氣動沖沙法輔助小浪底水庫調沙的設想

丁 磊，羅 勇，竇希萍，繳 健

（南京水利科學研究院港口航道泥沙工程交通部重點實驗室，江蘇南京210029）

為防洪、防凌需要及保障黃河淡水資源利用，黃河干支流逐步修建了多座水庫，而在多沙河流上修建水庫，必然面臨水庫嚴重淤積的問題。因此，如何長期保持有效庫容，成為工程泥沙研究中需要重點解決的問題［1］。

針對水庫防淤、清淤問題，學者已經進行過廣泛研究，并形成了一系列較為成熟的技術。然而，水流輸沙效率低的問題并沒有得到根本解決。本文在梳理黃河干流水庫泥沙調控現狀的基礎上，從理論和試驗方面介紹了一種新方法——氣動沖沙法，結合水動力與強人工干預措施來輔助黃河干流水庫的泥沙調控，以期有效提高泥沙負載（指單位水量能夠挾帶的沙量）。

1 黃河干流水庫及水沙調控現狀

1.1 黃河干流水庫介紹

水少沙多、水沙關系不協調是黃河水沙的主要特點，也是其復雜難治的癥結所在。水庫聯合調度是進行流域水沙調控的有效手段，黃河干流已建成的主要水庫（見表1）在建成后均發生了不同程度的淤積。以三門峽水庫為例，運行后2 a庫區發生嚴重淤積，93%的來沙淤積在庫內，庫尾的潼關高程大幅抬升了近5 m、即便此后三門峽水庫調整了運行方式，但近60 a來潼關高程仍然較高。

表1 黃河干流主要水庫信息

1.2 2018年黃河水沙調控概況

對黃河水沙調控尤其是下游河道的水沙調控來說，洪水是泥沙輸移的主體，洪水平均流量及洪水歷時是決定輸沙效率的重要因素［2］。

最近一次黃河水庫聯合調度發生在2018年。因2018年汛期黃河流域暴雨過程頻繁、降雨量較大，受降雨影響，黃河上游來水偏多，共出現3次大洪水。針對該情況，成功實施了龍羊峽、劉家峽水庫聯合防洪運用以及萬家寨、三門峽、小浪底中游水庫群水沙聯合調控。在水庫、河道減淤方面取得新成效，萬家寨水庫排沙1.91億t，三門峽水庫排沙4.84億t，小浪底水庫排沙 4.66 億 t［3］。

1.3 水動力輸沙效率缺陷

通過水庫調控并利用洪水進行水庫沖淤的最大問題是受自然因素約束較大，若遇較枯年份，則進行多庫聯合調度來達到預計沖沙效果較為困難，主要原因是水流輸沙效率較低，每排沙 1 m3需耗水 10～20 m3［4］，即泥沙負載很低。中國西北地區降雨量偏小且時空分布不均，水資源嚴重短缺，需要水庫汛期蓄水，沒有沖沙水量條件，導致大部分泥沙滯留在水庫內。因此，提高泥沙負載就顯得尤為重要。

水流能量在運動過程中的消耗主要分為3部分。首先是用于克服河床阻力，其次是通過脈動能量懸浮泥沙，最后是用于輸送底沙。竇國仁等［5］根據能量消耗原理，推導得單位水體水流挾沙力S*和底沙單寬輸沙量qsb的計算公式為

式中：α為水流挾沙能量消耗系數；γs和γw分別為泥沙顆粒和水的容重；n為曼寧系數；v為平均流速；H為水深；ω為泥沙顆粒沉速；K1為底質運動系數；K為水流用于輸送臨底推移和半懸移泥沙的消耗系數；C0為謝才系數；vc為用平均流速表示的泥沙起動臨界流速；g為重力加速度。

根據長江、黃河的實測資料和實驗室資料，可得

K1v為底沙顆粒在水流作用下的移動速度，該速度比水流速度小，因此K1＜1.0，本文近似取K1＝0.8，得K＝0.125，也就是說用于輸送臨底泥沙的能量僅占水流總能量的12.5%。由α＝0.023可知水流挾沙消耗水流能量的2.3%，可見與輸送底沙及臨底懸沙相比，水流挾沙能效較低。若要提高挾沙與輸沙能力，則必須提高水流紊動強度以及泥沙上揚的垂向速度，而氣動沖沙法則是達到該效果的有效手段。

2 氣動沖沙法試驗原理

2.1 氣動沖沙介紹

通過氣動沖沙法進行治沙、輸沙的新觀點和新方法首先由南京水利科學研究院羅勇、羅肇森等［6-7］提出。他們認為，水流紊動強度的增大和流速分布的不均勻性可以通過在水中加入另一種介質來實現，而最有效且經濟的就是空氣。

氣動沖沙是在河底中加入空氣而形成的氣、流、沙的聯合運動，是介于空氣動力學、水動力學和固體力學三者的邊緣學科。氣動沖沙的設想始于20世紀70年代，最初應用在河口懸沙運動的一項試驗中。固-液、固-氣、液-氣等兩相耦合研究均已有較多成果，但三者混合在一起的研究和運用很少。本文將常見的物質三態結合在一起進行研究，并對其運用進行嘗試。對封閉環境中的氣體而言，壓力、體積（氣量）及溫度是最重要的三個物理量。在氣動沖沙的背景下，氣體溫度不會發生很大變化。因此，若要研究氣體對懸移質及推移質的影響，則首先要摸清水流中氣體對泥沙起動及輸運的影響機理，而其表現形式則為氣體壓力及氣量對水流產生的影響。

2.2 氣動沖沙理論分析

為更好地統一氣體與水流物理量，氣體壓強以水柱高度計算，為ΔH，空氣流速V為

式中：Cv為氣速系數，與氣體傳播環境有關；ρw、ρ0分別為水和空氣的密度。

當溫度為10℃時，ρw＝1 000 kg/m3，ρ0＝1.25 kg/m3，則式（3）可變為

氣體緩慢入水后（氣泡初始速度近似為0），氣泡直徑由零膨脹到最大值dbmax，dbmax主要與氣體流量及重力加速度有關［8］：

式中：Qa為單位時間的空氣溢出量；K′為系數，取值為1.295～1.487。

根據Haberman W L等［9］的研究，氣泡使得水流產生向上流速，大小與氣體雷諾數Re有關，當氣泡較大、氣體雷諾數大于2 000時，水流上升速度可表示為

水底溢出的氣泡在上升過程中體積不斷增大，按dbmax＝0.03 m計算，則不同直徑氣泡使水流產生的垂向向上的流速見圖1。

圖1 氣泡上升中直徑和速度變化過程

氣動沖沙系統由存氣系統和輸氣系統兩部分組成，存氣系統主要包括空壓機和氣罐，輸氣系統包括水上管道和水下管道（見圖2）。

圖2 氣動沖沙系統組成

根據質量守恒定律和氣體伯努利方程，不考慮輸氣系統對氣體運動的阻力，則有

式中：k為比熱比，空氣在日常溫度下可取1.4；p2為排氣孔處水壓力，當氣孔上方無覆蓋泥沙、水深為H時，p2＝γwH，其中γw為水的容重，當氣孔上方覆蓋泥沙深度為ds、水深為H時，可近似認為p2＝γwH+γsds，其中γs為泥沙容重。p1為氣罐內氣體壓強；M為馬赫數，，其中u為排氣孔處空氣流速，a為音速，一般2取340 m/s，當排氣孔處氣體速度為1倍音速時，＝0.528。

管道氣流速度越大，沖淤效果越好，但管道壓力也越大，因此氣動沖沙時一般控制在0.528～1之間。沖沙開始時，氣罐內氣體壓強等于空壓機工作壓力，隨著沖沙的進行會逐漸減小。儲氣罐內氣體流速與排氣孔處相比很小，計算時可認為是0。以水深50 m、排氣孔上方無泥沙、空壓機工作壓力為1 MPa為例，隨著排氣的進行，氣罐內氣體壓強與排氣孔處空氣速度的關系見圖3。當氣罐內壓強與排氣孔處水壓強相同時排氣停止，需使用空壓機對氣罐再次充氣。

圖3 氣罐壓力與排氣孔空氣流速的關系

3 應用設想

3.1 小浪底水庫淤積情況

小浪底水利樞紐上距三門峽水利樞紐130 km，下距花園口水文站128 km，壩址控制流域面積69.4萬km2。小浪底水庫淤積區域主要可以分為3部分，分別為干流淤積三角洲、支流河口、進水塔前［10-13］。水庫運用初期以攔蓄泥沙、下泄清水為主，干流縱剖面呈三角洲淤積形態。由1999—2018年黃河主要斷面實測地形資料可知，三角洲頂點2018年已推進至距大壩15 km左右處。小浪底庫區支流淤積主要為干流來沙倒灌所致，出現明顯的攔門沙坎。水庫進水塔前的泥沙淤積高程超過180.0 m，泄洪建筑物進水口存在被泥沙淤堵的風險。

3.2 氣動沖沙試驗研究

3.2.1 試驗準備

水槽位于南京水利科學研究院鐵心橋基地水工新技術試驗廳（見圖4），水槽總長16.0 m，凈寬0.7 m，凈深1.5 m，水槽底部鋪設長×寬為60 cm×60 cm噴氣管網，試驗用空壓機見圖5。試驗中排氣孔、排水孔孔徑均為1.5 mm，為使排氣孔氣流穩定溢出，同時也防止泥沙淤堵并快速形成上升氣流云，設置排氣孔出口為45°下開。

圖4 試驗水槽

水槽槽首設置固定流量200 m3/h、可調節流量為100 m3/h的水泵各一套，可調節流量水泵連接一個電磁流量計和閘閥用于流量調節。水槽邊建造有沉沙池、清水池、消力池，水槽槽尾設起落尾門一扇，用來調節水位高低，槽首設消能柵。水槽出水流入沉沙池，經過沉沙池過濾后流入清水池，再進入試驗水槽，組成循環供水造流系統。無氣動裝置時最大流量為83 L/s。流速采集使用 ADV（Acoustic Doppler Velocity），用于測量垂向和水平方向流速。試驗用空壓機排氣量為280 L/min，排氣壓力為 0.8 MPa。

圖5 試驗用空壓機

3.2.2 泥沙選擇

根據2018年黃河小浪底水庫底沙資料，中值粒徑最大為0.014 mm，最小為0.004 mm。畛水河測量斷面泥沙中值粒徑為0.004～0.007 mm。因水庫中水深較大，故底部泥沙獲取困難。根據實際情況綜合考慮，選擇鄭州市花園口將軍壩附近水廠沉沙池的泥沙進行氣動沖沙試驗。黃河水利科學研究院分析結果顯示，該處泥沙中值粒徑為0.041 mm，仍比小浪底庫區泥沙粒徑大。因此，若氣動沖沙法能在本試驗取得較好效果，則在小浪底水庫效果會更好。

3.2.3 清水試驗

為探究氣泡運動對水流的影響，首先進行無泥沙情況下的清水試驗。無排氣時，水槽中試驗段水深1 m處的流速見表2。

表2 無排氣時各工況水深1 m處水平流速

因實際操作中無法控制排氣速率完全穩定，氣壓必然是一個逐漸減小的過程，故在探究排氣對水流影響的試驗中，采集的是氣壓為0.8～0.4 MPa時的流速，排氣過程持續50 s。排氣閥打開時出現明顯“氣泡云”，氣泡在水槽中的狀態見圖6，氣泡運動包括上升過程和順水流方向運動過程。流速測點共2個，分別位于排氣孔正上方以及排氣孔下游4 m處。

針對上述5種工況，對排氣閥打開情況下的流速進行測量。對氣孔正上方測點，排氣期間垂向流速一直處于劇烈變化中，對不同流量、水深工況下排氣期間排氣孔正上方垂向流速進行時間平均計算，結果見表3。由表3可知，受氣泡上升影響，不同工況排氣孔上方垂向流速為40～60 cm/s，但垂向流速的大小與水深和流量沒有明顯關系。

圖6 水槽中氣泡順水流方向運動過程

表3 排氣時各組次排氣孔正上方垂向流速

對氣孔下游4 m處測點，各工況下垂向流速的變化明顯小于排氣孔正上方的，與靜水狀況相比，變化均為±2 cm/s，但水平流速與靜水工況相比有明顯變化，見表4。由表4可知，氣泡順水流方向的運動使得排氣孔下游流速明顯增大。

表4 排氣各工況下游4 m處水平流速

因此，經過清水試驗分析，可初步判斷氣動沖沙的作用可由兩部分組成。首先，排氣孔處垂向流速明顯增大，使得該處泥沙易于起動且難落淤；其次，氣泡順水流方向的流動使得水流流速增大，挾沙能力增強。

3.2.4 泥沙試驗

用黃河原型沙對氣動沖沙效果進行了試驗。在排氣管網上方覆蓋厚度為25 cm的泥沙，采用流量最小、水深最大的工況（即流量28 L/s、水深1.30 m）進行試驗。試驗過程見圖7、圖8。從圖7可以看出，排氣1 s時，排氣孔上方已可見明顯氣泡；排氣2 s時，氣泡已經影響到水流表層；排氣6 s時，水槽觀測段全部水體含沙量明顯增大。因此，排氣初期即有大量泥沙起動，由底沙變為懸沙，隨著排氣進行，含沙量明顯增大。該狀態持續保持到排氣結束（50 s），排氣結束后水槽觀測段水體仍保持高含沙狀態，僅表層含沙量有肉眼可見的降低。

圖8為表層含沙量的縱向變化過程，可以看出排氣1 s時水流表面出現擾動；2 s時擾動變化非常明顯，且含沙量明顯增大。此后水流表面懸浮泥沙也出現了明顯的順水流方向的輸運。10 s時，水流表面泥沙已經可以輸運到排氣孔下游4 m處。排氣結束后1 min，表層含沙量與排氣期間相比有一定的減小。

將水槽中水體緩慢排出，對排氣孔上方泥沙進行測量。排氣后泥沙平均厚度為18 cm。因此，本次排氣將排氣孔上方28%的泥沙排向下游。對排氣孔至下游4 m處泥沙厚度進行測量，平均泥沙淤積厚度為0.3 m，因此排氣孔上方泥沙起動后又落淤在下游的占全部泥沙量的8%，即有20%的泥沙被水流帶出水槽，氣動沖沙的效果相當可觀。

圖7 垂向含沙量變化過程

圖8 縱向含沙量變化過程

3.3 設 想

氣動沖沙法原則上可以用于黃河各處，只要空壓機的氣壓超過水深、淤沙厚度所形成的壓強及管閘、接頭等形成的阻力損失，空氣即可從排氣管處溢出而生成上升流并帶動泥沙上揚。使用氣動沖沙裝置逐步排出小浪底水庫的淤積泥沙是有可能的，但沖淤時間要根據當地環境、沖淤效果而定。對小浪底水庫來說，可考慮在淤積三角洲頂點及支流攔門沙段兩岸布置“人”字形氣排沖沙，兩岸布設空壓機和氣罐，各沖氣排進行輪番沖沙，使三角洲不再淤積抬高，并可與其他調沙措施相結合，增強水庫排沙效果。利用空氣流可以遠距離輸送的特點，可用一套系統負責一段較遠的距離（例如5 km），某一片河床沖刷的泥沙輸移到下游河床淤積，該淤積泥沙又會被該處氣動裝置起動，如此連續循環，實現由上而下“接力”輸沙。如將排氣管布置于河道主槽，則主槽沖深后，兩側泥沙會坍塌進入主槽，該部分泥沙下次充氣又可揚動。同時，該系統也可在水庫調沙調度時打開，若與異重流輸沙相結合，則可使得上游來沙不再落淤。由此可見，氣動沖沙是經濟、高效的水庫防淤、清淤措施。

4 結 語

針對黃河含沙量大、干流水庫不同程度淤積的狀況，提出了一種水動力與強人工干預有機結合的泥沙負載提高方法，即通過氣動系統使水體中產生氣泡，增強水流的紊動強度及垂向流速，提高水流的挾沙、輸沙能力。通過水槽試驗，對黃河原型沙在氣動裝置輔助下的起動與輸運進行了研究，試驗中可明顯看到氣泡向上以及沿水流方向的運動。在一次排氣過程中，覆蓋于排氣孔上方的泥沙中，有28%的泥沙得以起動并被水流輸運，且其中僅有8%落淤到下游水槽中，20%的泥沙被帶出了水槽，結果證明氣動沖沙法清淤效果明顯。同時，針對小浪底水庫的淤積特點，對將氣動沖沙法應用到小浪底水庫的可行性進行了分析，并提出了初步方案，可依據此方案在水庫相機開展現場示范研究。