寧少雄，孫耀民，吳文勇，肖娟*，趙永安，趙志華

(1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2. 運(yùn)城市尊村引黃灌溉服務(wù)中心，山西 運(yùn)城 044099； 3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048； 4. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

黃河以泥沙多聞名，引水必引沙.引黃灌區(qū)沉沙池、后池、干渠泥沙含量大，淤積重，導(dǎo)致灌溉水利用效率低，然而灌區(qū)泥沙具有雙面性.王延貴等[1]在引黃灌區(qū)一系列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，探討了泥沙啟動(dòng)規(guī)律和淤積機(jī)理，總結(jié)了典型引黃灌區(qū)水、沙分布的規(guī)律與特點(diǎn)，分析并驗(yàn)證了適用于典型灌區(qū)的挾沙力公式.韓其為[2]闡述并驗(yàn)證了泥沙起動(dòng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律.程秀文等[3]對(duì)黃河水沿垂線分布的含沙量特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了在首部樞紐整治泥沙的重要性.胡春宏[4]針對(duì)泥沙災(zāi)害提出了資源化利用、聯(lián)合優(yōu)化配置與水沙調(diào)控治理方略.尚靜[5]針對(duì)黃河淤積問題，提出通過水源和沉沙池兩方面減沙，并通過優(yōu)化輸水?dāng)嗝娴忍岣邟渡沉?盧紅偉等[6]提出減少泥沙的途徑主要是減少黃河水泥沙含量或減少引水，對(duì)于引水后的泥沙主要通過沉沙池沉降粗沙來實(shí)現(xiàn)沉降攔截.文獻(xiàn)[7-8]探討了不同粒徑泥沙的揚(yáng)動(dòng)機(jī)理，得到了一些成果與結(jié)論，但針對(duì)渠道和首部樞紐的研究相對(duì)較少.

文中為提高灌區(qū)輸配水利用效率，重點(diǎn)是減少泥沙含量和粗沙的引入，因此急需對(duì)首部樞紐展開試驗(yàn)研究，提出減少粗沙引入的措施與閾值，為尊村引黃灌區(qū)泵站高效提水與減沙提供一定依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

尊村一級(jí)站位于黃河小北干流中段右岸尊村咀上，共有10臺(tái)機(jī)組，為實(shí)現(xiàn)側(cè)向進(jìn)水，設(shè)計(jì)提水流量定為46.5 m3/s，灌溉面積為11.06萬hm2，同時(shí)，它還承擔(dān)著工業(yè)用水與城市用水.由于需水量大和泥沙含量大導(dǎo)致灌區(qū)淤積問題突出，其中1/3淤積在沉沙池內(nèi)，1/3淤積在渠道，嚴(yán)重影響了干渠的輸配水能力.

2 材料與方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)及斷面布置

試驗(yàn)研究區(qū)域位于尊村引黃灌區(qū)一級(jí)站，整個(gè)樞紐監(jiān)測(cè)布置從泵前黃河口至沉沙池出口，長(zhǎng)1 640 m,各監(jiān)測(cè)斷面距離不等，如圖1所示.根據(jù)試驗(yàn)需求，在引黃口、前池、進(jìn)水口、后池、沉沙池進(jìn)口、沉沙池出口布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面,選取不等距典型斷面.共選取7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別為泵前斷面Ⅰ、斷面Ⅱ、斷面Ⅲ、斷面Ⅳ，泵后斷面Ⅴ、斷面Ⅵ、斷面Ⅶ，如表1所示.當(dāng)沉沙池關(guān)閉時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面Ⅴ和斷面Ⅵ，當(dāng)沉沙池開啟時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面Ⅶ和斷面Ⅵ.

圖1 斷面布置圖

表1 斷面樁號(hào)

2.2 監(jiān)測(cè)及采樣方案

2019年5—7月對(duì)所布置斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)及取黃河水樣.各機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄其工況，準(zhǔn)備1.5 L采樣瓶，采用積深法按照?qǐng)D2采集黃河水樣，不同斷面采集黃河水樣時(shí)間間隔計(jì)算式為

(1)

根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范(GB 50179—2015)》[9]，如圖2所示，布置3條測(cè)深、測(cè)速、測(cè)沙垂線，且三者互相重合，使用Starflow 6526超聲多普勒儀測(cè)量水深、平均流速和水面寬度.

圖2 斷面取樣布設(shè)圖

2.3 泥沙水處理與分析方法

泥沙水樣經(jīng)定容、靜置，并采用虹吸法吸取上清液1 000～1 200 mL，將剩余泥沙水樣倒置于燒杯中，經(jīng)烘箱烘干，對(duì)烘干后的泥沙稱重并記錄，依據(jù)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程(SL 42—2010)》[10]對(duì)其進(jìn)行粒徑級(jí)配分析.首先進(jìn)行前處理，判斷泥沙樣品酸堿性.經(jīng)判斷，泥沙樣品為弱堿性.將泥沙樣品中的雜草等雜質(zhì)通過篩分清理掉，取篩分后的泥沙樣品約0.4 g左右，放入到試劑管中，并加入4 mL左右的過氧化氫溶液，通過產(chǎn)生大量氣泡去除其中有機(jī)質(zhì)；隨后將試劑管置于電沙浴鍋內(nèi)，通過加熱去除剩余過氧化氫溶液，待試劑管冷卻后加入40 mL去離子水和0.5 mol/L六偏磷酸鈉，繼續(xù)加熱沸騰1 h，沸騰期間，為防止去離子水蒸干，根據(jù)實(shí)際情況需要補(bǔ)充去離子水；待其冷卻后，采用馬爾文Mastersizer 3000濕法測(cè)量分析粒徑級(jí)配.

2.4 測(cè)定指標(biāo)與推算

依據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[11]，測(cè)沙垂線上各測(cè)點(diǎn)泥沙含量、測(cè)沙垂線上平均泥沙含量、整個(gè)斷面平均泥沙含量計(jì)算式為

(2)

(3)

(4)

(5)

上述式中：Cs為黃河水樣泥沙含量，g/L；Ws為黃河水樣中干沙的重量，g；V為所取黃河水樣樣品的體積，L；Csm為測(cè)沙垂線上平均泥沙含量，kg/m3；Cs0.2，Cs0.6，Cs0.8為不同深度測(cè)點(diǎn)泥沙含量，kg/m3；v0.2，v0.6，v0.8為不同深度測(cè)點(diǎn)流速，m/s；vm為垂線上平均流速，m/s；Qs為整個(gè)斷面上的泥沙輸送率，t/s；qi為第i根垂線與第i-1根垂線之間面積通過的流量，m3/s；Csmi為第i根垂線的平均泥沙含量，kg/m3；Csa為斷面上平均泥沙含量，kg/m3；Q為整個(gè)斷面上通過的流量，m3/s.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 泵站首部樞紐泥沙變化特征

在2019年5—7月共進(jìn)行了6次監(jiān)測(cè)及采集黃河水樣，有1次沉沙池開啟(05-01)，如表2所示.首部樞紐所引泥沙含量與來水工況呈正相關(guān)關(guān)系，通過監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，來水工況介于6.55～8.80 m3/s時(shí)，一級(jí)站平均泥沙含量低于2.00 kg/m3.如圖3所示，對(duì)于泵前4個(gè)斷面，黃河水從泵前斷面Ⅰ、斷面Ⅱ流至斷面Ⅲ的過程中挾帶了大量泥沙，總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，這是由于黃河本身含沙量高、流速大所致.黃河水從斷面Ⅲ到斷面Ⅳ的過程中泥沙含量普遍上升，僅有一次(05-13)泥沙含量沒有增加.這是由于機(jī)組引水導(dǎo)致流速大小不一，使斷面Ⅲ流至斷面Ⅳ時(shí)，底部泥沙產(chǎn)生沖刷或懸移質(zhì)泥沙形成沉降造成.黃河水從泵前斷面Ⅳ提至泵后斷面Ⅴ(Ⅶ)的過程中，泥沙含量變化有高有低，且這一數(shù)值與泵后斷面水深成反比，其中斷面Ⅶ水深145 cm(05-01)、斷面Ⅴ水深181 cm(05-13)、斷面Ⅴ水深122 cm(07-14)呈現(xiàn)這一規(guī)律，這是由于5月單機(jī)組工況較小，流速小導(dǎo)致淤積從而使泥沙含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，7月中旬(07-14)單機(jī)組工況大進(jìn)而產(chǎn)生沖刷，斷面Ⅵ泥沙含量高達(dá)4.29 kg/m3，但由于斷面Ⅳ泥沙含量值遠(yuǎn)大于斷面Ⅳ，故造成泥沙含量下降的趨勢(shì).由于沖刷導(dǎo)致流速過快，水深下降，其中斷面Ⅴ水深1.16 m(06-03)、斷面Ⅴ水深1.11 m(06-24)、斷面Ⅴ水深1.21 m(07-01)符合這一現(xiàn)象與規(guī)律.黃河水從斷面Ⅴ(Ⅶ)到斷面Ⅵ過程中泥沙含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，沉沙池開啟時(shí)(05-01)這一趨勢(shì)尤為顯著，泥沙含量從2.75 kg/m3減少至0.64 kg/m3，減少了約77%，說明沉沙池沉降泥沙十分有效.

表2 來水工況與泥沙含量

3.2 斷面泥沙粒徑分布規(guī)律

選取斷面Ⅲ、斷面Ⅳ、斷面Ⅴ(Ⅶ)、斷面Ⅵ，對(duì)經(jīng)馬爾文Mastersizer 3000分析的樣品數(shù)據(jù)選取3或5個(gè)深度的中值粒徑值D進(jìn)行繪圖分析，如圖4所示，圖中HR為相對(duì)水深.其中斷面Ⅵ選取5個(gè)深度，表示為0，0.2H，0.6H，0.8H，1.0H.斷面Ⅲ、斷面Ⅳ、斷面Ⅴ(Ⅶ)選取3個(gè)深度，表示為0.2H，0.6H，0.8H.對(duì)于不規(guī)則斷面Ⅲ，從底層到表層中值粒徑有大有小，這是由于斷面Ⅲ過水?dāng)嗝婷娣e變化較大導(dǎo)致流速時(shí)大時(shí)小所致，該斷面中值粒徑介于0.030～0.054 mm.對(duì)于斷面Ⅳ，由于斷面水體紊亂，流速分布不均，故從底層到表層中值粒徑有大有小，該斷面中值粒徑介于0.02～0.07 mm.對(duì)于規(guī)則斷面Ⅴ(Ⅶ)，從底層到表層中值粒徑呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，該斷面中值粒徑介于0.03～0.17 mm.對(duì)于斷面Ⅵ，從底層至表面中值粒徑總體變小，該斷面中值粒徑介于0.025～0.170 mm.沉沙池開啟時(shí)，從底層至表層中值粒徑分布較為均勻.可見首部樞紐的泥沙中值粒徑大小介于0.02～0.20 mm.

圖4 不同斷面不同深度中值粒徑級(jí)配

圖5為各斷面泥沙粒徑級(jí)配曲線，圖中α1為小于某粒徑百分?jǐn)?shù).由于試驗(yàn)位于黃河口附近，從斷面Ⅲ、斷面Ⅳ、斷面Ⅴ(Ⅶ)、斷面Ⅵ所取泥沙粒徑級(jí)配分析數(shù)據(jù)可以看出，其粒徑最大值為3.500 mm，最小值為0.100×10-3mm.所引黃河水中泥沙粒徑主要為0.006～0.200 mm，極大顆粒與極小顆粒占比小，粗沙(大于0.050 mm)所占比例為40.8%.由此可知，黃河水中泥沙粒徑集中分布于0.050～0.200 mm，表明尊村灌區(qū)引水過程的泥沙粒徑介于0.006～0.200 mm.

圖5 泥沙粒徑級(jí)配曲線

3.3 泥沙輸移特性分析

黃河水挾沙力指挾沙量與水流的挾沙能力相等，使其處于不沖不淤積狀態(tài)，即引水過程中所能攜帶懸移質(zhì)泥沙量處于臨界值.結(jié)合2019年試驗(yàn)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)分析，推算其挾沙能力.選取黃河水利委員會(huì)精密測(cè)驗(yàn)所用公式，經(jīng)處理后的挾沙力計(jì)算式為

(6)

式中：S為挾沙力，kg/m3；v為水流速度，m/s；R為水力半徑，m；ω為泥沙靜水沉降速度，m/s.

泥沙靜水沉降速度計(jì)算按《河流泥沙顆粒分析規(guī)程(SL 42—2010)》，將粒徑劃分為17個(gè)組，最大粒徑為4.000 mm，最小為0.001 mm.

在計(jì)算泥沙沉降速度時(shí)，粒徑D≤0.062 mm時(shí)，采用斯托克斯公式計(jì)算，即

(7)

當(dāng)0.062

(lgSa+3.665)2+(lgφ-5.777)2=39，

(8)

(9)

當(dāng)D>2.000 mm時(shí)，計(jì)算式為

(10)

粒徑組沉速的幾何平均值計(jì)算式為

(11)

將上述計(jì)算所得沉降速度代入式(6)，得到各斷面挾沙力，與試驗(yàn)值比較，經(jīng)相關(guān)性分析及與前人研究對(duì)比并分析，結(jié)果見表3.表3結(jié)果比前人研究相關(guān)性更高.這是因?yàn)槭撞繕屑~更靠近黃河口，與式(6)的實(shí)測(cè)資料更為接近.

表3 挾沙力實(shí)測(cè)與計(jì)算值相關(guān)性分析

如圖6所示，將各斷面的實(shí)測(cè)值作為自變量，計(jì)算值作為因變量繪制擬合于同一坐標(biāo)軸，實(shí)測(cè)值略小于計(jì)算值.

圖6 挾沙力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合關(guān)系

為了使計(jì)算值更加接近于首部樞紐實(shí)測(cè)值.建立式(6)和擬合公式關(guān)系如下：

令

(12)

聯(lián)立

y=1.918 5x0.855 09，

(13)

得

(14)

即尊村灌區(qū)首部樞紐挾沙力公式為

(15)

3.4 揚(yáng)動(dòng)、起動(dòng)流速分析

根據(jù)各斷面測(cè)量深度H，平均溫度T取20 ℃，深度取H=1.0，1.5，2.0 m；根據(jù)《河流泥沙顆粒分析規(guī)程(SL 42—2010)》計(jì)算沉速，揚(yáng)動(dòng)及起動(dòng)流速(見表4)采用天然砂公式計(jì)算，即

表4 泥沙沉速、起動(dòng)速度

(16)

vf=0.812D0.40ω0.2H0.2，

(17)

式中：vc為泥沙的起動(dòng)流速，m/s；ε為孔隙率，取0.4；vf為泥沙的揚(yáng)動(dòng)流速，m/s.

從表4可以發(fā)現(xiàn)，粗顆粒泥沙沉速快，細(xì)顆粒泥沙沉速慢，泥沙粒徑越大，沉速越快.正是利用這一泥沙特性，在首部利用沉沙池可以有效沉降并攔截大量粗顆粒泥沙，這也是造成淤積的重要原因.當(dāng)D>0.062 mm時(shí)，起動(dòng)流速隨粒徑增大而增大；當(dāng)D≤0.062 mm時(shí)，起動(dòng)流速隨粒徑增大而減小.

將馬爾文Mastersizer 3000分析所得粒徑與實(shí)測(cè)H代入式(17)得到理論揚(yáng)動(dòng)流速值，并和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照分析(見表5)，兩者差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明此公式適用于尊村灌區(qū).

表5 流速計(jì)算與實(shí)測(cè)值相關(guān)性分析

將流速實(shí)測(cè)值vm作為自變量，計(jì)算值vc作為因變量繪制擬合于同一坐標(biāo)軸，如圖7所示，當(dāng)流速大于0.3 m/s時(shí)，計(jì)算值vc小于實(shí)測(cè)值vm；當(dāng)流速小于0.3 m/s時(shí)，計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值.

圖7 流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合關(guān)系

為了使計(jì)算值更接近于首部樞紐實(shí)測(cè)值，建立式(17)和擬合公式：

令

vf=y=0.812D0.4ω0.2H0.2,

(18)

聯(lián)立

y=0.443 13x0.332 02,

(19)

得

x=6.197D1.2ω0.6H0.6,

(20)

即尊村灌區(qū)首部樞紐泥沙揚(yáng)動(dòng)流速公式為

vf=6.197D1.2ω0.6H0.6.

(21)

4 討 論

在引黃灌區(qū)，需要減少有害泥沙(大于0.05 mm)引入，基于上述研究，針對(duì)首部樞紐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在此對(duì)1～2 m水深展開討論，由式(21)計(jì)算可知，流速大于0.28～0.42 m/s時(shí)，粒徑為0.05 mm的泥沙開始揚(yáng)動(dòng)，故對(duì)于泵前黃河口斷面Ⅲ流速應(yīng)控制在0.28 m/s左右才能大量減少有害泥沙輸移至泵前.對(duì)于引水口斷面Ⅳ，通過圖4(Ⅳ)、圖5及式(21)預(yù)測(cè)到其淤積嚴(yán)重，目前水深最大為2.00 m，淤積嚴(yán)重的引水口僅有0.25 m，這也是造成有害泥沙引入的原因之一.據(jù)此，引水口流速應(yīng)介于0.12～0.42 m/s，工況為3.0～10.5 m3/s最宜；距引水口平均水深處，該斷面最佳流速為0.3 m/s，工況為7.5 m3/s，由此可減少有害泥沙的引入，對(duì)于此引水口斷面，后期應(yīng)及時(shí)清淤.

泵后干渠泥沙粒徑大小介于0.006～0.200 mm，將0.200 mm帶入式(21)可知干渠不同水深處揚(yáng)動(dòng)流速介于1.36～2.06 m/s，同時(shí)0.050 mm粒徑泥沙不同水深處揚(yáng)動(dòng)流速介于0.28～0.42 m/s，為了確保干渠沖淤平衡，應(yīng)定時(shí)沖刷.表4中粒徑為3.500 mm的泥沙起動(dòng)流速介于1.05～1.21 m/s，依據(jù)國(guó)家規(guī)范《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50288—2018)》[12]，渠道平均流速不應(yīng)小于0.30 m/s，要想實(shí)現(xiàn)上述沖淤平衡目標(biāo)，建議流速以0.42 m/s左右最佳，需要沖刷時(shí)，流速應(yīng)大于2.06 m/s.

5 結(jié) 論

1) 干渠黃河水泥沙含量與工況成正相關(guān)，保證輸水效率前提下，為減少有害泥沙的引入，建議單臺(tái)機(jī)組流量控制在7.50 m3/s，引水口斷面應(yīng)及時(shí)清淤.

2) 進(jìn)入干渠的有害泥沙占比為2/5，懸移質(zhì)泥沙粒徑分布于0.006～0.200 mm，沉沙池對(duì)有害泥沙沉積攔截效果十分有效.

3) 建議增長(zhǎng)泵前輸水距離，前池流速以0.30 m/s左右最宜.對(duì)于干渠，灌溉、生活、工業(yè)用水時(shí)，流速以0.42 m/s左右最宜，為實(shí)現(xiàn)沖淤平衡，應(yīng)定期以大于2.06 m/s的流速進(jìn)行沖刷.

文中僅以一個(gè)灌期內(nèi)數(shù)據(jù)處理分析，具有一定局限性.今后繼續(xù)加大此項(xiàng)研究工作，以獲取更多數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合CFD數(shù)值模擬深化此研究，為未來泥沙問題和灌區(qū)現(xiàn)代化發(fā)展提供依據(jù).