黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理

1黄 河 下 游 河 道 巨 大 输 沙 潜 力黄 河 洪 水 含 沙 量 200kg/m3 左 右 输 送 最 困 难(兼 论 黄 河 高 含 沙 水 流 的 高 效 的 输 沙 移 特 性 形成 机 理 性 )(黄河下游河道存在巨大的 输沙潜力)齐 璞 孙赞盈（黄河水利科学研究院、 河南 郑州 450003)提要：本文从黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量宾实测资料，并结合高含沙水流流变特性分析，得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同，均可用曼曼宁公式进行阻力计算；由于黄河泥沙组成较细，d 50=0.03-0.10mm，,在河道中随隋着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低，泥沙在垂线上分布变得更加均匀，当含沙量大于 200 多 kg/m3 以后发生突改变；从泥沙存在对水流结构，流速在垂线上的分布特性上分析，含沙量 200kg/m3 左右时输送最困难，并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大，粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送，洪水期实测含沙量可达800900 kg/m 3，表现出高含沙水流的高效输沙特性；黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为 200kg/m3，在流量 2000-3000m3/s 时，小于 800kg/m3 的高含沙洪水均可吸顺利输送。利用河道输送高含沙水流沙入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。引 言从 水 流 挟 沙 能 力 的 概 念 看 ， 水 流 条 件 是 主 导 ， 挟 沙 能 力 的 大 小 由 水 流 条 件 的 强 弱决 定 。 然 而 在 黄 河 洪 水 实 测 含 沙 量 范 围 内 ， 由 于 流 体 中 细 颗 含 量 的 增 大 ， 使 得 流 体 性质 发 生 了 变 化 ， 引 起 水 流 挟 沙 能 力 发 生 变 化 。 在 含 沙 浓 度 达 到 一 定 数 值 后 ， 形成 一 种 新 的 浆 体 重 介 质 ， 流 体 特 性 与 挟 沙 能 力 均 发 生 质 的 变 化 ， 泥 沙 的 输 移反 而 变 得 更 加 容 易 ， 只 要 克 服 阻 力 即 可 长 距 离 顺 利 输 送 。 黄 河 的 高 含 沙 水 流高 效 输 沙 特 性 就 属 于 這 种 情 况 。Comment 孙孙孙1: 璞、韩巧兰，黄河高含沙水流的阻力特性与计算，人民黄河，1991 年 321.高含沙水流的阻力特性在 充 分 紊 流 区 与 清 水 阻 力 规 律 相 同 ， 见 表 1 给 出 的 黄 河 小 浪 底水 文 站 高 含 沙 洪 水 与 低 含 沙 洪 水 阻 力 变 化 表 明 ， 在 含 沙 量 变 化 在 55至 843kg/m3的 范 围 内 ， 曼 宁 系 数 基 本 相 同 ， 其 平 均 值 高 含 沙 洪 水 为作者简介：齐璞（1942），男，北京人，高级工程师（教授级），主要从事河床演变与泥沙输移、高含沙水流输沙、河型转化、水库泥沙多年调节、河道整治等方面研究。0.041， 低 含 沙 洪 水 为 0.039， 高 含 沙 洪 水 阻 力 略 大 于 低 含 沙 洪 水 的 阻力 的 主 要 原 因 是 流 速 仪 本 身 性 能 造 成 的 。 其 阻 力 可 用 曼 宁 公 式 进 行 水 力 计算 ,减 阻 现 象 只 发 生 在 层 紊 流 过 渡 11， 主 要 是 阻 力 表 达 形 式 不 合 理 造成 的 。合 理 造 成 的 。表 1 小浪底站高、低含沙洪水曼宁系数 n值比较11977.8.7 5240 268 7.5 2.93 0.036 1982.8.1 7450 56.5 8.1 3.48 0.0387 5120 324 7.5 2.74 0.041 1 7220 56.5 7.4 3.66 0.0367 6910 592 8.6 3.1 0.043 1 6230 56.5 7.1 3.35 0.0387 9720 843 9.7 3.87 0.042 2 9400 55 8.6 4.05 0.0368 6550 356 8.9 2.91 0.049 2 9290 55 9.2 3.76 0.0418 4950 405 7.6 2.43 0.045 2 7710 55 8.6 3.4 0.0391973.8.28 3110 440 7.2 2.19 0.041 2 5150 69.1 7.9 3.03 0.03828 3520 508 7.8 2.39 0.037 3 5660 91.1 7.6 2.84 0.04128 2880 324 7.8 2.32 0.036 3 4790 99.6 7 2.72 0.0371973.9.2 4150 313 7.7 2.53 0.04 4 4150 82 7.1 2.37 0.0414 3550 82 6.6 2.29 0.045 2970 66.4 7.2 2.01 0.043平 均 0.041 0.039S(kg/m3) H(m) V(m/s) nV(m/s) n 年 月 日 Q(m3/s)年 月 日 Q(m3/s)S(kg/m3) H(m)注：表中的 Q、S、H 和 n分别为流量、含沙量、平均水深和曼宁糙率2. 含沙量变化对含沙浓度垂线上分布特性的影响水 流 中 含 沙 量 的 增 大 ， 细 颗 粒 含 量 的 增 加 ， 一 方 面 引 起 流 体 粘 性 增 加 ， 另 一 方 面使 流 体 容 重 增 大 2。 因 而 会 使 粗 颗 粒 的 沉 速 大 幅 度 降 低 ， 甚 至 形 成 不 分 选 泥 浆 。 从黄 河 主 要 干 支 流 ， 黄 河 下 游 花 园 口 、 夹 河 滩 、 高 村 、 孙 口 、 艾 山 、 泺 口 ， 渭河 下 游 华 县 、 华 阴 与 北 洛 河 下 游 朝 邑 9 个 水 文 站 ， 共 96 组 次 实 测 流 量 、 输 沙3率 原 始 记 录 资 料 可 知 ， 在 泥 沙 组 成 d50 0.03 0.10mm 时 ， 相 对 水 深 0.2 与0.8 的 测 点 含 沙 量 的 比 值 Ks=s0.2/s0.8 与 断 面 平 均 含 沙 量 间 的 变 化 情 况 表 明 ， 在含 沙 量 约 在 3200kg/m3 以 下 时 ， 尽 管 水 流 的 Fr 很 大 ， 达 0.2 以 上 ， 但 含 沙 量在 垂 线 上 分 布 仍 不 均 匀 ， Ks 值 只 0.4 至 0.8， 详 见 图 1。 绘 制 图 1 的 全 部 资 料列 入 附 表 1， 包 括 实 测 流 量 、 河 宽 、 断 面 平 均 水 深 ， 平 均 流 速 ， 平 均 含 沙 量 ， 相 对 水深 0.2 与 0.8 时 的 测 点 含 沙 量 与 相 应 的 测 点 流 速 ， 断 面 平 均 的 水 流 沸 劳 德 数 ， 悬沙 平 均 粒 径 ， 实 测 垂 线 数 ， 总 测 点 数 , 可 供 进 一 步 分 析 研 究 。由 图 1 可 知 ， 在 含 沙 量 小 于 200 多 kg/m3 在 时 ， Ks 值 在 0.4 0.9 之 间 ；在 含 沙 量 大 于 200 多 kg/m3 以 后 ， 含 沙 量 在 垂 线 上 分 布 变 得 很 均 匀 ， Ks 值 在0.9 1.0 之 间 。 在 含 沙 量 200kg/m3 时 ， Ks=0.5 0.9， 当 Ks 取 0.6 时 ， 底 部含 沙 量 约 333kg/m3； 而 在 含 沙 量 300kg/m3 时 ， Ks=0.9 0.98， 当 Ks 取0.9， 底 部 含 沙 量 333kg/m3， 由 此 可 见 垂 线 平 均 含 沙 量 虽 然 由 200kg/m3 增 加到 300kg/m3， 但 底 部 含 沙 量 并 不 增 加 ， 显 示 出 黄 河 高 含 沙 水 流 特 性 。 造 成 上 述 悬 沙分 布 特 性 的 主 要 原 因 ， 是 水 流 中 含 沙 量 的 增 加 ， 引 起 流 体 的 粘 性 大 幅 度 增 大 和 容 重 增加 及 水 流 紊 动 共 同 作 用 的 结 果 。 其 中 流 体 性 质 的 变 化 对 输 移 的 影 响 可 用 下 列 方 法 分 析 。400.10.20.30.40.50.60.70.80.911.10 200 400 600 800 1000含 沙 量 (kg/m3)垂线含沙量分布均匀系数K=S0.2/S0.8图 1 相 对 水 深 0.2 与 0.8 测 点 含 沙 量 比 值 ks 与 含 沙 量 关 系 分 布 变 得 很 均 匀 ， Ks 值 在 0.9 1.0 之 间 。 在 含 沙 量 200kg/m3 时 ，Ks=0.5 0.9， 当 Ks 取 0.6 时 ， 底 部 含 沙 量 约 333kg/m3； 而 在 含 沙 量300kg/m3 时 ， Ks=0.9 0.98， 当 Ks 取 0.9， 底 部 含 沙 量 333kg/m3， 由 此可 见 垂 线 平 均 含 沙 量 虽 然 由 200kg/m3 增 加 到 300kg/m3， 但 底 部 含 沙 量 并 不增 加 ， 显 示 出 黄 河 高 含 沙 水 流 特 性 。 造 成 上 述 悬 沙 分 布 特 性 的 主 要 原 因 ， 是5水 流 中 含 沙 量 的 增 加 ， 引 起 流 体 的 粘 性 大 幅 度 增 大 和 容 重 增 加 及 水 流 紊 动 共 同 作用 的 结 果 。 其 中 流 体 性 质 的 变 化 对 输 移 的 影 响 可 用 下 列 方 法 分 析 。当 沉 速 选 用 斯 托 克 斯 公 式 ， 则 清 、 浑 水 的 相 对 沉 速 可 写 成 ： rmsss /1/0式 中 0 和 s 分 别 为 泥 沙 颗 粒 在 清 水 和 浑 水 中 沉 速 ， rs 和 rm 分 别 为 泥 沙 颗粒 的 比 重 和 浑 水 的 容 重 。 r 为 浑 水 的 刚 度 系 数 和 清 水 的 粘 滞 系 数 的 比 值 。 随 着含 沙 量 的 增 加 ， r 值 增 大 ， 颗 粒 在 浑 水 中 的 沉 速 大 幅 度 降 低 。 当d50 0.036mm, d20图 4 渭 河 洪 水 排 沙 比 与 流 量 的 关 系图 5 是 万 兆 惠 收 集 的 黄 河 干 支 流 及 渠 道 挟 沙 水 流 资 料 66,考虑 水 流 中 含 沙 量 的 增 加 ， 引 起 流 体 的 粘 性 大 幅 度 增 大 和 容 重 增 加 对 输 沙hwV39移 的 影 响 ,研 究 结 果 也 说 明 含 沙 量 在 200kg/m3 左 右 时 输 送 最 困 难 。4. 图 5 水 流 挟 沙 能 力 随 含 沙 量 变 化 （ 万 兆 惠 ）4.黄 河 关 于 “粗 泥 沙 ”在 高 含 沙 洪 水 中 输 移 的 高 效 输 沙 特 性 问 题关 于 “粗 泥 沙 ”在 高 含 沙 洪 水 中 的 输 移 目 前 尚 存 在 着 不 同 的 认 识 。从 高 含 沙 洪 水 的 泥 沙 组 成 黄 土 高 原 的 泥 沙 组 成 与 黄 土 高 原 的 泥 沙 组成 高 含 沙 洪 水 的 泥 沙 组 成 比 较 可 知 ， 高 含 沙 洪 水 的 泥 沙 组 成 较 黄 土 高原 的 黄 土 组 成 粗 的 多 (前 者 的 泥 沙 组 成 主 要 为 0.040.10mm， 甚 至10有 0.10.3mm 粗 沙 ， 而 后 者 的 泥 沙 组 成 主 要 为 0.030.04mm)。 ，且 随 着 含 沙 量 的 增 大 泥 沙 组 成 变 粗 。 造 成 上 述 差 别 的 主 要 原 因 在 于 发 生高 含 沙 洪 水 期 间 ， 中 游 干 支 流 的 河 床 发 生 了 较 强 烈 的 冲 刷 ， 前 期 河 床 中的 粗 沙 淤 积 物 随 洪 水 挟 带 进 入 黄 河 下 游 ， 说 明 高 含 沙 洪 水 有 较 极强 的 输 沙 能 力 。表 3 给 出 渭 河 、 北 洛 河 下 游 河 道 与 黄 河 下 游 山 东 河 段 的 特 性 ，他 们 均 具 有 窄 深 型 河 槽 ， 随 着 流 量 的 增 加 宽 深 比 B/h 减 小 。 比 降0.57 4 ， 单 宽 流 量 2 6m3/m-s。 实 测 资 料 分 析 表 明 北 洛 河 、00渭 河 下 游 窄 深 河 槽 具 有 极 大 的 输 沙 能 力 。表 3 渭河、北洛河与黄河下游山东河道特性河 名 河 段 比 降( )0河槽宽度(m) h/平滩流量(m 3/s)渭 河 临潼潼关 (165km) 40.57 80300 36 10005000北洛河 洛 17#朝邑(87km) 51.62 60100 23 3001000黄 河 艾山利津 (282km) 1 400600 36 30006000对 渭 河 、 北 洛 河 下 游 洪 水 期 悬 沙 组 成 进 行 较 全 面 的 分 析 。 其 结 果 表 明是 一 般 情 况 下 ， 进 入 渭 河 、 北 洛 河 下 游 的 泥 沙 组 成 较 细 ， 但 主 要 高 含 沙洪 水 (如 1964、 1973、 1977 年 )泥 沙 组 成 都 较 粗 8， 有 些 情 况 下 悬 沙组 成 甚 至 比 黄 河 下 游 花 园 口 站 的 还 要 粗 (相 同 含 沙 量 )。 如 花 园 口 站1977 年 8 月 8 日 10 时 ， 实 测 含 沙 量 809kg/m3， d90 为 0.3mm。 渭河 临 潼 站 1973 年 8 月 18 日 20 时 ， 实 测 流 量 508m3/s， 含 沙 量823kg/m3, d90 高 达 0.606mm， d50 为 0.062mm， d0.1mm 的 粗 沙 所占 比 例 达 28.2%； 华 县 站 1977 年 8 月 7 日 , 实 测 流 量 为1200m3/s， 含 沙 量 820 905kg/m3, d90 达 到 0.359mm， d50 为0.05mm, d0.1mm 所 占 百 分 数 达 18.7 24.1%。 北 洛 河 状 头 站 1973年 8 月 10 日 14 日 含 沙 量 为 112 327kg/m3， d90 达0.208mm， d0.1mm 的 百 分 数 达 26.3 34.1%。 但 这 些 场 次 的 洪 水在 流 量 3004000m3/s, 最 大 含 沙 量 6001010 kg/m3， d50 为0.05mm0.06mm, 在 渭 河 、 北 洛 河 下 游 河 道 中 均 产 生 强 烈 的 冲 刷 ，。 说 明 了 洪 水 挟 带 粗 泥 沙 的 能 力 。 详 见 表 44 给 出 的 实 测 资 料 5、 8。由 于 河 槽 宽 度 不 同 ， 因 此 造 成 输 沙 的 不 淤 流 量 的 不 同 ， 北 洛 河 流 量300m3/s 高 含 沙 洪 水 则 可 不 淤 ， 渭 河 则 要 流 量 达 到 1000 多 m3/s。由 此 可 见 河 宽 的 大 小 是 控 制 不 淤 流 量 大 水 的 主 要 因 素 。11从 图 1 给 出 的 渭 河 华 县 、 华 阴 ， 北 洛 河 朝 邑 站 实 测 含 沙 量 在 垂 线 上分 布 资 料 可 知 ， 含 沙 量 在 329 894kg/m3 范 围 ， 在 流 量108 3530m3/s， 水 深 2 7m， 流 速 0.9 2.4m/s， 悬 沙dcp=0.040.106mm， d90=0.0840.36mm， d0.1mm 的粗沙所占比例达 28.2%；华县站 1977 年 8 月 7 日, 实测流量为 1200m3/s，含沙量 820905kg/m3, d90达到 0.359mm，d50 为 0.05mm, d0.1mm 所占百分数达 18.724.1%。北洛河状头站 1973 年 8月 10 日14 日含沙量为 112327kg/m3，d90 达 0.208mm，d0.1mm 的百分数达26.334.1%。但这些场次的洪水在渭河、北洛河下游河道中均产生强烈的冲刷。说明了洪水挟带粗泥沙的能力。详见表 4 给出的实测资料。表 4 渭河、北洛河高含沙量洪水的水沙条件与输沙特性河来水来沙情况河道冲淤与输沙比流名称时 段(年、月、日)最大流量最大日平均流 量最 大20含沙量含沙量大 400 历时(h)(mm)d0.01mm 的含沙量%主槽冲淤深度冲刷长度(km)输沙比(%)说 明1977.7.51355504120690430.040.061520-2.516597主槽冲淤渭1964.8.1217397019996701200.030.041422-0.4165108值取华县1964.7.16213120187021600300.050.061222-0.5165120500m3/s河1970.8.21029302250800240.030.041725-0.32165104流量时的1975.7.248.122901350645300.030.051040-0.25165100水位差1975.7.28312190112072532(53)0.040.051519-131879022北1971.8.1720110050488579(79)0.040.061020-1.138796主槽冲淤洛1977.7.683070108085060(72)0.040.061016-3.1687112值取朝邑河1969.7.308.2129050488081(89)0.04816-0.5187120站平均河1973.8.259.3765380860130(176)0.040.05231017-1.6387123底高程差1977.8.69800298101084(84).0.041016-0.64100注：表中流量单位：m3 /s，含沙量单位：kg/m3，主槽冲() 淤()深度为 m随着含沙量的增加， 流体的粘性增加，泥沙颗粒沉速降低， 输沙能力增强，对于渭河、北洛河这样的悬沙组成来说已无非议。由表 2 给出的r 值随含沙量变化可知，不管是黄河平均泥沙组成或是实测悬沙组成,均随着含沙量的增加而增加。 从图 1 给出的渭河华县、华阴，北洛河朝邑站实测含沙量在垂线上分布资料可知，在流量1083530m3/s ，水深 27m，流速 0.92.4m/s，含沙量在 329894kg/m3 ，悬沙dcp=0.040.106mm，d90=0.0840.36mm，d0.01mm 的含量在 8.7%22.9%范围内，看不出泥沙组成的粗细对垂线含沙量分布特性的影响，相对水深 0.2 与 0.8 处的测点含沙量比值 Ks 在0.870.99 间变化，其中包括 d90=0.36mm 这样粗沙洪水。其实在冲积河流中随着含沙量的增大，泥沙组成变粗本身就已说明高含沙洪水的挟沙能力，随含沙量变大而增大。三门峡水库在 1977 年 7、8 月的两场高含沙洪水，在库区水面宽 600800m，水库严重壅水的情况下，坝前 41.2km 比降 0.27 0.92 ，两场洪水的进出库的排沙比分别达到0097%99%，出库的最大含沙量分别达到 589911kg/m3，最粗的平均粒经达 0.105mm，d90 达到 o.35mm。详见表 5 给出的有关资料7。说明粗泥沙在高含沙水流的情况下也可顺利输送。表 5 三门峡水库在 1977 年 7、8 月的两场高含沙洪水排沙情况时段Qmaxm3/sQcpm3/sSmaxkg/m3Scpkg/m3d50(mm)库区坝前 41.2km 比降( )0水库排沙比(%)量(亿 t)247 月 6-9 日1360050696163910.04-0.050.27970.2008 月 3-9 日1540039089113690.06-0.100.92990.1045.黄河下游艾山以下河道输沙潜力从以上分拆可知，在表 6 给出北洛河、渭河下游、艾山以下河段特性,比降 0.57 2 ，00单宽流量 26m3/m-s，含沙量范围为 100800kg/m3，窄深河槽具有极大的输沙能力。尤其引人注目的是 1977 年 7、8 月在三门峡库区曾发生严重壅水的情况下，进出库的排沙比分别为97%和 99%。从以上分析可知，黄河高含沙水流在窄深河槽中，可以在较弱的水流条件下输送。表 6 黄河山东河道与渭河、北洛河特性河 名河 段比 降( )0Bh/平滩流量(m3/s)黄 河艾山利(282km 河临潼潼关(165km)40.573630005000北洛河洛 17#朝邑(87km)2551.62235001000黄河下游艾山以下河道比降 0.0001，表 7 给出的 1973、1977 年 3 场含沙量较高的洪水，艾山至利津河段的输沙情况表明，在流量 3000m3/s 时，最大含沙量 200kg/m3 的洪水，均可顺利输送。能否输送更高的含沙量，则需要从泥沙输移力学上进行充分论证。表 7 艾山至利津河段较高含沙洪水输沙情况与河床冲淤情况时 段站名Qmax(m3/s)Qcp(m3/s)Smax(kg/m3)Scp(kg/m3)河段含沙浓度比(S 下/S 上)河床冲淤面积(m2)Q=3000m3/s 水位差(m)73.8.309.8艾山388030102461451.04-54.1+0.469.110利津36802994222151-174-0.091977.7.98.5艾山554044902181211.02-292-0.02267.1016利津52804160196124-168+0.361977.8.81.4艾山460031002431470.97+20.8+0.158.915利津41002944188143+62.4-0.20含沙量的增加，虽有利于泥沙颗粒的悬浮，但为了保证高含沙水流的顺利输送，防止不稳定的阵流、间歇流的发生，必须控制高含沙水流在紊流状态输送。因此，在一定的河道条件下，存在着适宜输送的上限含沙量。由于高含沙水流在充分紊流区与清水的阻力规律相同，可用曼宁公式进行水力计算，因此可以用实测低含沙水流时的水深流速关系进行水力计算。山东河道不同流量时的水深流速见表 8。从表中给出的不同流量时的水深流速值可知，在流量相同时，利津站的水深最小，流速值最低。故采用利津站的水流条件作为输送高含沙水流的控制条件。表 8 各级流量时河床阻力变化规律流量(m3/s)5001000150020003000400050006000h(m)1.5271.82.02.53.24.04.55.0艾 山V(m/s)1.01.51.82.02.52.83.03.2h(m)2.52.52.63.44.66.07.08.0洛 口V(m/s)1.01.51.92.12.352.52.72.8h(m)1.51.82.02.32.83.43.84.2利 津28V(m/s)0.91.51.82.02.22.42.52.6n0.0140.010.0090.0090.0090.0090.0100.010设输沙最小流量为 2000m