黃河寧夏某河段減沙渠首設計及其數(shù)值模擬

柳明洋，李春光2，，呂歲菊，趙文娟，喬 橋，許昊麗

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021； 2. 北方民族大學數(shù)學與信息科學學院，寧夏 銀川 750021；3. 北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021； 4. 呂梁學院 建筑系，山西 呂梁 033400）

0 引 言

黃河在寧夏境內(nèi)全長397 km，引黃灌區(qū)干渠39 條，充分利用黃河水是解決水資源短缺的重要措施。但黃河水少沙多，嚴重影響渠道的引水效率。為改善沉積，解決渠道泥沙淤積以及泥沙含量，提升水資源運載能力，利用魚嘴分流分沙工作原理，使含沙量少的水流在外江流入渠首［1］，達到降低水流泥沙承載能力，以實現(xiàn)渠道減沙的目的。

泥沙淤積是不可避免的問題，在農(nóng)業(yè)灌溉、城市排水中造成諸多不利影響。引、排水系統(tǒng)中沉積物的持續(xù)沉積會影響渠道系統(tǒng)正常運行的工作效率，造成經(jīng)濟損失。Bagnold［2，3］等在固定床實驗中研究了泥沙初始沉積，推導了推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙率的計算公式，并得出泥沙的啟動與沉積有相似的原理；Safair［4］等發(fā)現(xiàn)當流速降低，非黏性沉積物啟動速度低于沉積速度，這一速度被稱為初始沉積速度；當流速逐漸增大，流速達到使固定床面的泥沙開始運動，這一速度被稱為初始運動速度。Krishnappan 等人［5］研究了泥沙沉降過程中泥沙粒徑和沉降速度的變化規(guī)律，并表明：較小的顆粒尺寸更容易下降和淤積。李春光等［6-9］人根據(jù)黃河寧夏段水動力資料，得到了黃河寧夏河段泥沙運動規(guī)律及沖淤演變規(guī)律。

渠道排沙防淤這類問題是可以通過自身清潔標準來預防使其最小化［10］，根據(jù)自身清潔標準，河床上推移質(zhì)在開始移動［11，12］，或懸移質(zhì)在不平衡狀態(tài)下向下游運輸［13-15］，在供、排水系統(tǒng)中率先考慮的是保護床面穩(wěn)定［16-20］。因此，初期沉積或排沙是取水工程設計一個重要環(huán)節(jié)，較少懸移質(zhì)或推移質(zhì)流入引、排水系統(tǒng)是重要環(huán)節(jié)。為達到減少泥沙進入渠道系統(tǒng)中，引水系統(tǒng)利用彎道環(huán)流的水流特性凹岸引水［21，22］，通過改變渠首與河流的角度、增設攔沙坎達到最佳引水目的［23-25］；排水系統(tǒng)在渠首設置沉淀池［26-28］，達到沉淀的目的。

本文基于黃河寧夏某河段，將都江堰工作原理應用到渠道設計中，并根據(jù)河流動力學凹岸沖刷凸岸淤積原理，設計兩種不同取水方式，利用數(shù)值模擬的計算方法，對比不同工況下引水渠中懸移質(zhì)的含量。

1 模型依據(jù)

1.1 水動力控制方程

采用二維水動力模型及非黏性泥沙耦合模型，對研究區(qū)域及模型進行數(shù)值模擬研究。模型基于不可壓縮的雷諾平均N-S方程，包括連續(xù)方程、x方向的動量方程、y方向的動量方程。

x方向動量方程：

y方向動量方程：

式中：t為時間；h為總水深；x、y為直角坐標系；u、v為x、y方向上的速度分量；S為源項；f為科氏力；η為水深；g為重力加速度；d為靜水深；ρ為水的密度；Sxx、Sxy、Syy為輻射應力分量；Us、Vs為源項的水流流速。

1.2 泥沙控制方程

非黏性泥沙輸移求解計算是基于二維水動力模型的基礎(chǔ)上，計算單一水流的作用，通過全沙輸移理論計算懸移質(zhì)和推移質(zhì)含沙率。

泥沙輸運擴散方程：

2 模型率定及驗證

2.1 網(wǎng)格劃分

研究區(qū)域為寧夏黃河某河段，全長4 km，將研究區(qū)域劃分為10 個斷面，利用GPS-RTK、聲學多普勒剖面儀對邊界、高程、水深、流量、流速進行測量?；趯崪y資料，對研究區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，如圖1 所示，開邊界共設置126 個節(jié)點，其中上游48 個節(jié)點，下游78 個節(jié)點，三角形網(wǎng)格角最小度為29°，計算區(qū)域劃分為9 122 個節(jié)點，15 658 個網(wǎng)格，最小分辨率為10 m。

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Grid division

2.2 模型率定

根基實測資料對研究區(qū)域線性插值，如圖2所示，河床高程沿程降低，斷面呈V 型。模擬時間為2020 年10 月27 日00∶00時至2020 年10 月27 日03∶00，模擬時間步長0.01～1.00 s、曼寧系數(shù)率定值為36 m1/3/s、水平渦黏系數(shù)取默認值0.28、cfl 數(shù)為0.8。

圖2 測量河段地形圖Fig.2 Topographic map of the measured river section

2.2.1 流速驗證

如圖3所示，對研究區(qū)域流速進行了驗證，因研究區(qū)域河床寬度寬窄相間，地形跌宕不平，導致流速存在差異。CS6斷面寬度為440.18 m，CS7斷面寬度為585 m，斷面水流流速介于0.4～2.4 m/s，流速最大值向凹岸擺動，流速較小值位于河床兩側(cè)。MIKE 21模擬結(jié)果顯示，實測流速值分散在模擬結(jié)果兩側(cè)，且模擬結(jié)果與實測流速狀態(tài)同步；CS4斷面最大流速位于距左岸210 m 處，CS5斷面最大流速位于距左岸265 m 處，CS6斷面最大流速位于距左岸180 m 處，CS7斷面最大流速位于距左岸220 m 處。因此，典型斷面水流流速模擬結(jié)果較好，這一數(shù)據(jù)可以作為模擬工況的水動力條件。

2.2.2 含沙量驗證

為選取最優(yōu)斷面布設引水渠，本文對研究區(qū)域10個斷面含沙量進行了驗證。模型含沙量基于MIKE21 軟件進行設置，上游入口處斷面平均泥沙濃度為0.78 kg/m3，下游出口處平均泥沙濃度為1.88 kg/m3。含沙量模擬結(jié)果擬合較好，可重現(xiàn)河道內(nèi)泥沙分布情況，如圖4所示，其中CS5斷面左岸下游，由于橫向環(huán)流的作用，含沙量最少，為0.5 kg/m3，上下游左岸處泥沙含量均較大，在1 kg/m3以上，因此在CS5斷面附近選擇引水渠的位置最為合理。

圖4 模擬區(qū)域含沙濃度分布Fig.4 Distribution of sand concentration in the simulation area

3 渠首設計與結(jié)果分析

3.1 工況設計

根據(jù)實測河段的水力條件以及地形，設置兩種不同的工況，在天然河道的相同位置，渠首采用倒漏斗型，目的是為了增加引流量。如圖5 所示，圖5（a）為常見的引水渠示意圖，圖5（b）為排沙引水渠示意圖。圖5（a）中，攔沙坎高程為1 091.5 m，寬度為100 m，引水渠直線長度為800 m，寬度為20 m，坡率為1/1 000。圖（b）中攔沙坎1 的高程為1 090 m，引河進水口寬度為150 m，出水口寬度為100 m，飛沙堰在引水渠下游連接魚嘴與邊界，高程為1 093 m，寬度為45 m；工況2引水渠的取水口寬度、高程、引水渠寬度、長度、坡率均相同。

圖5 渠首結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of the head of the drain

魚嘴位于彎道處，將水流分成兩部分：內(nèi)江與外江。引水渠入口河床凹陷，外江凸起，根據(jù)水力學原理，含有少量泥沙的表層水流向凹岸，即流向內(nèi)江；含有大量泥沙的底層水會流向凸岸，即流向外江，泥沙會沿外江流入天然河流中。經(jīng)長期的沉淤，內(nèi)江同樣會有泥沙淤積，內(nèi)江水以巨大的沖擊力流到攔沙坎2 處，加上頂托作用，在飛沙堰附近形成漩渦，當水量較大時，水位會高于飛沙堰，泥沙會越過飛沙堰水中的泥沙會甩出飛沙堰，沿出水口排入河道中。

3.2 工況2分流原理

圖6 所示為魚嘴流場分布，引河寬為175 m，為實現(xiàn)分流目的，內(nèi)江寬度設置為70 m，外江寬度設置為105 m。根據(jù)本次實測水面高程，本文飛沙堰設計高程為1 093 m，模擬工況為平水期，模擬飛沙堰附近水流高程為1 092.8 m，飛沙堰高程大于模擬工況下水面高程，當該河段處于枯水期與平水期時，水流不會在飛沙堰上流過，保證引水渠的需水量。

圖6 工況2流場及流速分布Fig.6 The flow field and flow velocity distribution of working condition 2

模擬結(jié)果表明，魚嘴將水流分成內(nèi)江與外江，內(nèi)江流速為0.2～0.48 m/s，外江水流流速較大，流速為0.8～0.9 m/s，且外江凸岸側(cè)水流流速略大于凹岸側(cè)。此外，內(nèi)江水流流速更加平穩(wěn)，最小流速點在魚嘴將水流內(nèi)江與外江分界點處，內(nèi)江的入流量為33.495 m3/s，外江入流量為105.735 m3/s，很好的起到了分流效果，達到了內(nèi)江引水，外江排洪的效果。當處于豐水期時，飛沙堰相當于溢流壩，水流從飛沙堰上流出，可控制引水渠取水量，引水渠不會因上游流量過多而導致取水過多造成災害。

3.3 引水渠對水流動力軸線的影響

本文模擬了不同工況下引水渠附近的水力情況，如圖6 所示，工況1 引水渠入口處平均水流流速為0.84 m/s，入渠流量為47.04 m3/s，占總流量的2.53%；工況2 進水口平均水流流速為0.85 m/s，引河流量為252.47 m3/s，占總流量的13.56%，引水渠流量為22.75 m3/s，占總流量的1.22%。增設引水渠后，水流動力軸線發(fā)生了擺動，不同工況下水流動力軸線的擺動情況不同。

模擬結(jié)果表明，不同工況水流動力軸線均向凹岸發(fā)生擺動的同時，改變河流自身平衡，水流最大動量軸線向引流側(cè)擺動。工況1 僅在引水渠附近水流動力軸線向凹岸擺動，擺動距離為46.6 m，隨后漸漸與原模擬水流動力軸線重合。工況2 引河水流動力軸線擺動較大，擺動距離為62.6 m，影響的范圍較廣，與原水流動力軸線重合距離更遠。綜上所述，當有水流流出時會改變流場的結(jié)構(gòu)，流出的流量越大，水流動力軸線擺動的幅度越大。水流動力軸線的位置是河床邊界條件和水動力共同作用的結(jié)果，由于增設引水渠，改變原河段的邊界條件，破壞原河流穩(wěn)定程度，不同流量的流出情況反映了研究區(qū)域的變化幅度。

圖8 模擬工況引水渠附近含沙量Fig.8 Simulated working conditions of sand content near the diversion channel

3.4 渠首泥沙含量

圖9為兩種工況在相同的水動力條件下對兩種工況進行模擬云圖。圖9（a）為工況1渠首泥沙分布云圖，在增設引水渠后，破壞原河流的自身平衡，使水流動力軸線發(fā)生擺動；此外，由于水是泥沙的載體，CS5斷面附近的含沙量增加，渠首的泥沙含量在0.3～1 kg/m3之間。工況2由于在內(nèi)江取水，如圖9（b）所示，渠首含沙量居于0.1～0.15 kg/m3，由于內(nèi)江處于凹岸外江處于凸岸，凹岸沖刷凸岸淤積，泥沙會淤積在凸岸邊，大量的泥沙會被帶入外江，清澈的水流入內(nèi)江，入渠的泥沙含量為0.15 kg/m3，小于工況1的泥沙入渠量。

圖9 引水渠水沙對比Fig.9 Comparison of water and sand in the diversion channel

模擬結(jié)果驗證了工況2 泥沙入渠量明顯少于工況1 泥沙入渠量，工況2 引水方式在根本上解決引水渠出現(xiàn)泥沙淤積的狀況，大大減少在水渠運行過程中出現(xiàn)淤積的現(xiàn)象，降低運行維護成本。

3.5 引水渠含沙量對比

本文對兩種工況引水渠流速和泥沙進行了模擬，如圖9 所示。工況1 的水流流速及含沙量均大于同位置工況2 的水流流速和含沙量。流速及含沙量在渠首至模擬端，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。工況1引水渠最大水流流速為1.28 m/s，最大含沙量為0.89 kg/m3，位于引水渠變窄位置處；最小流速為0.71 m/s，最少含沙量為0.37 kg/m3，位于渠首。工況2 最大流速為0.76 m/s，最大含沙量為0.34 kg/m3，位于引水渠變窄位置處；最小流速為0.18 m/s，位于渠首，最少含沙量為0.05 kg/m3，位于端部。

在引水渠內(nèi)，泥沙的含量與水流流速有關(guān)，渠首漸變段逐漸變窄，流速逐漸變大，水中攜帶的懸移質(zhì)含量增大；隨著進入引水渠直線段，水流流速逐漸降低，懸移質(zhì)含量也隨之逐漸減少。兩種不同工況下，流速、泥沙含量出現(xiàn)了相同的變化趨勢，工況2在渠內(nèi)所有位置泥沙含量均低于工況1，說明工況2引水渠運行會減少淤積的狀況，減少維護成本，帶來一定的經(jīng)濟效益，體現(xiàn)了工況2的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

本文基于黃河寧夏某河段實測水動力學要素，采用非均勻三角形網(wǎng)格，利用MIKE 21 軟件建立契合研究區(qū)域的數(shù)學模型，并基于數(shù)學模型設計兩種不同工況，研究兩種工況下對河流水流動力軸線的影響以及引水渠懸移質(zhì)的含量，得到如下結(jié)論。

（1） 通過MIKE21 對研究區(qū)域進行水動力驗證，模擬斷面水流流速及水流動力軸線與實測結(jié)果吻合度較高，模型參數(shù)設定較為合理。

（2） 在天然河道增設引水渠，會破壞河流的自身平衡，使水流動力軸線向引水渠側(cè)擺動，工況1 引出流量為47.04 m3/s，擺動距離為46.6 m；工況2 引河流量為252.47 m3/s，擺動距離為62.6 m。引水量越大，水流動力軸線的擺動幅度越大。

（3） 工況2 魚嘴將引河分為內(nèi)江與外江，利用凹岸沖刷凸岸淤積的原理，內(nèi)江流量為33.495 m3/s，流速為0.2～0.48 m/s，泥沙含量為0.1～0.15 kg/m3；外江流量為105.735 m3/s，流速為0.8～0.9 m/s，泥沙含量為0.6～1.6 kg/m3。外江流量及含沙量遠大于內(nèi)江，魚嘴很好的起到了分流分沙的作用。

（4） 工況1 引水渠內(nèi)含沙量最大值為0.89 kg/m3，工況2 引水渠內(nèi)含沙量最大值為0.37 kg/m3，且工況2引水渠內(nèi)處泥沙含量均小于工況1，說明工況2分流分沙能很好的減少泥沙入渠。

利用彎道環(huán)流的原理，將高含沙量的水流沖到魚嘴前的彎道處，使高含沙量的水流自動沖到外江，從而大大減少內(nèi)江的含沙量，進一步較少降低引水系統(tǒng)的淤塞之害。因此，魚嘴分流分沙的引水方式能很好的減少泥沙的入渠量，延長引水渠的使用壽命，有較高的工程價值。