趙琳琳 馬太玲 于健 李超

摘要：以黃河上游鐙口揚(yáng)水灌區(qū)總干渠為研究對(duì)象，研究了引黃渠道泥沙的輸移、沉降與懸移特性，分析了含沙量的變化規(guī)律及其與各影響因素間的相關(guān)性。結(jié)果表明：總干渠挾沙力和水流速度、懸移流速及起動(dòng)流速三者間的關(guān)系對(duì)含沙量及渠道的沖淤狀態(tài)有顯著影響；含沙量的變化規(guī)律具有沿程減小、沿程增大、變化平緩和起伏較大4種狀態(tài)；含沙量S與各因子相關(guān)性由強(qiáng)到弱的排序?yàn)榱魉賃、沉速ω、床沙中值粒徑D50床、水深h和懸移質(zhì)中值粒徑D50懸，S與U、ω、D50懸均成冪函數(shù)關(guān)系，與h成線性函數(shù)關(guān)系，與D50床成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：特性；渠道輸沙；鐙口揚(yáng)水灌區(qū)；黃河上游

中圖分類號(hào)：TV146+.1；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.003

鐙口揚(yáng)水灌區(qū)地處黃河上游，該處黃河非汛期平均含沙量為1.3～3.0 kg/m，，汛期平均含沙量為4.5～7.8kg/m3，多年平均含沙量為4.46kg/m3，懸沙中值粒徑為0.002～0.050mm。引黃灌溉致使灌區(qū)渠道產(chǎn)生了嚴(yán)重的淤積問題，近年來雖然采取了一定的防淤措施，但是渠道淤積問題并未改觀。筆者以該灌區(qū)總干渠為研究對(duì)象，利用2012-2013年的現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了渠道泥沙的輸移、沉降與懸移特性，分析了含沙量變化規(guī)律及其與各影響因素間的相關(guān)性，以期揭示灌區(qū)渠道的沖淤變化規(guī)律。

1 采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)設(shè)置

2012年、2013年共采樣5次，分別在總干渠內(nèi)泵站出水口、東富橋、伊泰橋、官地橋、土合氣橋、大巴拉蓋橋、小巴拉蓋橋、總干渠末端共設(shè)置8個(gè)采樣斷面，每個(gè)采樣斷面設(shè)置9個(gè)采樣點(diǎn)。

2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)及分析內(nèi)容

現(xiàn)場(chǎng)采樣監(jiān)測(cè)內(nèi)容：采集總干渠各斷面懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙，測(cè)定各采樣斷面的垂線水深和流速，測(cè)量各采樣斷面的渠底高程（每次灌水前后）。室內(nèi)檢測(cè)分析指標(biāo)：懸移質(zhì)和推移質(zhì)含沙量、顆粒級(jí)配。檢測(cè)分析方法：含沙量采用烘干法，流速采用旋槳流速儀測(cè)定，泥沙顆粒級(jí)配采用激光粒度分析儀進(jìn)行檢測(cè)分析。

3 總干渠泥沙淤積特性及其影響因素

泥沙受水流紊動(dòng)和本身重力與慣性力的共同作用，在水流中表現(xiàn)為懸移質(zhì)的沉降和床沙的懸移等特性，從而影響渠道含沙量的變化和渠道的沖淤狀況。本文通過分析泥沙沉速來研究懸移質(zhì)的沉降特性，通過分析水流流速、懸移流速和起動(dòng)流速三者的關(guān)系來研究床沙的懸移特性。

3.1 懸沙的沉降

由于泥沙密度大于水的密度，因此水中的泥沙顆粒將受重力作用下沉，在靜水中下沉的速度與顆粒粒徑成正比，下沉速度的快慢直接影響渠道的淤積情況[1-2]。本文采用斯托克斯[3]公式計(jì)算泥沙沉速：式中：γs和γ分別為干沙和水的容重kN/m3；g為重力加速度，m/s2；d為懸移質(zhì)中值粒徑，m；v為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s。

由式（1）計(jì)算得到總干渠泥沙的沉速為0.13～5.70mm/s，變化范圍較大。2012年懸移質(zhì)粒徑較小且較為均勻，計(jì)算得到的泥沙平均沉速較??；2013年懸移質(zhì)粒徑較大且不均勻，計(jì)算得到的泥沙平均沉速較大。各次采樣各斷面泥沙沉速見圖1（圖中部分懸移流速過大而無法表示，以6m/s代替，實(shí)際值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于6m/s）。

3.2 床沙的起動(dòng)

沉降的泥沙形成床沙后，在一定的水流條件下會(huì)再次起動(dòng)。根據(jù)泥沙動(dòng)力學(xué)理論，泥沙的起動(dòng)流速主要受重力和黏結(jié)力的影響，泥沙之間的黏結(jié)力隨著粒徑的減小而增大，粒徑越小起動(dòng)流速越大。對(duì)于有黏性的引黃泥沙，使用比較普遍的起動(dòng)流速公式主要有竇國仁、張瑞瑾和沙玉清公式[4-5]。本文研究對(duì)象為引黃灌區(qū)泥沙，顆粒較細(xì)，泥沙粒徑范圍為0.021～0.163mm，黏結(jié)力起主導(dǎo)作用，故采用張瑞瑾公式[6]計(jì)算泥沙起動(dòng)流速：式中：Uc為床沙起動(dòng)流速，m/s； h為水深，m；d'為床沙中值粒徑，m；ρs、ρ分別為泥沙和水的密度，kg/m3。

由式（2）可知，相同水深下，起動(dòng)流速與床沙粒徑成反比；相同粒徑下，起動(dòng)流速與水深成正比。將起動(dòng)流速Uc與水流速度U進(jìn)行對(duì)比可知，總干渠內(nèi)大部分情況下U>Uc，即大部分情況下床沙均可起動(dòng)，但起動(dòng)后能否形成懸移質(zhì)還要看其能否滿足懸移條件。各次采樣各斷面床沙起動(dòng)流速見圖1。

3.3 床沙的懸移

天然河渠中，含沙量不很高的挾沙水流一般屬于非均質(zhì)兩相流，對(duì)于床面上的泥沙顆粒，當(dāng)水流對(duì)顆粒的上舉力或者水流的時(shí)均上舉力和脈動(dòng)上舉力共同作用克服了沙粒的水下重力時(shí)，沙粒就會(huì)從床面揚(yáng)起呈懸浮狀態(tài)[7]，泥沙顆粒依靠水流紊動(dòng)支持其懸移輸送[8]。水流流速反映了水流的紊動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到一定的水流流速能使泥沙上揚(yáng)懸移，床沙能否保持懸移取決于水流流速U和懸移流速Us之間的相對(duì)關(guān)系。床沙的懸移流速計(jì)算公式[9]為式中：Us為床沙的懸移流速，m/s；ω為泥沙沉速，m/s。

當(dāng)U>Us時(shí)，床沙起動(dòng)形成懸移質(zhì)而被水流輸移。計(jì)算得到的總干渠各斷面懸移流速見圖1。

3.4 U、Us和Uc的關(guān)系變化

水流流速U、懸移流速Us和起動(dòng)流速Uc三者關(guān)系的變化將引起渠道的沖淤變化。由圖1可知U、Us和Uc成如下關(guān)系：

（1）U>Uc>Us或U>Us>Uc時(shí)。兩種情況下，由于水流速度均大于懸移流速和起動(dòng)流速，因此床面泥沙將起動(dòng)且形成懸移質(zhì)，易造成渠道的沖刷。不過，前者形成的懸移質(zhì)不易沉積落淤，后者則易落回到床面。

（2）Us>U>Uc或Us>Uc>U時(shí)。前者床面泥沙會(huì)起動(dòng)，但不會(huì)形成懸移質(zhì)而被水流輸移，后者床面泥沙既不會(huì)起動(dòng)也不會(huì)懸移。此種情況可能導(dǎo)致渠道淤積。

（3）U=Us=Uc時(shí)。此時(shí)為床面泥沙起動(dòng)的臨界狀態(tài)，渠道處于不沖不淤狀態(tài)，此種狀況出現(xiàn)較少。

由于渠道各斷面水流條件不同，水流流速和水深沿程發(fā)生變化，因此水流流速、懸移流速和起動(dòng)流速也將沿程改變，三種流速的關(guān)系將隨之發(fā)生轉(zhuǎn)換，使渠道沖淤狀態(tài)發(fā)生變化。

4 含沙量變化規(guī)律及其相關(guān)性

4.1 含沙量變化規(guī)律

含沙量的變化是渠道泥沙輸移、沉降和懸移特性發(fā)生變化的結(jié)果?？偢汕鞔尾蓸雍沉垦爻套兓€見圖1。將各次采樣的平均流量、平均來沙量、平均懸沙中值粒徑D50懸、平均懸沙沉速、平均挾沙力以及水流流速U、懸移流速Us和起動(dòng)流速Uc三者間的關(guān)系列于表1。

根據(jù)表1和圖1，總干渠含沙量呈現(xiàn)以下4種變化規(guī)律[10]：

（1）當(dāng)引水流量較小、來沙量和懸移質(zhì)粒徑居中時(shí)，水流挾沙力居中，泥沙沉降速度相對(duì)較小。又因U≈Uc≈Us，故接近于床面的泥沙處于變成懸移質(zhì)的臨界狀態(tài)。此種情況下，沒有大量懸移質(zhì)沉降，也沒有大量床沙懸移，含沙量沿程變化平緩，見圖1（a）。

（2）當(dāng)引水流量較大、懸移質(zhì)平均粒徑較小時(shí)，水流挾沙力較大，泥沙沉速很小，不易沉降。同時(shí)因U>Uc>Us，故床沙能夠起動(dòng)并形成懸移質(zhì)且不容易沉積落淤，含沙量沿程增大，見圖1（b）。

（3）當(dāng)引水流量較小、來沙量居中且懸移質(zhì)平均粒徑較大時(shí)，水流挾沙力小，泥沙沉速較大，易發(fā)生沉降。同時(shí)因Us>U>Uc，床沙形不成懸移質(zhì)，故含沙量沿程減小，見圖1（d）。

（4）當(dāng)引水流量和來沙量均較大、懸移質(zhì)粒徑較大時(shí)，渠道含沙量沿程呈起伏變化，推移質(zhì)和懸移質(zhì)交替變化，同時(shí)U與Us的關(guān)系也發(fā)生交替變化，使渠道發(fā)生沿程沖淤變化，見圖1（c）、圖1（e）。出現(xiàn)此種情況的原因：雖然引水流量較大，但是來沙量也較大，懸移質(zhì)沉速較大，導(dǎo)致渠首挾沙力不足，懸移質(zhì)落淤，同時(shí)在渠首段均出現(xiàn)Us>U>U的情況，床沙也形不成懸移質(zhì)，故渠首含沙量下降；在渠道后段，由于斷面發(fā)生變化，因此U、Us和Uc三者的關(guān)系發(fā)生交替變化，U>Us>Uc時(shí)床沙起動(dòng)形成懸移質(zhì)，Us>U>Uc時(shí)懸移質(zhì)落淤形成推移質(zhì)，在推移質(zhì)和懸移質(zhì)交替變化下，含沙量變化較大。

4.2 含沙量影響因素的相關(guān)性分析

渠道含沙量的變化主要受水流條件、水的物理性質(zhì)、泥沙的物理性質(zhì)和水流邊界條件[11]的影響，因此本文綜合選擇水流流速U、水深h、床沙中值粒徑D50床、懸移質(zhì)中值粒徑D50懸和泥沙沉速ω作為含沙量的影響因素，采用SPSS19.0軟件分析含沙量與各影響因素間的相關(guān)性，進(jìn)而確定與含沙量顯著相關(guān)的影響因素。分析采用2012年和2013年的采樣數(shù)據(jù)共142組，以含沙量S為因變量，其余各因素為自變量，繪制各變量的散點(diǎn)圖，確定因變量S與各自變量的相關(guān)關(guān)系。表2為各因子與含沙量之間的函數(shù)關(guān)系和確定性系數(shù)。

根據(jù)表2，流速U、水深h、中值粒徑D50、沉速ω與含沙量S的相關(guān)性分析如下：

（1）流速U與含沙量S的相關(guān)性。U與S的相關(guān)性較為明顯，S隨著U的增大而增大，成顯著正相關(guān)關(guān)系。U與S成冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.412，相關(guān)性較好，可見流速是影響含沙量的主要因素。

（2）水深h與含沙量S的相關(guān)性。h與S的點(diǎn)據(jù)較為散亂，成微弱正相關(guān)，兩者成線性函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.085。理論分析也表明，水深h與含沙量S的關(guān)系不穩(wěn)定，但存在一定的正相關(guān)性。

（3）床沙中值粒徑D50床與含沙量S的相關(guān)性。D50床與S的關(guān)系點(diǎn)據(jù)較為散亂，兩者成冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)為0.117。

（4）懸移質(zhì)中值粒徑D50懸、泥沙沉速ω與含沙量S的相關(guān)性。D50懸、ω與S的點(diǎn)據(jù)均較為散亂，關(guān)系比較紊亂。D50懸、ω與S均為冪函數(shù)關(guān)系，確定性系數(shù)分別為0.070、0.128，均為微弱負(fù)相關(guān)。分析表明，在靜水狀態(tài)下，懸移質(zhì)粒徑增大時(shí)，懸移質(zhì)沉速增大，含沙量相應(yīng)減小。而相關(guān)性分析的結(jié)果顯示ω和D50懸與S的相關(guān)性較小，可能原因是實(shí)際水流多處于動(dòng)態(tài)，泥沙實(shí)際沉速小于靜水沉速，故泥沙沉速與含沙量的相關(guān)系數(shù)變小。同時(shí)，由于D50懸與ω的相關(guān)性顯著（確定性系數(shù)高達(dá)0.405），因此其與含沙量的相關(guān)系數(shù)也偏小。

5 結(jié)語

（1）總干渠水流速度U、泥沙懸移流速Us和起動(dòng)流速Uc之間存在3種關(guān)系，即U>Uc> Us或U>Us>Uc、Us>U>Uc、U=Us=Uc。對(duì)應(yīng)上述3種關(guān)系，渠道分別處于沖刷、淤積和不沖不淤狀態(tài)。

（2）干渠含沙量變化呈現(xiàn)4種狀態(tài)：含沙量沿程減?。║s>U>Uc）、含沙量沿程增大（U>Uc>Us）、含沙量變化平緩（U≈Uc≈Us）和含沙量起伏較大（U與Us、Uc的大小發(fā)生交替變化）。

（3）含沙量S與各因子相關(guān)性由強(qiáng)到弱的排序依次為流速U、沉速ω、床沙中值粒徑D50床、水深h和懸移質(zhì)中值粒徑D50懸，S與U、ω、D50懸均成冪函數(shù)關(guān)系，與h成線性函數(shù)關(guān)系，與D50床成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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