流的作用，通过全沙输移理论计算悬移质和推移质含沙率。

泥沙输运扩散方程：

2 模型率定及验证

2.1 网格划分

研究区域为宁夏黄河某河段，全长4 km，将研究区域划分为10 个断面，利用GPS-RTK、声学多普勒剖面仪对边界、高程、水深、流量、流速进行测量。基于实测资料，对研究区域进行网格划分，如图1 所示，开边界共设置126 个节点，其中上游48 个节点，下游78 个节点，三角形网格角最小度为29°，计算区域划分为9 122 个节点，15 658 个网格，最小分辨率为10 m。

图1 网格划分Fig.1 Grid division

2.2 模型率定

根基实测资料对研究区域线性插值，如图2所示，河床高程沿程降低，断面呈V 型。模拟时间为2020 年10 月27 日00∶00时至2020 年10 月27 日03∶00，模拟时间步长0.01～1.00 s、曼宁系数率定值为36 m1/3/s、水平涡黏系数取默认值0.28、cfl 数为0.8。

图2 测量河段地形图Fig.2 Topographic map of the measured river section

2.2.1 流速验证

如图3所示，对研究区域流速进行了验证，因研究区域河床宽度宽窄相间，地形跌宕不平，导致流速存在差异。CS6断面宽度为440.18 m，CS7断面宽度为585 m，断面水流流速介于0.4～2.4 m/s，流速最大值向凹岸摆动，流速较小值位于河床两侧。MIKE 21模拟结果显示，实测流速值分散在模拟结果两侧，且模拟结果与实测流速状态同步；CS4断面最大流速位于距左岸210 m 处，CS5断面最大流速位于距左岸265 m 处，CS6断面最大流速位于距左岸180 m 处，CS7断面最大流速位于距左岸220 m 处。因此，典型断面水流流速模拟结果较好，这一数据可以作为模拟工况的水动力条件。

2.2.2 含沙量验证

为选取最优断面布设引水渠，本文对研究区域10个断面含沙量进行了验证。模型含沙量基于MIKE21 软件进行设置，上游入口处断面平均泥沙浓度为0.78 kg/m3，下游出口处平均泥沙浓度为1.88 kg/m3。含沙量模拟结果拟合较好，可重现河道内泥沙分布情况，如图4所示，其中CS5断面左岸下游，由于横向环流的作用，含沙量最少，为0.5 kg/m3，上下游左岸处泥沙含量均较大，在1 kg/m3以上，因此在CS5断面附近选择引水渠的位置最为合理。

图4 模拟区域含沙浓度分布Fig.4 Distribution of sand concentration in the simulation area

3 渠首设计与结果分析

3.1 工况设计

根据实测河段的水力条件以及地形，设置两种不同的工况，在天然河道的相同位置，渠首采用倒漏斗型，目的是为了增加引流量。如图5 所示，图5（a）为常见的引水渠示意图，图5（b）为排沙引水渠示意图。图5（a）中，拦沙坎高程为1 091.5 m，宽度为100 m，引水渠直线长度为800 m，宽度为20 m，坡率为1/1 000。图（b）中拦沙坎1 的高程为1 090 m，引河进水口宽度为150 m，出水口宽度为100 m，飞沙堰在引水渠下游连接鱼嘴与边界，高程为1 093 m，宽度为45 m；工况2引水渠的取水口宽度、高程、引水渠宽度、长度、坡率均相同。

图5 渠首结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the structure of the head of the drain

鱼嘴位于弯道处，将水流分成两部分：内江与外江。引水渠入口河床凹陷，外江凸起，根据水力学原理，含有少量泥沙的表层水流向凹岸，即流向内江；含有大量泥沙的底层水会流向凸岸，即流向外江，泥沙会沿外江流入天然河流中。经长期的沉淤，内江同样会有泥沙淤积，内江水以巨大的冲击力流到拦沙坎2 处，加上顶托作用，在飞沙堰附近形成漩涡，当水量较大时，水位会高于飞沙堰，泥沙会越过飞沙堰水中的泥沙会甩出飞沙堰，沿出水口排入河道中。

3.2 工况2分流原理

图6 所示为鱼嘴流场分布，引河宽为175 m，为实现分流目的，内江宽度设置为70 m，外江宽度设置为105 m。根据本次实测水面高程，本文飞沙堰设计高程为1 093 m，模拟工况为平水期，模拟飞沙堰附近水流高程为1 092.8 m，飞沙堰高程大于模拟工况下水面高程，当该河段处于枯水期与平水期时，水流不会在飞沙堰上流过，保证引水渠的需水量。

图6 工况2流场及流速分布Fig.6 The flow field and flow velocity distribution of working condition 2

模拟结果表明，鱼嘴将水流分成内江与外江，内江流速为0.2～0.48 m/s，外江水流流速较大，流速为0.8～0.9 m/s，且外江凸岸侧水流流速略大于凹岸侧。此外，内江水流流速更加平稳，最小流速点在鱼嘴将水流内江与外江分界点处，内江的入流量为33.495 m3/s，外江入流量为105.735 m3/s，很好的起到了分流效果，达到了内江引水，外江排洪的效果。当处于丰水期时，飞沙堰相当于溢流坝，水流从飞沙堰上流出，可控制引水渠取水量，引水渠不会因上游流量过多而导致取水过多造成灾害。

3.3 引水渠对水流动力轴线的影响

本文模拟了不同工况下引水渠附近的水力情况，如图6 所示，工况1 引水渠入口处平均水流流速为0.84 m/s，入渠流量为47.04 m3/s，占总流量的2.53%；工况2 进水口平均水流流速为0.85 m/s，引河流量为252.47 m3/s，占总流量的13.56%，引水渠流量为22.75 m3/s，占总流量的1.22%。增设引水渠后，水流动力轴线发生了摆动，不同工况下水流动力轴线的摆动情况不同。

模拟结果表明，不同工况水流动力轴线均向凹岸发生摆动的同时，改变河流自身平衡，水流最大动量轴线向引流侧摆动。工况1 仅在引水渠附近水流动力轴线向凹岸摆动，摆动距离为46.6 m，随后渐渐与原模拟水流动力轴线重合。工况2 引河水流动力轴线摆动较大，摆动距离为62.6 m，影响的范围较广，与原水流动力轴线重合距离更远。综上所述，当有水流流出时会改变流场的结构，流出的流量越大，水流动力轴线摆动的幅度越大。水流动力轴线的位置是河床边界条件和水动力共同作用的结果，由于增设引水渠，改变原河段的边界条件，破坏原河流稳定程度，不同流量的流出情况反映了研究区域的变化幅度。

图8 模拟工况引水渠附近含沙量Fig.8 Simulated working conditions of sand content near the diversion channel

3.4 渠首泥沙含量

图9为两种工况在相同的水动力条件下对两种工况进行模拟云图。图9（a）为工况1渠首泥沙分布云图，在增设引水渠后，破坏原河流的自身平衡，使水流动力轴线发生摆动；此外，由于水是泥沙的载体，CS5断面附近的含沙量增加，渠首的泥沙含量在0.3～1 kg/m3之间。工况2由于在内江取水，如图9（b）所示，渠首含沙量居于0.1～0.15 kg/m3，由于内江处于凹岸外江处于凸岸，凹岸冲刷凸岸淤积，泥沙会淤积在凸岸边，大量的泥沙会被带入外江，清澈的水流入内江，入渠的泥沙含量为0.15 kg/m3，小于工况1的泥沙入渠量。

图9 引水渠水沙对比Fig.9 Comparison of water and sand in the diversion channel

模拟结果验证了工况2 泥沙入渠量明显少于工况1 泥沙入渠量，工况2 引水方式在根本上解决引水渠出现泥沙淤积的状况，大大减少在水渠运行过程中出现淤积的现象，降低运行维护成本。

3.5 引水渠含沙量对比

本文对两种工况引水渠流速和泥沙进行了模拟，如图9 所示。工况1 的水流流速及含沙量均大于同位置工况2 的水流流速和含沙量。流速及含沙量在渠首至模拟端，呈现先增大后减小的趋势。工况1引水渠最大水流流速为1.28 m/s，最大含沙量为0.89 kg/m3，位于引水渠变窄位置处；最小流速为0.71 m/s，最少含沙量为0.37 kg/m3，位于渠首。工况2 最大流速为0.76 m/s，最大含沙量为0.34 kg/m3，位于引水渠变窄位置处；最小流速为0.18 m/s，位于渠首，最少含沙量为0.05 kg/m3，位于端部。

在引水渠内，泥沙的含量与水流流速有关，渠首渐变段逐渐变窄，流速逐渐变大，水中携带的悬移质含量增大；随着进入引水渠直线段，水流流速逐渐降低，悬移质含量也随之逐渐减少。两种不同工况下，流速、泥沙含量出现了相同的变化趋势，工况2在渠内所有位置泥沙含量均低于工况1，说明工况2引水渠运行会减少淤积的状况，减少维护成本，带来一定的经济效益，体现了工况2的优越性。

4 结 论

本文基于黄河宁夏某河段实测水动力学要素，采用非均匀三角形网格，利用MIKE 21 软件建立契合研究区域的数学模型，并基于数学模型设计两种不同工况，研究两种工况下对河流水流动力轴线的影响以及引水渠悬移质的含量，得到如下结论。

（1） 通过MIKE21 对研究区域进行水动力验证，模拟断面水流流速及水流动力轴线与实测结果吻合度较高，模型参数设定较为合理。

（2） 在天然河道增设引水渠，会破坏河流的自身平衡，使水流动力轴线向引水渠侧摆动，工况1 引出流量为47.04 m3/s，摆动距离为46.6 m；工况2 引河流量为252.47 m3/s，摆动距离为62.6 m。引水量越大，水流动力轴线的摆动幅度越大。

（3） 工况2 鱼嘴将引河分为内江与外江，利用凹岸冲刷凸岸淤积的原理，内江流量为33.495 m3/s，流速为0.2～0.48 m/s，泥沙含量为0.1～0.15 kg/m3；外江流量为105.735 m3/s，流速为0.8～0.9 m/s，泥沙含量为0.6～1.6 kg/m3。外江流量及含沙量远大于内江，鱼嘴很好的起到了分流分沙的作用。

（4） 工况1 引水渠内含沙量最大值为0.89 kg/m3，工况2 引水渠内含沙量最大值为0.37 kg/m3，且工况2引水渠内处泥沙含量均小于工况1，说明工况2分流分沙能很好的减少泥沙入渠。

利用弯道环流的原理，将高含沙量的水流冲到鱼嘴前的弯道处，使高含沙量的水流自动冲到外江，从而大大减少内江的含沙量，进一步较少降低引水系统的淤塞之害。因此，鱼嘴分流分沙的引水方式能很好的减少泥沙的入渠量，延长引水渠的使用寿命，有较高的工程价值。