引黃工程沉沙調(diào)控方案阻沙效果研究

趙然杭，華麗麗，王興菊，劉恒洋，于 毅，侯 奔，鮑 芳，宋慶榮，趙 瑩

（1.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心濱州分中心，山東 濱州 256600； 3.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

1 引 言

我國引黃工程從19 世紀(jì)70 年代開始興建，引黃工程包括調(diào)引黃河水工程與引黃灌溉工程。 由于黃河來水的高含沙性，因此引黃工程引水必引沙，引入的大量泥沙會在渠道或分水口發(fā)生淤積，嚴(yán)重影響了工程的輸水效率。 為了防止水中過多的泥沙進(jìn)入渠道，沉沙池在引黃工程中起到重要作用，通過降低含沙水流的流速而降低水流的挾沙能力，改變原有泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將泥沙沉積到沉沙池中［1］，使含沙量符合水質(zhì)要求的水輸送到下游渠道。 引黃工程對泥沙的調(diào)控方式主要為渠首沉沙、集中處理，沉沙池主要采用“以挖待沉”的運(yùn)作形式。 但在沉沙池的逐年運(yùn)行中，由于不科學(xué)的清淤方式造成了泥沙在沉沙池中不合理的淤積，淤積范圍擴(kuò)大，嚴(yán)重影響沉沙池的沉沙效果，增加了運(yùn)行成本，因此為提高工程輸水效率，降低泥沙清淤的難度與成本，亟須開展沉沙調(diào)控方案研究。

沉沙調(diào)控方案是在分析沉沙池泥沙運(yùn)動(dòng)狀況的基礎(chǔ)上研究提出的，泥沙運(yùn)動(dòng)過程的研究可以利用數(shù)值模擬與物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢煞N方法。 利用數(shù)值模擬技術(shù)定量分析沉沙池中的水沙運(yùn)動(dòng)狀況，相對于物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ投砸云溆行?、靈活性和相對廉價(jià)性，受到很多專家學(xué)者的重視和廣泛應(yīng)用。 數(shù)值模擬可以修改初始條件和邊界條件等，能夠快速地模擬泥沙運(yùn)動(dòng)、淤積的演變過程，揭示泥沙淤積的規(guī)律。

從20 世紀(jì)60 年代開始，河流數(shù)學(xué)模型逐步發(fā)展起來。 中國水利水電科學(xué)研究院韓其為［2］于1973 年開發(fā)了一維非均勻沙不平衡輸沙模型，通過大量河床演變過程和水庫淤積資料進(jìn)行了驗(yàn)證，在預(yù)報(bào)三峽水庫淤積計(jì)算中得到了應(yīng)用。 余明輝等［3］、魏炳乾等［4］、徐國賓等［5］通過平面二維非均勻沙數(shù)值模擬方法分別對概化的矩形斷面河道、浐河下游沉沙池與黃河青銅峽水庫中懸移質(zhì)含沙量、河床變形規(guī)律進(jìn)行分析。 洪振國［6］、王仁龍［7］探討了沉沙池沉降率計(jì)算的幾種方法，對沉沙池沉降率設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的參考性。 李園園等［8］對大西溝石門子渠首人工彎道段建立CCHE2D 水沙兩相流數(shù)學(xué)模型，并建立實(shí)體物理模型，同時(shí)分析泥沙的橫向輸移現(xiàn)象以及泥沙沖淤后的河床變形，二者均符合彎道沖淤機(jī)理。 王永桂等［9］通過對擬修建的錢塘江沉沙池建立一維、二維耦合的水沙模型，模擬分析了沉沙池的沉積效果，并對不同尺寸方案下沉沙池的沉沙效率進(jìn)行了探討。 趙永安等［10］以尊村灌區(qū)為例，在理論上分析并提出了“避攔結(jié)合、防治結(jié)合和沉用結(jié)合”的引黃灌區(qū)控沙思路。

以上主要針對沉沙池的泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行大量模擬研究，分析了泥沙、河床的演變規(guī)律。 在沉沙控沙方面雖有相關(guān)研究，但主要是為優(yōu)化沉沙池的設(shè)計(jì)提高沉沙效果，并未對運(yùn)行狀態(tài)中沉沙池的沉沙效果調(diào)控作出分析。 本研究以引黃濟(jì)青工程沉沙池為例，基于MIKE21 建立水沙數(shù)值模型，進(jìn)行沉沙調(diào)控方案研究并分析其阻沙效果，為實(shí)際工程的運(yùn)行管理提供參考。

2 水沙模型的建立

2.1 研究區(qū)概況

引黃濟(jì)青工程是山東省“七五”期間重點(diǎn)工程之一，是為從根本上解決青島水資源短缺而投巨資興建的大型跨流域、遠(yuǎn)距離調(diào)水工程。 引黃濟(jì)青渠首沉沙池位于濱州市博興縣，是引黃濟(jì)青工程的源頭，長6.65 km、平均寬度0.55 km，占地3.66 km2，上游連接6 km 長的輸水渠道，承擔(dān)著從黃河引水和蓄水、沉沙等重要功能。截至2017 年年底，已累計(jì)清淤泥沙1 191 萬m3。

沉沙池中建有張寨橋與劉王橋，兩座生產(chǎn)橋的工程情況見圖1。 沉沙池入口樁號設(shè)為0，張寨橋、劉王橋的樁號分別為1＋000、3＋600。 隨著沉沙池的多年運(yùn)行，泥沙在沉沙池中淤積嚴(yán)重，池中一些部位已經(jīng)形成了沉沙高地，減小了沉沙池有效寬度。 沉沙池內(nèi)泥沙淤積主要分布在中上游，左右兩側(cè)形成面積為98.59萬m2的棄淤場，甚至在沉沙池中后段也有泥沙淤積，清淤距離較長，范圍較大，給清淤工作造成極大不便，增加清淤成本，嚴(yán)重影響了沉沙池的正常運(yùn)行。

為清晰地描述泥沙在沉沙池中的變化過程，從沉沙池入口向下游依次選取4 個(gè)控制斷面（樁號分別為0＋200、0＋950、1＋600、2＋050），用來分析泥沙含量的變化規(guī)律。 沉沙池平面圖見圖1。

圖1 引黃濟(jì)青工程沉沙池平面示意

2.2 模型基本方程

描述水流運(yùn)動(dòng)的基本方程包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量方程。

質(zhì)量守恒方程：

式中：h為靜水深，m；d為水位隨時(shí)間的變化量，m；ζ為水位，m；p、q分別為x方向與y方向的流量，m3／s；C為謝才系數(shù)，m1／2／s；f為風(fēng)摩阻系數(shù)；V、Vx和Vy為風(fēng)速及其在x方向、y方向的分量，m／s；Ω為科氏力系數(shù)，s-1；P為大氣壓，Pa；ρw為水的密度，kg／m3；t為時(shí)間，s；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量，N／m2；g為重力加速度，m／s2。

泥沙控制方程：

式中：c-為水深平均含沙量，kg／m3；m；S為沉積（侵蝕源匯項(xiàng)），kg／（m3·s）；QL為單位水平區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源排放量，m3／（s·m2）；CL為原含沙量，kg／m3；u和v分別為x與y方向的流速，m／s；Dx和Dy分別為x與y方向的擴(kuò)散系數(shù)，m2／s。

模型以QUICKEST 格式為基礎(chǔ)的三階有限差分顯示格式對該對流擴(kuò)散方程進(jìn)行求解，即采用ULTIMATE格式求解。

2.3 引黃濟(jì)青工程水沙模型建立

2.3.1 計(jì)算范圍與網(wǎng)格劃分

建立從引黃濟(jì)青進(jìn)水閘到沉沙池出口閘的平面二維水沙模型，計(jì)算范圍包括6 km 輸水渠道與6.65 km 長的沉沙池，引黃濟(jì)青進(jìn)水閘與沉沙池出口閘作為模型的上、下游邊界。 地形的單元網(wǎng)格劃分方式為三角形網(wǎng)格，由軟件中的網(wǎng)格生成器生成，相較于四邊形網(wǎng)格劃分方式，劃分區(qū)域更細(xì)致穩(wěn)定。 為了準(zhǔn)確地模擬泥沙的運(yùn)動(dòng)過程，在沉沙池寬度變化處與研究范圍的邊界處進(jìn)行局部加密，最終生成網(wǎng)格10 501 個(gè)、節(jié)點(diǎn)6 408 個(gè)，其中池中島高出水面不進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 引黃濟(jì)青工程水沙模型計(jì)算區(qū)域水深以及局部網(wǎng)格詳細(xì)劃分見圖2、圖3。

圖2 引黃濟(jì)青工程水沙模型計(jì)算區(qū)域水深

圖3 引黃濟(jì)青工程水沙模型計(jì)算區(qū)域局部網(wǎng)格詳細(xì)劃分

2.3.2 模型參數(shù)的確定

引黃濟(jì)青工程在進(jìn)水閘處有2011—2018 年的流量與水位資料，沉沙池出口閘處有2011—2018 年的閘前水位資料。 選取2018 年1 月進(jìn)水閘流量作為模擬計(jì)算的入口端邊界條件，下游出口端水位邊界條件按照對應(yīng)流量的閘前水位來設(shè)定，率定并驗(yàn)證參數(shù)，得謝才系數(shù)為31 m0.5／s。 考慮到黃河下游泥沙在級配上有一定的相似性，濟(jì)南市田山灌區(qū)引黃口位置與引黃濟(jì)青工程引黃口位置比較接近，故采用田山灌區(qū)引黃工程的入口懸移質(zhì)泥沙級配資料［12］來近似代替引黃濟(jì)青工程入口懸移質(zhì)泥沙級配。 引黃濟(jì)青工程水沙模型具體參數(shù)值見表1。

表1 引黃濟(jì)青工程水沙模型具體參數(shù)值

3 引黃濟(jì)青工程水沙模擬

3.1 水沙模擬工況設(shè)定

根據(jù)多年的進(jìn)水閘調(diào)水?dāng)?shù)據(jù)，2011—2018 年引黃流量為7～26 m3／s。 為全面分析泥沙在沉沙池中的運(yùn)動(dòng)過程，模擬多種典型流量下的泥沙輸移，模擬流量值為典型流量7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s。 渠首引水口打漁張引黃閘位于黃河利津站上游24.4 km 處，因此采用黃河利津站作為本工程進(jìn)水閘來沙的代表站（上邊界輸入水流的含沙量為2018 年利津站的年平均含沙量即0.36 kg／m3）。

3.2 模擬結(jié)果與分析

不同典型流量下沉沙池控制斷面處水流含沙量變化情況見圖4。

圖4 不同典型流量下沉沙池控制斷面處水流含沙量變化情況

由圖4 看出，不同流量下泥沙的運(yùn)動(dòng)趨勢大致相同。 從引黃濟(jì)青工程沉沙池入口沿著沉沙池往下游，沉沙池中水流流速逐漸降低，水流挾沙量逐漸降低，泥沙隨著水流的運(yùn)動(dòng)沿沉沙池逐漸沉積。

模擬結(jié)果表明在控制斷面0＋950 處泥沙含量為0.209～0.303 kg／m3，在控制斷面2＋050 處泥沙含量為0.031～0.068 kg／m3；根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行中含沙量的實(shí)測資料，正常工況下張寨橋附近含沙量為0.200～0.300 kg／m3、劉王橋處含沙量為0.030～0.100 kg／m3。 模擬結(jié)果與沉沙池的實(shí)際運(yùn)行狀況較吻合。

在圖4 中控制斷面0＋950—1＋600 含沙量下降速度比較快，表明泥沙在控制斷面0＋950 到1＋600 的淤積量較大。 在不同流量下，沉沙池水流的含沙量在控制斷面2＋050 處基本小于0.08 kg／m3，將引黃河水來沙量的80%淤積在控制斷面2＋050 上游。 隨著進(jìn)水閘流量的增大，沉沙池中水流的挾沙能力增強(qiáng)，含沙量也增大，在控制斷面2＋050 處25.09 m3／s 流量下水流的含沙量明顯高出7.88 m3／s 流量下水流的含沙量約0.03 kg／m3，沉沙池沉積范圍增大，清淤長度增加，為清淤工作帶來了極大的不便。

3.3 沉沙調(diào)控方案及水沙模擬

3.3.1 沉沙調(diào)控方案

引黃濟(jì)青工程沉沙池水沙模擬結(jié)果表明引黃來沙量的80%淤積在控制斷面2＋050 上游，即沉沙范圍主要分布在沉沙池中上游，但沉沙池下游也存在一定的沉沙，沉沙范圍大，造成清淤難度大、成本高，并且黃河水沉沙后直接進(jìn)入渠道，沉沙池調(diào)蓄能力較差。

為進(jìn)一步提升引水水質(zhì)，提高沉沙池的調(diào)蓄能力，將沉沙池進(jìn)行功能分區(qū)，即泥沙沉積區(qū)、水質(zhì)提升區(qū)與水量調(diào)蓄區(qū)。 泥沙沉積區(qū)主要在距離沉沙池入口2 km范圍內(nèi)，為下游留出充足的空間，凈化水質(zhì)、調(diào)蓄水量。 水質(zhì)提升區(qū)與濕地建設(shè)相結(jié)合，凈化引入渠道的黃河水。 水量調(diào)蓄區(qū)主要為沉沙池下游至出口2.5 km范圍，此段沉沙池寬度較大，為調(diào)蓄水量提供優(yōu)勢，保障工程供水。

引黃濟(jì)青沉沙池的調(diào)控目標(biāo)是盡最大可能把泥沙控制在泥沙沉積區(qū)，設(shè)置沉沙坎可以降低流速，使水流挾沙力降低，增加泥沙在沉沙池中的沉積量［13］。 參照文獻(xiàn)［12］，在控制斷面2＋050 處分別設(shè)置0.8、1.0、1.2 m高度的沉沙坎，分別對7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 4種典型流量下不同高度沉沙坎的阻沙效果進(jìn)行模擬與分析，優(yōu)選調(diào)控方案。

3.3.2 調(diào)控方案模擬結(jié)果與分析

4 種典型流量下設(shè)置不同高度沉沙坎的沉沙池控制斷面處的含沙量見表2。

表2 4 種典型流量下設(shè)置不同高度沉沙坎的沉沙池控制斷面處的含沙量

由表2 可知，在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 流量下，設(shè)置高度為0.8 m 的沉沙坎，在控制斷面2＋050處的含沙量分別減少了來沙量的93.6%、92.2%、91.6%、90.4%，較沉沙池調(diào)控前降幅分別為2.3%、5.7%、6.7%、9.2%；設(shè)置高度為1.0 m 的沉沙坎，在控制斷面2 ＋050 處的含沙量分別減少了來沙量的93.9%、92.3%、91.9%、90.5%，較沉沙池調(diào)控前降幅分別為2.6%、5.8%、7.0%、9.3%；設(shè)置高度為1.2 m 的沉沙坎，在控制斷面2＋050 處的泥沙含量分別減少了來沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，較沉沙池調(diào)控前降幅分別為2.7%、6.2%、7.0%、9.7%。 以上數(shù)據(jù)分析表明，流量越大，沉沙坎的阻沙效果越明顯；同流量下，阻沙效果隨著沉沙坎高度的增加而提高，高度為1.2 m的沉沙坎阻沙效果較為明顯，較沉沙池調(diào)控前最大降幅達(dá)9.7%。 同時(shí)，調(diào)控方案對泥沙沉積的長度影響有限，水流的含沙量在控制斷面2 ＋050 處有明顯的差異，在控制斷面0＋200 與0＋950 處水流的含沙量完全相同，在控制斷面1＋600 處水流的含沙量僅有稍微的差異，表明泥沙沉積量主要增加在控制斷面1＋600 與2＋050 之間，實(shí)現(xiàn)了引黃河水來沙的90%控制在距離沉沙池入口2 km 內(nèi)。 這樣縮短沉沙長度，減少清淤成本，為清淤提供保障。

3.4 討 論

（1）引黃濟(jì)青工程沉沙調(diào)控前泥沙沉積變化情況：在控制斷面0 ＋950—1＋600 范圍內(nèi)沉積量為46%～65%，在控制斷面0＋200—0＋950 與1＋600—2＋050 范圍內(nèi)沉積量較小，分別為7%～19%與1%～3%。 根據(jù)引黃濟(jì)青工程的實(shí)際地形數(shù)據(jù)，經(jīng)沉沙池的多年運(yùn)行，控制斷面0—0＋950 有效寬度為40 ～50 m，控制斷面0＋950—1＋600有效寬度為50 ～80 m，控制斷面1 ＋600—2＋050 有效寬度為40 ～60 m，控制斷面0＋950—1＋600 寬度相對較大、流速較慢、水流挾沙能力弱，故沉積量較大。

（2）沉沙坎調(diào)控方案的阻沙效果：引黃濟(jì)青工程沉沙調(diào)控前，引黃河水來沙量的80%沉積在控制斷面2＋050 上游，主要沉積范圍為控制斷面0 ＋950—1 ＋600；設(shè)置3 種沉沙坎后，90.4%～94.0%的泥沙調(diào)控沉積在距離沉沙池入口2 km 內(nèi)，較調(diào)控前沉積量增加了10%，且增加的沉積量主要沉積在控制斷面1＋600—2＋050。 說明沉沙坎的阻沙效果明顯，實(shí)現(xiàn)了沉降的泥沙在沉沙池泥沙沉積區(qū)的均勻分布，以保障沉沙池的輸水能力。

（3）沉沙坎高度的選擇：設(shè)置0.8、1.0、1.2 m 3 種高度沉沙坎后，在4 種不同典型流量下，沉積在泥沙沉積區(qū)的泥沙量分別為來沙量的90.4%～93.6%、90.5%～93.9%、90.9%～94.0%，阻沙效果隨著沉沙坎高度的增加而提高；1.2 m 高度的沉沙坎較另2 種方案阻沙效果明顯，沉積量比調(diào)控前增加了10%。

根據(jù)引黃濟(jì)青工程的實(shí)際運(yùn)行資料，在引水流量較小時(shí)，沉沙池水深1.5 m 左右，1.2 m 高度的沉沙坎保證在引水流量較小時(shí)不會超過沉沙池水面。 文獻(xiàn)［13］研究表明，河流運(yùn)動(dòng)中懸移質(zhì)在垂直方向呈上稀下濃即自下而上逐漸減小的含沙量梯度，因此接近水面時(shí)，沉沙坎高度增加，阻沙效果變化不再顯著，最終選擇1.2 m 高度的沉沙坎調(diào)控方案。

（4）文中利用地理空間數(shù)據(jù)云30 m×30 m 的DEM建立了研究區(qū)域的地形數(shù)據(jù)，因面積較小、呈細(xì)長形狀、在經(jīng)緯度上的跨度不均勻，因此生成的地形數(shù)據(jù)精確度受到影響。 未來可以考慮利用精確度較高的DEM 構(gòu)建地形數(shù)據(jù)文件，進(jìn)一步提高模擬精度。

4 結(jié) 論

通過構(gòu)建引黃濟(jì)青工程輸水渠道與沉沙池的MIKE21 水沙模型，分析多種典型流量下沉沙調(diào)控前后泥沙的運(yùn)動(dòng)狀況和調(diào)控方案的阻沙效果，得到以下主要結(jié)論：

（1）引黃濟(jì)青工程沉沙調(diào)控前，含沙量沿程逐漸減少，在控制斷面0＋950 處含沙量為0.209～0.303 kg／m3，含沙量降低了17%；在控制斷面2＋050 處含沙量為0.031～0.068 kg／m3，含沙量降低了80%。

（2）設(shè)置沉沙坎將來沙量的90%調(diào)控沉積在距離沉沙池入口2 km 上游即泥沙沉積區(qū)范圍內(nèi)，較調(diào)控前沉積量增加了10%，控制斷面2＋050 處含沙量降低至0.023～0.035 kg／m3，阻沙效果明顯。

（3）1.2m 高度沉沙坎的調(diào)控方案阻沙效果明顯。在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 典型流量下，控制斷面2＋050 處的含沙量分別減少了來沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，泥沙沉積區(qū)出口處含沙量可降至0.021～0.033 kg／m3，有效地將泥沙調(diào)控在沉沙池泥沙沉積區(qū)，既縮短了泥沙沉積長度、降低了清淤難度與成本，又保障了沉沙池的輸水能力。