黃河寧夏某河段減沙渠首設計及其數值模擬

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

黃河在寧夏境內全長397 km，引黃灌區干渠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，以實現渠道減沙的目的。

泥沙淤積是不可避免的問題，在農業灌溉、城市排水中造成諸多不利影響。引、排水系統中沉積物的持續沉積會影響渠道系統正常運行的工作效率，造成經濟損失。Bagnold［2，3］等在固定床實驗中研究了泥沙初始沉積，推導了推移質和懸移質輸沙率的計算公式，并得出泥沙的啟動與沉積有相似的原理；Safair［4］等發現當流速降低，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］人根據黃河寧夏段水動力資料，得到了黃河寧夏河段泥沙運動規律及沖淤演變規律。

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］，根據自身清潔標準，河床上推移質在開始移動［11，12］，或懸移質在不平衡狀態下向下游運輸［13-15］，在供、排水系統中率先考慮的是保護床面穩定［16-20］。因此，初期沉積或排沙是取水工程設計一個重要環節，較少懸移質或推移質流入引、排水系統是重要環節。為達到減少泥沙進入渠道系統中，引水系統利用彎道環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，利用數值模擬的計算方法，對比不同工況下引水渠中懸移質的含量。

1 模型依據

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，對研究區域及模型進行數值模擬研究。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上，計算單一水流的作用，通過全沙輸移理論計算懸移質和推移質含沙率。

泥沙輸運擴散方程：

2 模型率定及驗證

2.1 網格劃分

研究區域為寧夏黃河某河段，全長4 km，將研究區域劃分為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。基于實測資料，對研究區域進行網格劃分，如圖1 所示，開邊界共設置126 個節點，其中上游48 個節點，下游78 個節點，三角形網格角最小度為29°，計算區域劃分為9 122 個節點，15 658 個網格，最小分辨率為10 m。

圖1 網格劃分Fig.1 Grid division

2.2 模型率定

根基實測資料對研究區域線性插值，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、曼寧系數率定值為36 m1/3/s、水平渦黏系數取默認值0.28、cfl 數為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，對研究區域流速進行了驗證，因研究區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。MIKE 21模擬結果顯示，實測流速值分散在模擬結果兩側，且模擬結果與實測流速狀態同步；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果較好，這一數據可以作為模擬工況的水動力條件。

2.2.2 含沙量驗證

為選取最優斷面布設引水渠，本文對研究區域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。含沙量模擬結果擬合較好，可重現河道內泥沙分布情況，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 模擬區域含沙濃度分布Fig.4 Distribution of sand concentration in the simulation area

3 渠首設計與結果分析

3.1 工況設計

根據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 渠首結構示意圖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：內江與外江。引水渠入口河床凹陷，外江凸起，根據水力學原理，含有少量泥沙的表層水流向凹岸，即流向內江；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。經長期的沉淤，內江同樣會有泥沙淤積，內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，為實現分流目的，內江寬度設置為70 m，外江寬度設置為105 m。根據本次實測水面高程，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

模擬結果表明，魚嘴將水流分成內江與外江，內江流速為0.2～0.48 m/s，外江水流流速較大，流速為0.8～0.9 m/s，且外江凸岸側水流流速略大于凹岸側。此外，內江水流流速更加平穩，最小流速點在魚嘴將水流內江與外江分界點處，內江的入流量為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。

模擬結果表明，不同工況水流動力軸線均向凹岸發生擺動的同時，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構，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果，由于增設引水渠，改變原河段的邊界條件，破壞原河流穩定程度，不同流量的流出情況反映了研究區域的變化幅度。

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泥沙淤積的狀況，大大減少在水渠運行過程中出現淤積的現象，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，泥沙的含量與水流流速有關，渠首漸變段逐漸變窄，流速逐漸變大，水中攜帶的懸移質含量增大；隨著進入引水渠直線段，水流流速逐漸降低，懸移質含量也隨之逐漸減少。兩種不同工況下，流速、泥沙含量出現了相同的變化趨勢，工況2在渠內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，帶來一定的經濟效益，體現了工況2的優越性。

4 結 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格，利用MIKE 21 軟件建立契合研究區域的數學模型，并基于數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的含量，得到如下結論。

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

（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 魚嘴將引河分為內江與外江，利用凹岸沖刷凸岸淤積的原理，內江流量為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江，魚嘴很好的起到了分流分沙的作用。

（4） 工況1 引水渠內含沙量最大值為0.89 kg/m3，工況2 引水渠內含沙量最大值為0.37 kg/m3，且工況2引水渠內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，從而大大減少內江的含沙量，進一步較少降低引水系統的淤塞之害。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。