區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型研究

車南雪

(河北省子牙河河務中心，河北 衡水 053000)

0 引 言

我國雖然擁有眾多的河流，但是這些河流在空間上分布極其不均勻，且在流動過程中會挾帶大量泥沙到水流中，形成沙流河。這些沙流河中的河水，不能作為人類生活日常用水，甚至連農田灌溉也不能直接使用，以免河流中挾帶的泥沙沉淀到農田中，破壞農田中的有機物，影響農作物生長[1]。因此，我國采用水利灌溉渠道來沉淀沙流河中存在的泥沙。水利灌溉水渠主要分為明渠和暗渠兩類，前者的水源為地面上的水源，如河流、水庫、積蓄的雨水等；后者的水源為封閉的地下水[2]。不論是明渠還是暗渠，都需要利用斜坡引導水流流入水渠中，并將引導來的水流疏導、分配灌溉到農田的不同位置，實現農田灌溉[3]。在這一過程中，河流中的泥沙也會順著水流流入灌溉水渠中，此時的泥沙會隨著水流流速變化，沉積在水渠底部或流入農田[4]。若大量的泥沙沉積在水渠底部，會造成渠道堵塞，影響田地灌溉；若大量的泥沙順著水渠進入田地，則會影響農作物生長，破壞農田中的有機物[5]。

基于此，國內外相關學者十分重視水利灌溉渠道中水利挾沙力研究。根據水流挾沙影響因素、河流參數變化以及水流和泥沙參數，采用模擬試驗的方式，得到了愛因斯坦床沙質函數、全沙輸沙率公式、懸移質輸沙率公式、高含沙水流挾沙力計算公式、基于能量的水流挾沙力方程等計算方法，來計算水流挾沙力值[6]。在國內外研究基礎上，相關學者提出如下觀點。如文獻[7]將涇河和渭河兩條具有代表性的沙流河作為研究對象，根據這兩條河流的運動特性，建立水流挾沙力公式。文獻[8]考慮河道整治工程在施工過程中對河流自然演變過程的影響，建立一維水沙數學模型，限制河道整治工程。上述學者研究的水利挾沙力模型，應用在區域水利灌溉渠道中，存在水利挾沙力計算值與實際值擬合度低的問題，為此本文研究區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型。

1 區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型研究

由于區域水利灌溉渠道直接連通區域水源，讓水源按照灌溉渠道，將水輸送至田地，灌溉農作物。在這個過程中，水流不可避免地攜帶河床、渠道中的泥沙，此時的泥沙會在水流強度影響下，改變其揚起的高度、轉移的速度、止動狀態、形狀和質地。反之，水流的強度也受到泥沙質量的影響，改變水流能量分配[9]。基于此，此次研究通過確定泥沙綜合特性和水流強度參數計算結果，建立區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型。

1.1 計算水流強度參數

v=εv*

ι=GRP=ρgHP

ω=GQp=GHvp=ιv

(1)

式中：δ為水流運動黏度；J為能坡；G為水流容重；ρ為水流密度；ε為流速系數；B為坡高；R為水力半徑；g=9.8 m/s2為重力常數；p為區域水利灌溉渠道坡度；t為單位時間；v*為經水流表測量得到的水流流速；H為水流深度；P為坡能比降；Q為水力灌溉渠道單位寬度水流量；d為微分求導符號；s為水流水平距離[10]。

在計算過程中，由于水流強度參數所采集的數據范圍較大，且計算單位不一，若直接采用式(1)得到的水流參數建立水流挾沙力模型，需要進行大量的單位換算，影響模型運算效率。為此，采用無因次化消除參數計算范圍，將其轉換為無綱量形式，則有：

(2)

ω′=ι′v′

依據式(2)，即可得到無綱量后的5個水流強度參數值，作為模型中水流強度值計算部分，得到水利挾沙力值。

1.2 確定泥沙綜合特性

泥沙處于河流中時，會受到泥沙沉速、河床粗糙度、泥沙沉速和容重、河床床面剪切力等因素影響。則在區域水利灌溉渠道中，泥沙會受到灌溉渠道糙度、灌溉渠道剪切力、泥沙沉速等因素影響，為此計算灌溉渠道粗糙率系數γ、灌溉渠道剪切力ι1、泥沙沉降v1這3個特性參數。由于泥沙粒徑大小存在一定的差異，為此將形狀因子和圓度引入泥沙沉降公式中來計算泥沙沉降特性參數，則有：

(3)

式中：ρ1為懸浮顆粒密度；k1、k2、k3均為阻力系數，其計算公式如下：

(4)

式中：o為砂礫圓度系數；c為科里形狀因子[12]。將式(4)的計算結果代入式(3)中，即可得到泥沙沉降特性參數值。

灌溉渠道糙率系數、灌溉渠道剪切力兩個參數，則引入河流糙率系數、剪切力計算公式進行計算，則有：

ι1=ρv0

(5)

式中：C0為曼寧糙率；C1為灌溉渠道糙度；v0為灌溉渠道水流摩阻流速。

綜合式(3)和式(5)，即可確定泥沙綜合特性，根據這一特性確定泥沙與水流之間的關系，即可得到水利挾沙力模型。

1.3 建立水利挾沙力模型

依據式(2)、式(3)和式(5)計算結果，水利與沙力之間存在如下關系：

ζ=zq′r

(6)

式中：z為泥沙轉移系數；q′為無綱量處理后的水流強度參數；r為泥沙綜合特性參數指數[13]。

(7)

式中：z1為無量綱的泥沙輸移系數；r1、r2、r3、r4分別為p、v、H、v1的指數[14]。

從式(7)中可以看出，式(2)在式(6)的作用下，其采用無綱量總共消除了流速、水深和沉速3個參數的綱量。基于此，對式(7)進一步簡化，則有：

(8)

式中：v1′為無量綱泥沙沉速。

根據式(8)所示的公式，采用數據擬合的方式，確定無量綱泥沙轉移系數及其對應的指數，則有：

(9)

將式(9)擬合得到的無量綱泥沙轉移系數值及其對應的指數值，代入式(8)中，即可得到區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型。

2 數值模擬

選擇考慮河道整治工程影響的水利挾沙力模型和基于人工神經網絡的水利挾沙力模型作為此次實驗對比對象，采用實際數據在計算機上進行數值模擬的方式，驗證此次研究建立的區域水利灌溉渠道中水利挾沙力模型。

2.1 模擬數據

此次實驗選擇某區域的水利灌溉渠道土壤，作為水利挾沙力模型中灌溉水攜帶土壤。將采集到的土壤進行風干處理，讓其過2 mm的篩，得到細砂礫、粗粉礫、中粉礫、細粉礫、黏礫、粗砂礫6種砂礫，每種砂礫的直徑分別為0.05～0.25 mm、0.01～0.05 mm、0.001～0.005 mm、0.001～0.005 mm、0.001 mm、大于0.25 mm，分別占砂礫總數量的4.25%、51.01%、17.36%、6.51%、17.62%和3.25%。根據此次實驗選擇區域農田所需灌溉量，所設計的模型水流量、水流比降、砂礫沉速3個參數的模擬計算數據見表1。

表1 水利挾砂礫模擬數據

根據表1所示的水流量，其灌溉面積在4.2～24.1 m2之間。

2.2 水利灌溉渠道模擬

區域水利管道渠道受區域地形影響，為了簡化實驗，選擇灌溉渠道中的斜坡部分，作為灌溉實驗模擬灌溉渠道部分，所設計的模擬裝置見圖1。

圖1 水利灌溉渠道模擬裝置

在圖1所示的水利灌溉渠道模擬裝置中，模擬水渠長約4.5 m、寬約0.3 m、高約0.1 m。將玻璃制成的水箱作為灌溉水渠水源，進水管為水渠水源補充點，觀察水源變化情況。當灌溉水渠要灌溉農田時，在模擬水渠與水箱之間的加沙漏斗處添加砂礫，讓水流順水渠而下，模擬其在田地灌溉過程中，砂礫攜帶情況。為了讓水利灌溉渠道更加貼近實際情況，在模擬水渠的上端和下端分別安裝可調節支架來調節水渠高度。水渠灌溉水流量則通過水箱與加沙漏斗之間的放水閥門實現。

2.3 水利挾沙力實測值

采集圖1中泥沙收集裝置收集到的泥沙，由于實驗裝置問題，避免泥沙在水槽內堆積，需要充分攪拌使砂礫與水混合。采集混合后的含沙水流，將其靜置沉淀烘干稱重處理，得到體積水流含沙量V和水流挾砂礫值ζ，其計算公式如下：

(10)

式中：V1為樣品烘干后沙樣重量；t為取樣時間；V2為含沙水流體積。

將此次實驗測量值代入式(10)中，即可得到水流挾砂礫實際值。以獲取的模擬數據為依據，采用3組水利挾沙力模型，分別計算水流挾砂礫值，檢測3組模型模擬計算結果與水流挾砂礫實際值的擬合度。

2.4 模型與實測值擬合度對比

根據表1所示的模型數值模擬數據，采用3組模型分別計算水流挾砂礫值，并將計算結果與式(10)得到的水流挾砂礫實際值進行擬合，其擬合結果見圖2。

從圖2中可以看出，考慮河道整治工程影響的水利挾沙力模型模擬計算水利挾沙力值，雖然靠近1∶1直線，與實際值擬合，但其大部分擬合點位于1∶1直線上方，其擬合值明顯偏大；基于人工神經網絡的水利挾沙力模型的擬合點則散亂地包圍在1∶1直線上下，雖然也與實際值擬合，但是同樣存在較大的偏差；而研究模型擬合點與1∶1直線完全貼合，表明模型模擬值和實際值基本一致。由此可見，此次研究模型計算水利挾沙力值與實際值具有較高的擬合度。

圖2 水流挾砂礫實際值與模型模擬值擬合度對比圖

3 結 語

此次研究通過尋找水流強度參數和泥沙綜合特性之間存在的關系，建立區域水利渠道中水利挾沙力模型，得到區域水利渠道中水利挾沙力值。并且采用模擬實驗的方式，驗證此次研究建立的模型計算水利挾沙力精度，為區域水利灌溉渠道建設提供參考。在今后的研究中，還需深入研究懸沙沉降、底沙起動等泥沙特性，進一步提高水利挾沙力模型計算精度。