寧夏黃河水濁度與含沙量關(guān)系分析

顧靖超，劉學(xué)軍，陸立國，朱 潔，武慧芳(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

寧夏具有悠久的引黃灌溉歷史。近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求逐年增加，受水資源剛性約束的限制，壓縮農(nóng)業(yè)用水成為解決水資源短缺的主要手段。隨著農(nóng)業(yè)灌溉水資源的減少，采用常規(guī)的地面灌溉方式，灌溉用水量大，無法滿足灌溉對(duì)水資源的需求，采用高效的節(jié)水灌溉方式，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，直接引用高含沙黃河水微灌，灌水器極易被泥沙等懸移質(zhì)堵塞，造成滴灌系統(tǒng)無法運(yùn)行[1]。因此，微灌用黃河含沙水凈化處理技術(shù)，成為寧夏高效節(jié)水灌溉必須解決的技術(shù)難題。

1 黃河水泥沙含量及化學(xué)成分

1.1 黃河水泥沙含量

黃河因泥沙含量高而聞名于世，泥沙來源集中在中游黃土高原。泥沙含量因地區(qū)和季節(jié)不同，含量也不同。黃委會(huì)對(duì)黃河流域黃河水泥沙含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：在整個(gè)中游地區(qū)一般呈上低下高，枯水季節(jié)低、汛期高的特征，在枯水季節(jié)中游上段龍羊峽泥沙含量平均為1.5 kg/m3，汛期中游下段三門峽泥沙含量平均為37 kg/m3。在蘭州至河口鎮(zhèn)，年平均泥沙含量在5～10 kg/m3。

根據(jù)黃河寧夏段青銅峽站1969-2012年泥沙含量監(jiān)測(cè)資料，黃河水寧夏段多年平均泥沙含量為2.19 kg/m3，最大5.31 kg/m3，最小0.06 kg/m3，其中6-8月份泥沙含量較大，平均在3.82 kg/m3，其他時(shí)間平均在1.14 kg/m3。逐月平均含沙量見表1。

表1 青銅峽站1969-2012年月含沙量特征統(tǒng)計(jì)表 kg/m3

1.2 黃河水泥沙化學(xué)成分

寧夏揚(yáng)黃灌區(qū)渠道泥沙化學(xué)成分中，主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3三種化合物為主[2]，具有較強(qiáng)的吸附作用，易附著于輸水管道與灌水器內(nèi)壁，引起灌水器堵塞。化學(xué)成分化驗(yàn)結(jié)果見表2。

2 黃河水泥沙級(jí)配特性

黃河泥沙來自流域不同的地層，泥沙的礦物質(zhì)特性為長石、云母、石英、黏土礦物高齡石等，因而泥沙的粒徑是不均勻的，黃河寧夏段泥沙顆粒級(jí)配化驗(yàn)分析結(jié)果見表3。

表2 黃河水中泥沙物理化學(xué)性質(zhì)表

表3 黃河水泥沙粒級(jí)配特性

寧夏水利設(shè)計(jì)院資料表明，黃河水寧夏段多年平均泥沙含量為2.19 kg/m3，汛期為3.82 kg/m3。顆粒組成為：中值粒徑0.024 9 mm，最大粒徑0.5 mm。顆粒級(jí)配為：0.5～0.1 mm者占7%，0.1～0.035 mm者占34%，小于0.035 mm者占59%。

2005-2007年,為了掌握寧東鴨子蕩水庫泥沙運(yùn)行情況，分析淤積規(guī)律，對(duì)水庫泥沙含量、淤積變化進(jìn)行了長期的觀測(cè)。在水庫縱向選擇A、B、C三個(gè)斷面，A斷面距進(jìn)水口300 m，B斷面位于水庫中間，C斷面距水庫大壩100 m；每個(gè)斷面橫向分別設(shè)置3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)斷面兩點(diǎn)之間的距離為600 m，每次水庫蓄水期取水樣2次，取水位置為水面下1.0 m。監(jiān)測(cè)期間水庫進(jìn)水含沙量均低于5 kg/m3，平均含沙量2.6 kg/m3。水庫進(jìn)口含沙量較大，至壩前明顯減少，淤積形態(tài)與分析結(jié)果基本相同。

寧東供水公司鴨子蕩水庫管理部門對(duì)進(jìn)庫泥沙級(jí)配進(jìn)行化驗(yàn)分析，水體所含泥沙級(jí)配曲線見圖1。

圖1 寧東鴨子蕩水庫泥沙粒徑分布百分比圖

3 黃河水泥沙含量與濁度的關(guān)系研究

泥沙含量是反映水中固體顆粒物泥沙多少的物理量，以kg/m3表示。濁度即水的混濁程度，是光線透過水層時(shí)受到阻礙的程度，表示水層對(duì)于光線散射和吸收的能力。它不僅與懸浮物的含量有關(guān)，而且還與水中雜質(zhì)的成分、顆粒大小、形狀及其表面的反射性能有關(guān)，渾濁度是一項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)。濁度通常用便攜式的濁度儀可直接現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，而含沙量需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析。為了方便應(yīng)用，對(duì)濁度與含沙量的關(guān)系進(jìn)行了定量研究。

金同軌、陳保平、梁春華等取甘肅蘭州、寧夏青銅峽、河南滎陽孤柏嘴、河南鄭州花園口等四處黃河河段的泥沙樣或水樣，配成不同濃度的渾水，測(cè)定其濁度。渾水濁度測(cè)定時(shí)往往需要稀釋，此時(shí)要采用固定的稀釋倍數(shù)，這樣，不同渾水樣的單位含沙量的濁度值相當(dāng)穩(wěn)定，而不按固定稀釋倍數(shù)所得的數(shù)據(jù)偏差較大。提出黃河高濁度水的濁度不但與含沙量有關(guān)，而且與顆粒因素有關(guān)，忽略其中的一個(gè)因素就難以得到穩(wěn)定的關(guān)系；在通常情況下，含沙量與濁度的比值Cw/T大，泥沙顆粒粗，反之則細(xì)。

2013-2014年，寧夏寧東水廠對(duì)進(jìn)入水廠的黃河水濁度與含沙量進(jìn)行了長期的監(jiān)測(cè)，寧東水廠2013-2014年監(jiān)測(cè)水樣的濁度范圍在2～20 NTU、含沙量范圍在0.06～9 mg/L，將濁度與對(duì)應(yīng)的泥沙含量點(diǎn)匯在同一圖表上觀察，兩者沒明顯的相關(guān)關(guān)系，見圖2。

圖2 寧東水廠黃河水濁度與含沙量關(guān)系散點(diǎn)圖

2015年共采集寧夏引、揚(yáng)黃灌區(qū)各大干渠不同位置水樣38組，開展了黃河水泥沙含量與濁度關(guān)系對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，泥沙含量在0.06～16 kg/m3、濁度在200～11 000 NTU之間，詳見表4。

表4 黃河水泥沙含量與濁度結(jié)果

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，濁度與含沙量存在較為明顯的線性關(guān)系，濁度NTU～含沙量關(guān)系率定成果見圖3。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，泥沙含沙量在0.06～16 kg/m3、濁度在200～11 000 NTU之間，因此，上式適用的范圍為濁度大于200 NTU的情況。

圖3 黃河水濁度與含沙量關(guān)系

4 結(jié) 語

黃河水濁度與泥沙含量之間存在高度相關(guān)性，現(xiàn)場(chǎng)水樣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)室試驗(yàn)率定結(jié)果比較，以及通過使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換比較時(shí)，兩者仍有所差異，未來仍需做長時(shí)間的觀測(cè)試驗(yàn)以完善，其應(yīng)用性極高，對(duì)于水利單位在濁度數(shù)據(jù)的運(yùn)用上有所幫助，值得進(jìn)行更深入研究。

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[1] 范興科，馬孝義.滴灌帶抗堵性能與臨界含沙水流研究[D]. 北京：中國科學(xué)研究生院，2010.

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[3] 李葆權(quán).黃河高揚(yáng)程提水灌區(qū)滴灌系統(tǒng)水質(zhì)凈化處理研究[J]. 節(jié)水灌溉，2014,(9):27-29.

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