黄河中游窟野河流域高含沙量模拟试验研究

黄河中游窟野河流域高含沙量模拟试验研究

1基本情况1.1窟野河流域地质概况洞野生河流发源于内蒙古伊金霍洛旗。流经陕西省神木县和河川市，全长8376公里。黄河上游的第二个河流带是无定河流域。窟野河流域地处黄土高原和毛乌素沙漠过渡地带的东段,地势西北高东南低,海拔在885m～1635m之间。上游属风沙草滩区,中下游属黄土丘陵沟壑区。窟野河流域是黄河中游主要产水产沙区。据流域出口控制站温家川水文站实测资料统计,多年平均年径流量6.351亿m3,多年平均年输沙量1.025亿t,多年平均年含沙量161kg/m3,多年平均年输沙模数1.186万t/km2·a,最大洪峰流量14000m3/s,实测最大含沙量1700kg/m3。1.2洪水与含沙量洪水据统计,窟野河流域发生含沙量大于1500kg/m3的洪水有10站次之多,其中含沙量大于1600kg/m3的洪水有5站次,详见表1。2砂悬浮固高含量分析2.1信息流域此次分析区域以窟野河流域为中心,包括皇甫川、孤山川和秃尾河等流域。分析资料包括区域内皇甫川皇甫站、孤山川河高石崖站、窟野河流域新庙站、王道恒塔站、温家川站、秃尾河高家川站和黄河干流吴堡站等7个站的实测水文泥沙资料。2.2悬移质泥沙中粗泥沙含量与含沙量相关关系选取粗泥沙界限为0.05mm,即粒径大于0.05mm的泥沙为粗泥沙。根据皇甫、高石崖、新庙、王道恒塔、温家川、高家川站等六站历史高含沙量洪水悬移质泥沙颗分资料及吴堡、温家川、皇甫站等三站大中洪水悬移质泥沙颗分资料,点绘悬移质泥沙中粗泥沙含量百分数与对应含沙量相关关系图,见图1。从图1可以看出,其相关关系点基本呈带状分布。经计算,相关系数为0.924,相关方程为:w=-2.28×10-5cs2+0.0863cs+11.026,式中:w为悬移质泥沙中粗泥沙含量百分数,%;cs为悬移质泥沙含沙量,kg/m3。由此可以说明:悬移质泥沙中粗沙含量百分数随悬移质含沙量的增大而增加,即悬移质含沙量越大,其组成越粗。2.3移动测流体高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线对比分别计算皇甫、高石崖、新庙、王道恒塔、温家川、高家川站等六站高含沙量悬移质泥沙颗粒级配和多年平均悬移质泥沙颗粒级配,并点绘各站颗粒级配曲线对比图。可以看出,各站高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线均位于多年平均悬移质泥沙颗粒级配曲线的右方,说明温家川等六站高含沙量悬移质泥沙组成较多年平均悬移质泥沙组成明显偏粗。温家川等六站多年平均悬移质中数粒径和平均粒径分别为0.040mm,0.105mm;六站高含沙量悬移质泥沙平均中数粒径和平均粒径分别为0.252mm,0.299mm,高含沙量悬移质泥沙明显偏粗,见图2。3风沙区沙样的种类本次泥沙样采集包括窟野河流域面泥沙样采集和温家川站基本断面河床泥沙样采集。共采集5个流域面泥沙样,其中:风沙区2个,砂岩区、砂页岩区、黄土区各1个,沙样编号分别为LY011,LY012,LY02,LY03,LY04。温家川站基本断面河床泥沙样共采集5个,采样位置起点距分别为60m,120m,180m,240m,300m,沙样编号分别为HC01,HC02,HC03,HC04,HC05。4沉淀泥沙面下体积及其至量杯500ml的测量本次试验包括原状沙样、混合沙样和配比沙样等3种不同组成泥沙样的高含沙量模拟试验。基本思路是:采用天平分别准确称取一组试验泥沙样:“700g,750g,800g,850g,900g”,在500mL的量杯内配制成一系列不同高含沙量的浑水样,拟分别模拟含沙量为1400kg/m3,1500kg/m3,1600kg/m3,1700kg/m3和1800kg/m3的浑水样。经充分搅拌均匀沉淀24h后,观测沉淀泥沙面以下体积及其至量杯500mL刻度线的距离。若沉淀泥沙面在量杯500mL刻度线以下,可认为其模拟含沙量可以实现。通过试验估算窟野河可能达到的极限含沙量(以下简称“最大可能含沙量”),来论证实测1700kg/m3含沙量极值的可靠性。4.1原沉积物试验4.1.1高含沙量悬移质泥沙组成从原状泥沙样颗分成果中可以看出:HC01,HC02,HC03,HC04,HC05五个河床沙样较窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙组成明显偏细。LY011,LY012,LY02,LY03,LY04等五个流域面沙样,除黄土区沙样LY04组成明显偏细外,其他四个沙样的中数粒径与窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙中数粒径基本接近,但其细沙部分明显偏粗。图3为部分原状泥沙样颗粒级配曲线图。4.1.2沙样组成特性的估计选取河床沙样HC01,HC03,HC05,分别采用边倒水边加沙、先倒沙后加水和先倒水后加沙三种方法,进行高含沙量模拟试验。试验结果表明:HC01,HC03,HC05等原状沙样模拟1700kg/m3含沙量的沉淀泥沙面以下体积分别为524mL,542mL和610mL。经插补计算,三个原状沙样估推最大可能含沙量分别为1650kg/m3,1550kg/m3,1360kg/m3,均小于实测含沙量1700kg/m3。由此说明,就试验原状沙样组成,形成1700kg/m3的含沙量是不可能的。结合沙样组成特性分析,可以看出:在三个原状试验沙样中,主河槽沙样(HC01)组成最粗,其颗粒级配曲线与窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线最接近,其估推最大可能含沙量最大。滩地沙样(HC05)组成最细,其颗粒级配曲线与窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线偏离最远,其估推最大可能含沙量最小。可见,其最大可能含沙量与泥沙组成有关,当泥沙组成相对较粗,泥沙颗粒级配曲线越接近于窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线时,其最大可能含沙量就越大。4.2混合沙样试验4.2.1试验沙样的选择以河床沙样HC01,HC03,HC05为基础沙样,采用等体积混合的方法,组成HC01+03,HC01+05,HC01+03+05三个混合沙样,作为试验沙样。从图4可以看出,3个混合沙样中数粒径分别为0.120mm,0.088mm,0.101mm,较窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙中数粒径0.270mm分别偏小55.6%,67.4%,62.6%。4.2.2种混合沙样估推最大可能含沙量的确定试验结果表明:HC01+03,HC01+05,HC01+03+05混合沙样模拟1700kg/m3含沙量的沉淀泥沙面以下体积分别为538mL,562mL,544mL,均大于500mL。经插补计算,三个混合沙样估推最大可能含沙量分别为1580kg/m3,1510kg/m3,1560kg/m3,均小于实测含沙量1700kg/m3。说明这种试验就混合沙样组成要达到1700kg/m3的含沙量是不可能的。结合沙样组成特性,初步分析认为,混合沙样含沙量达不到1700kg/m3的主要原因是:其混合沙样较窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙组成明显偏细,泥沙组成不符合窟野河流域平均高含沙量悬移质泥沙组成特点。4.3高含沙量泥沙模拟配比沙样试验是取各单个沙样,根据流域高含沙量悬移质泥沙组成,人工配制成符合区域高含沙量泥沙组成特性的配比沙样(PB),然后利用配比沙样进行模拟高含沙量试验。4.3.1充填沙样颗粒级配与组成配比泥沙样颗粒级配曲线见图5,由图可知,配比沙样颗粒级配曲线与区域高含沙量悬移质泥沙颗粒级配曲线基本一致,配比沙样组成基本符合区域高含沙量悬移质泥沙组成特性。4.3.2沉淀泥沙面下体积由表2可知,配比试验沙样模拟1400kg/m3,1500kg/m3,1600kg/m3,1700kg/m3含沙量的沉淀泥沙面以下体积分别为410mL,432mL,466mL,478ml,均小于500mL。经插补计算,其估推最大可能含沙量可达到1750kg/m3。由此说明:当泥沙组成基本符合区域高含沙量悬移质泥沙组成特性时,可能形成1700kg/m3的含沙量。5悬移质泥沙组成通过窟