整理黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理

1、精品文档黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理（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，均可用曼宁公式进行阻力计算；由于黄河泥沙组成较细，d5°=0.03-0.10mm,随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

2、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800900kg/m3,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2000-3000m/s时，高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流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精品文档精品文档生变化。在含沙浓度达到一定数值后，形成一种新的浆体，流体特性与挟沙能力均发生质的变化

3、，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。黄河高含沙水流高效输沙特性就属于适种情况。1.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，

4、减阻现象只发生在层紊流过渡1,主要是阻力表达形式不合理造成的。表1小浪底站高、低含沙洪水曼宁系数n值比较年月日Q（m/s）S(kg/m3)H(m)V(m/s)n年月日Q(rs)S(kg/m3)H(m)V(m/s)n1977.8.752402687.52.930.0361982.8.1745056.58.13.480.038751203247.52.740.0411722056.57.43.660.036769105928.63.10.0431623056.57.13.350.038797208439.73.870.04229400558.64.050.036865503568.92.910.0

5、4929290559.23.760.041849504057.62.430.04527710558.63.40.0391973.8.2831104407.22.190.0412515069.17.93.030.0382835205087.82.390.0373566091.17.62.840.0412828803247.82.320.0363479099.672.720.0371973.9.241503137.72.530.0444150827.12.370.04143550826.62.290.045297066.47.22.010.043平均0.0410.039注：表中的QS、H和n分别为

6、流量、含沙量、平均水深和曼宁糙率精品文档精品文档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、浮口，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、输沙率原始记录资料可知，在泥沙组成d50=0.030.10mm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200kg/m3以下时，尽管水流的Fr很大，达0.2以上，但

7、含沙量在垂线上分布仍不均匀，Ks值只0.4至0.8,详见图1o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时，Ks值在0.40.9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0.91.0之间。在含沙量200kg/m3时，Ks=0.50.9,当Ks取0.6时，底部含沙量约333kg/m3;而在含沙量300kg/m3时，Ks=0.90.98,当Ks

8、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力口，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。精品文档精品文档；oD.m：”当.一.宓00.Wik一钏蹴oi.m<,H1hITD.OSa,哈电0.DB3©Q.。IMl»4T*0.朔口碱船U耗0幌口Qg0D.M：。口睥夏匕a.03j射喇J1111,一点制卜收字为曷沙的4卜m均范径山的Q.晚小也。.晤2&

9、#187;*-»0Q0321i1111«11111!1iI1QQ2QQ3004中印0600TOO8W翼U1卯Q含也量（期/*）图1相对水深0.2与0.8测点含沙量比值ks与含沙量关系当沉速选用斯托克斯公式，则清、浑水的相对沉速可写成：0l-s=s-1/s-mJr式中o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,d<0.01mm的含沙量占20%时（相当于黄河平均泥沙组成），计算给出平均泥沙组成和实测悬沙组成r

10、值的变化，和平均泥沙组成的含沙量与0/s值间的关系见表2。表2含沙量对沉降特性的影响含沙量0100200300400500600700800备注精品文档精品文档(kg/m3)山1.01.492.082.74-.484.325406.939.33(平均泥沙组成)1.01.502.02.43.04.04.506.508.50(实测泥沙组成)8。/60s1.01.552.253.094.105.326.979.3813.4从表中给出的计算成果可知，随着含沙量的增加，0/s值增大，颗粒在浑水中的沉速大幅度降低，在含沙量300kg/m3时，浑水中沉速仅是清水中沉速的1/3,含沙量700kg/m3时，为1

11、/10。使得粗颗粒泥沙在高含沙水流中更容易悬移。以上计算分析结果与图1给出的实测垂线含沙量分布特性随含沙量的变化规律一致，均说明含沙量的增加会使泥沙颗粒沉速降低，含沙量在重线上分布更均匀，输沙更容易。3,含沙量200kg/m3左右输送最困难从表2给出的黄河下游艾山、海口水文站实测含沙量在断面上的分布可知，在平均含沙量为200kg/m3时，临近河床底部的最大含沙量可达300kg/m3以上，此区的泥沙组成也较粗，dcp达0.040.05mm,较断面平均粒径0.030.04mm粗。表2实测含沙量粒径在断面上分布情况站名年月日Q(m3/s)h(m)V(m/s)含沙量(kg/m3)粒径(mm)平均表层底

12、层平均表层底层艾山73.9.530003.132.42001403000.03877.8.1136703.892.321801303000.0360).020.)5源口73.9.729004.732.091491102500.0310).020.)577.7.1347006.402.392081603500.04177.8.1227804.242.171671302700.029从表2给出的山东河道平均含沙量200kg/m3时垂线分布特性可知，表层只有130140kg/m3,底层达300kg/m3,相差一倍。因止匕引起水流粘滞性在垂线上分布的不均匀性，用公式计算结果表明，表层与底层的刚度系数相

13、差近一倍，由此造成流速分布特性的变化。精品文档精品文档图2是根据上述黄河水文站96组实测资料（附表1）点绘的相对水深0.2与0.8的测点流速比值Kv=V0.2/V0.8与含沙量间的点群关系表明，在含沙量小于200kg/m3时，随着含沙量增加，Kv值增大。Kv值由清水时的1.4到含沙量200kg/m3时增长到1.8。含沙量大于200kg/m3时，随着含沙量增加，Kv减小，在含沙量300900kg/m3变幅内，平3均Kv值为1.4,与清水时Kv值相同。Kv值在含沙量200kg/m时最大，说明此时的流速在垂线上分布最不均匀，与钱宁3、张瑞瑾的研究成果4,在含沙量200kg/m3时，卡门常数K值最小一

14、致，若平均流速相同，作用在床面附近的流速值最小，而在含沙量大于300kg/m3以后，垂线含沙量均匀分布与流速均匀分布的一致性，说明造成Kv值变化主要是含沙量分布特性造成的。以上分析表明，若以作用在床面附近流速大小分析，含沙量200kg/m3时底部流速最小，作用在床面上功率小，输送的水流条件最为不利。8wv/2nv=VK数系匀均布分速流线垂*.%丁_rA42.221.81.61.41.2102004006008001000含沙量(kg/m3)图2相对水深0.2与0.8测点流速比值Kv与含沙量关系精品文档精品文档赵文林对渭河高含沙洪水的输沙特性研究表明5,平均含沙量100200kg/m3的洪水输沙

15、情况，较含沙量大于200kg/m3的高含沙洪水，与含沙量小于100kg/m3的低含沙洪水所需的不淤流量都大，前者的不淤流量为8001000m3/s,后者的不淤流量为大于500m3/s,也说明含沙量在200kg/m3左右，输送最困难。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6,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影响，研究结果也说明含沙量在200kg/m3左右时输送最困难。精品文档精品文档图5水流挟沙能力随含沙量变化（万兆惠）4 .黄河高含沙洪水的高效输沙特性从高含沙洪水的泥沙组成与黄土高原的泥沙组成比较可知，高含沙洪水的泥沙组成较

16、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，他们占小有型河槽，随着流量的增加宽深比B/h减小。比降0.57M4M,单宽流量26m3/m-s。实测资料分析表明北洛河、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

17、0001)河槽宽度（m）石/h平滩流量（m3/s）渭河临潼潼关（165km）40.578030036P10005000北洛河洛17#朝邑(87km)51.6260100233001000黄河艾山利津（282km）14006003630006000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，这些场次的洪水在流量3004000m3/s,最大含沙量6001010kg/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

18、能力。详见表4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/so由此可见河宽的大小是控制不淤流量大水的主要因素。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329894kg/m3范围，在流量108精品文档精品文档3530m3/s,水深27m,流速0.92.4m/s,悬沙dcp=0.040.106mm,d90=0.0840.36mm,d<0.01mm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

19、.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变化规律。表4渭河、北洛河高含沙量洪水的水沙条件与输沙特性河流名称时段(年、月、日)来水来沙情况河道冲淤与输沙比最大流量最大日平均流量最大含沙量含沙量大于400历时(h)d50(mm)d<0.01mm勺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1964.8.1217397019996701200.030.04142

20、2-0.4165108值取华县1964.7.162131201870600300.050.061222-0.5165120500n3/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)0.040.051519-1318790北1971.8.1720110050488579(79)0.040.061020-1.138796主槽冲淤洛1977.7.683070108085060(72)0.

21、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)0.040.051017-1.6387123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.括号中的数字为大于300kg/m3历时黄河高含沙洪水输移的高效输沙特性在水库中也表现的很明显。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

22、的情况下，坝前41.2km比降0.27区百0.92区0,两场洪水的进出库的排沙比分别达到97%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可以顺利输送。精品文档精品文档表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洪峰流量（m3/s）平均流量（m3/s）最大含沙量3（kg/m）平均含沙量（kg/m3）d50(mm)库区比降回）水库排沙比（）库区冲淤量（亿t）7月6-9日1360050696163910.04-0.050.27970.2008月3-9日154

23、0039089113690.06-0.100.9299P0.1045 .黄河下游河道存在巨大的输沙潜力黄河下游河道从铁谢至河口长800多公里,在其形成的漫长历史时期，流域的来水来沙及人类与黄河奋斗历史塑造了目前的河道形态，从而形成不同的河槽形态（河型），也形成不河耳当演变特性与输沙特性，铁谢至高村长300km,比降2.7区可1.7怪工为典叫游荡1n斗流，也称宽浅型；高村至陶城埠长165km,比降11g可i.i国，是过渡段；陶城埠以下至河口长约460km,比降1怪为弯曲性河流，也称窄深型。图6给出的历年高含沙洪水平均含沙量沿程变化情况表明，在高村以上宽浅河段含沙量急骤降低，平均含沙量由220kg

24、/m3至320kg/m3迅速降至80150kg/m3,艾山以下比降平缓的窄深河段经过300公里长的河道，含沙量不仅没有降低，反而略有增加，表现出多来多排”的输沙特性。O30t7085-181971726-31a-73.8.28-9.777.7.7-14T-77.8.4-11ooO505221g3ml量沙含50浪底花园口高村艾山不茸7008000100200300400500600距小浪底里程（km）图6万年高含沙洪水实测平均含沙量沿程变化精品文档精品文档黄河下游艾山以下河道比降0.0001,表6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，以水流中含沙浓度变化表

25、示的河段的排沙比在0.971.04,在流量3000m3/s时，最大含沙量200kg/m3的洪水，均可顺利输送。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。表6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(m%)Smax(kg/m3)Scp(kg/m3)河段含沙浓堡比(S下/S上)河床冲淤面积(m2)Q=3000m3/s水位差(m)73.8.309.89.110艾山388030102461451.04-54.1+0

26、.46利津36802994222151-174-0.091977.7.98.57.1016艾山554044902181211.02-292-0.02利津52804160196124-168+0.361977.8.81.48.9-15艾山460031002431470.97+20.8+0.15利津41002944188143+62.4-0.20由于高含沙水流在在天然河道中均在充分紊流区与清水的阻力规律相同1,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7。精品文档精品文档表7各级流量时河床阻力变化规律流里(m/s)5001000

27、150020003000400050006000艾山h(m)1.51.82.02.53.24.04.55.01V(m/s)1.01.51.82.02.52.83.03.2；源口h(m)2.52.52.63.44.66.07.08.0V(m/s)1.01.51.92.12.352.52.72.81利津h(m)1.51.82.02.32.83.43.84.2V(m/s)0.91.51.82.02.22.42.52.6曼宁（n）0.0140.010.0090.0090.0090.0090.0100.010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

28、的水流条件作为输送高含沙水流的控制条件设输沙最小流量为2000m3/s,最大含沙量为800kg/m3,取黄河悬沙的平均组成d50=0.036mm,d<0.01mm占20%,用费祥俊公式9计算给出的流变参数计算公式，求得屈服应力pb=0.33kg/m2,刚度系数”为0.00093kgs/m2,浑水的密度p=i53g3s,求出雷诺数m3RePV4R1532.42.30.00093-3.03106远大于控制在充分紊流区的所需的临界雷诺数（1*104）1,由此可以肯定，在输沙流量2000m3/s时，可以输送含沙量800kg/m3而不会进入层流，可保持在充分紊流区。综上所述，目前的山东河道在流量2

29、0003000m3/s,不仅可以输送实测含沙量小于200kg/m3的洪水，待含沙量增加到400500kg/m3时，会更有利于输送，最大输送含沙量可控制在800kg/m3精品文档精品文档由于黄河下游河道上段宽浅（详见图7）,在洪水含沙量大时，河道输沙呈现多来多排多淤”，主槽多来多排，边滩多来多淤。因止匕利用河道输送高含沙洪水入海的主要障碍是宽浅游荡河段，改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽是问题的关键。150。O10。31975高4698高96程94花园口断面20004000恚河滩高村0园口6000起点距(m)77夹河滩断面717573高程(m)高程(m)10002000300040005000600070006765.63.61593010-10艾山42383401000(m)9290881000000.00034.0.000180.000150.00012眇口高村断面20004000起点距(m)0