引黃工程沉沙調控方案阻沙效果研究

趙然杭，華麗麗，王興菊，劉恒洋，于 毅，侯 奔，鮑 芳，宋慶榮，趙 瑩

（1.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061； 2.山東省調水工程運行維護中心濱州分中心，山東 濱州 256600； 3.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

1 引 言

我國引黃工程從19 世紀70 年代開始興建，引黃工程包括調引黃河水工程與引黃灌溉工程。 由于黃河來水的高含沙性，因此引黃工程引水必引沙，引入的大量泥沙會在渠道或分水口發生淤積，嚴重影響了工程的輸水效率。 為了防止水中過多的泥沙進入渠道，沉沙池在引黃工程中起到重要作用，通過降低含沙水流的流速而降低水流的挾沙能力，改變原有泥沙的運動狀態將泥沙沉積到沉沙池中［1］，使含沙量符合水質要求的水輸送到下游渠道。 引黃工程對泥沙的調控方式主要為渠首沉沙、集中處理，沉沙池主要采用“以挖待沉”的運作形式。 但在沉沙池的逐年運行中，由于不科學的清淤方式造成了泥沙在沉沙池中不合理的淤積，淤積范圍擴大，嚴重影響沉沙池的沉沙效果，增加了運行成本，因此為提高工程輸水效率，降低泥沙清淤的難度與成本，亟須開展沉沙調控方案研究。

沉沙調控方案是在分析沉沙池泥沙運動狀況的基礎上研究提出的，泥沙運動過程的研究可以利用數值模擬與物理試驗模型兩種方法。 利用數值模擬技術定量分析沉沙池中的水沙運動狀況，相對于物理試驗模型而言以其有效性、靈活性和相對廉價性，受到很多專家學者的重視和廣泛應用。 數值模擬可以修改初始條件和邊界條件等，能夠快速地模擬泥沙運動、淤積的演變過程，揭示泥沙淤積的規律。

從20 世紀60 年代開始，河流數學模型逐步發展起來。 中國水利水電科學研究院韓其為［2］于1973 年開發了一維非均勻沙不平衡輸沙模型，通過大量河床演變過程和水庫淤積資料進行了驗證，在預報三峽水庫淤積計算中得到了應用。 余明輝等［3］、魏炳乾等［4］、徐國賓等［5］通過平面二維非均勻沙數值模擬方法分別對概化的矩形斷面河道、浐河下游沉沙池與黃河青銅峽水庫中懸移質含沙量、河床變形規律進行分析。 洪振國［6］、王仁龍［7］探討了沉沙池沉降率計算的幾種方法，對沉沙池沉降率設計計算具有一定的參考性。 李園園等［8］對大西溝石門子渠首人工彎道段建立CCHE2D 水沙兩相流數學模型，并建立實體物理模型，同時分析泥沙的橫向輸移現象以及泥沙沖淤后的河床變形，二者均符合彎道沖淤機理。 王永桂等［9］通過對擬修建的錢塘江沉沙池建立一維、二維耦合的水沙模型，模擬分析了沉沙池的沉積效果，并對不同尺寸方案下沉沙池的沉沙效率進行了探討。 趙永安等［10］以尊村灌區為例，在理論上分析并提出了“避攔結合、防治結合和沉用結合”的引黃灌區控沙思路。

以上主要針對沉沙池的泥沙運動進行大量模擬研究，分析了泥沙、河床的演變規律。 在沉沙控沙方面雖有相關研究，但主要是為優化沉沙池的設計提高沉沙效果，并未對運行狀態中沉沙池的沉沙效果調控作出分析。 本研究以引黃濟青工程沉沙池為例，基于MIKE21 建立水沙數值模型，進行沉沙調控方案研究并分析其阻沙效果，為實際工程的運行管理提供參考。

2 水沙模型的建立

2.1 研究區概況

引黃濟青工程是山東省“七五”期間重點工程之一，是為從根本上解決青島水資源短缺而投巨資興建的大型跨流域、遠距離調水工程。 引黃濟青渠首沉沙池位于濱州市博興縣，是引黃濟青工程的源頭，長6.65 km、平均寬度0.55 km，占地3.66 km2，上游連接6 km 長的輸水渠道，承擔著從黃河引水和蓄水、沉沙等重要功能。截至2017 年年底，已累計清淤泥沙1 191 萬m3。

沉沙池中建有張寨橋與劉王橋，兩座生產橋的工程情況見圖1。 沉沙池入口樁號設為0，張寨橋、劉王橋的樁號分別為1＋000、3＋600。 隨著沉沙池的多年運行，泥沙在沉沙池中淤積嚴重，池中一些部位已經形成了沉沙高地，減小了沉沙池有效寬度。 沉沙池內泥沙淤積主要分布在中上游，左右兩側形成面積為98.59萬m2的棄淤場，甚至在沉沙池中后段也有泥沙淤積，清淤距離較長，范圍較大，給清淤工作造成極大不便，增加清淤成本，嚴重影響了沉沙池的正常運行。

為清晰地描述泥沙在沉沙池中的變化過程，從沉沙池入口向下游依次選取4 個控制斷面（樁號分別為0＋200、0＋950、1＋600、2＋050），用來分析泥沙含量的變化規律。 沉沙池平面圖見圖1。

圖1 引黃濟青工程沉沙池平面示意

2.2 模型基本方程

描述水流運動的基本方程包括質量守恒方程和動量方程。

質量守恒方程：

式中：h為靜水深，m；d為水位隨時間的變化量，m；ζ為水位，m；p、q分別為x方向與y方向的流量，m3／s；C為謝才系數，m1／2／s；f為風摩阻系數；V、Vx和Vy為風速及其在x方向、y方向的分量，m／s；Ω為科氏力系數，s-1；P為大氣壓，Pa；ρw為水的密度，kg／m3；t為時間，s；τxx、τxy、τyy為有效剪切力分量，N／m2；g為重力加速度，m／s2。

泥沙控制方程：

式中：c-為水深平均含沙量，kg／m3；m；S為沉積（侵蝕源匯項），kg／（m3·s）；QL為單位水平區域內點源排放量，m3／（s·m2）；CL為原含沙量，kg／m3；u和v分別為x與y方向的流速，m／s；Dx和Dy分別為x與y方向的擴散系數，m2／s。

模型以QUICKEST 格式為基礎的三階有限差分顯示格式對該對流擴散方程進行求解，即采用ULTIMATE格式求解。

2.3 引黃濟青工程水沙模型建立

2.3.1 計算范圍與網格劃分

建立從引黃濟青進水閘到沉沙池出口閘的平面二維水沙模型，計算范圍包括6 km 輸水渠道與6.65 km 長的沉沙池，引黃濟青進水閘與沉沙池出口閘作為模型的上、下游邊界。 地形的單元網格劃分方式為三角形網格，由軟件中的網格生成器生成，相較于四邊形網格劃分方式，劃分區域更細致穩定。 為了準確地模擬泥沙的運動過程，在沉沙池寬度變化處與研究范圍的邊界處進行局部加密，最終生成網格10 501 個、節點6 408 個，其中池中島高出水面不進行網格劃分。 引黃濟青工程水沙模型計算區域水深以及局部網格詳細劃分見圖2、圖3。

圖2 引黃濟青工程水沙模型計算區域水深

圖3 引黃濟青工程水沙模型計算區域局部網格詳細劃分

2.3.2 模型參數的確定

引黃濟青工程在進水閘處有2011—2018 年的流量與水位資料，沉沙池出口閘處有2011—2018 年的閘前水位資料。 選取2018 年1 月進水閘流量作為模擬計算的入口端邊界條件，下游出口端水位邊界條件按照對應流量的閘前水位來設定，率定并驗證參數，得謝才系數為31 m0.5／s。 考慮到黃河下游泥沙在級配上有一定的相似性，濟南市田山灌區引黃口位置與引黃濟青工程引黃口位置比較接近，故采用田山灌區引黃工程的入口懸移質泥沙級配資料［12］來近似代替引黃濟青工程入口懸移質泥沙級配。 引黃濟青工程水沙模型具體參數值見表1。

表1 引黃濟青工程水沙模型具體參數值

3 引黃濟青工程水沙模擬

3.1 水沙模擬工況設定

根據多年的進水閘調水數據，2011—2018 年引黃流量為7～26 m3／s。 為全面分析泥沙在沉沙池中的運動過程，模擬多種典型流量下的泥沙輸移，模擬流量值為典型流量7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s。 渠首引水口打漁張引黃閘位于黃河利津站上游24.4 km 處，因此采用黃河利津站作為本工程進水閘來沙的代表站（上邊界輸入水流的含沙量為2018 年利津站的年平均含沙量即0.36 kg／m3）。

3.2 模擬結果與分析

不同典型流量下沉沙池控制斷面處水流含沙量變化情況見圖4。

圖4 不同典型流量下沉沙池控制斷面處水流含沙量變化情況

由圖4 看出，不同流量下泥沙的運動趨勢大致相同。 從引黃濟青工程沉沙池入口沿著沉沙池往下游，沉沙池中水流流速逐漸降低，水流挾沙量逐漸降低，泥沙隨著水流的運動沿沉沙池逐漸沉積。

模擬結果表明在控制斷面0＋950 處泥沙含量為0.209～0.303 kg／m3，在控制斷面2＋050 處泥沙含量為0.031～0.068 kg／m3；根據實際工程運行中含沙量的實測資料，正常工況下張寨橋附近含沙量為0.200～0.300 kg／m3、劉王橋處含沙量為0.030～0.100 kg／m3。 模擬結果與沉沙池的實際運行狀況較吻合。

在圖4 中控制斷面0＋950—1＋600 含沙量下降速度比較快，表明泥沙在控制斷面0＋950 到1＋600 的淤積量較大。 在不同流量下，沉沙池水流的含沙量在控制斷面2＋050 處基本小于0.08 kg／m3，將引黃河水來沙量的80%淤積在控制斷面2＋050 上游。 隨著進水閘流量的增大，沉沙池中水流的挾沙能力增強，含沙量也增大，在控制斷面2＋050 處25.09 m3／s 流量下水流的含沙量明顯高出7.88 m3／s 流量下水流的含沙量約0.03 kg／m3，沉沙池沉積范圍增大，清淤長度增加，為清淤工作帶來了極大的不便。

3.3 沉沙調控方案及水沙模擬

3.3.1 沉沙調控方案

引黃濟青工程沉沙池水沙模擬結果表明引黃來沙量的80%淤積在控制斷面2＋050 上游，即沉沙范圍主要分布在沉沙池中上游，但沉沙池下游也存在一定的沉沙，沉沙范圍大，造成清淤難度大、成本高，并且黃河水沉沙后直接進入渠道，沉沙池調蓄能力較差。

為進一步提升引水水質，提高沉沙池的調蓄能力，將沉沙池進行功能分區，即泥沙沉積區、水質提升區與水量調蓄區。 泥沙沉積區主要在距離沉沙池入口2 km范圍內，為下游留出充足的空間，凈化水質、調蓄水量。 水質提升區與濕地建設相結合，凈化引入渠道的黃河水。 水量調蓄區主要為沉沙池下游至出口2.5 km范圍，此段沉沙池寬度較大，為調蓄水量提供優勢，保障工程供水。

引黃濟青沉沙池的調控目標是盡最大可能把泥沙控制在泥沙沉積區，設置沉沙坎可以降低流速，使水流挾沙力降低，增加泥沙在沉沙池中的沉積量［13］。 參照文獻［12］，在控制斷面2＋050 處分別設置0.8、1.0、1.2 m高度的沉沙坎，分別對7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 4種典型流量下不同高度沉沙坎的阻沙效果進行模擬與分析，優選調控方案。

3.3.2 調控方案模擬結果與分析

4 種典型流量下設置不同高度沉沙坎的沉沙池控制斷面處的含沙量見表2。

表2 4 種典型流量下設置不同高度沉沙坎的沉沙池控制斷面處的含沙量

由表2 可知，在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 流量下，設置高度為0.8 m 的沉沙坎，在控制斷面2＋050處的含沙量分別減少了來沙量的93.6%、92.2%、91.6%、90.4%，較沉沙池調控前降幅分別為2.3%、5.7%、6.7%、9.2%；設置高度為1.0 m 的沉沙坎，在控制斷面2 ＋050 處的含沙量分別減少了來沙量的93.9%、92.3%、91.9%、90.5%，較沉沙池調控前降幅分別為2.6%、5.8%、7.0%、9.3%；設置高度為1.2 m 的沉沙坎，在控制斷面2＋050 處的泥沙含量分別減少了來沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，較沉沙池調控前降幅分別為2.7%、6.2%、7.0%、9.7%。 以上數據分析表明，流量越大，沉沙坎的阻沙效果越明顯；同流量下，阻沙效果隨著沉沙坎高度的增加而提高，高度為1.2 m的沉沙坎阻沙效果較為明顯，較沉沙池調控前最大降幅達9.7%。 同時，調控方案對泥沙沉積的長度影響有限，水流的含沙量在控制斷面2 ＋050 處有明顯的差異，在控制斷面0＋200 與0＋950 處水流的含沙量完全相同，在控制斷面1＋600 處水流的含沙量僅有稍微的差異，表明泥沙沉積量主要增加在控制斷面1＋600 與2＋050 之間，實現了引黃河水來沙的90%控制在距離沉沙池入口2 km 內。 這樣縮短沉沙長度，減少清淤成本，為清淤提供保障。

3.4 討 論

（1）引黃濟青工程沉沙調控前泥沙沉積變化情況：在控制斷面0 ＋950—1＋600 范圍內沉積量為46%～65%，在控制斷面0＋200—0＋950 與1＋600—2＋050 范圍內沉積量較小，分別為7%～19%與1%～3%。 根據引黃濟青工程的實際地形數據，經沉沙池的多年運行，控制斷面0—0＋950 有效寬度為40 ～50 m，控制斷面0＋950—1＋600有效寬度為50 ～80 m，控制斷面1 ＋600—2＋050 有效寬度為40 ～60 m，控制斷面0＋950—1＋600 寬度相對較大、流速較慢、水流挾沙能力弱，故沉積量較大。

（2）沉沙坎調控方案的阻沙效果：引黃濟青工程沉沙調控前，引黃河水來沙量的80%沉積在控制斷面2＋050 上游，主要沉積范圍為控制斷面0 ＋950—1 ＋600；設置3 種沉沙坎后，90.4%～94.0%的泥沙調控沉積在距離沉沙池入口2 km 內，較調控前沉積量增加了10%，且增加的沉積量主要沉積在控制斷面1＋600—2＋050。 說明沉沙坎的阻沙效果明顯，實現了沉降的泥沙在沉沙池泥沙沉積區的均勻分布，以保障沉沙池的輸水能力。

（3）沉沙坎高度的選擇：設置0.8、1.0、1.2 m 3 種高度沉沙坎后，在4 種不同典型流量下，沉積在泥沙沉積區的泥沙量分別為來沙量的90.4%～93.6%、90.5%～93.9%、90.9%～94.0%，阻沙效果隨著沉沙坎高度的增加而提高；1.2 m 高度的沉沙坎較另2 種方案阻沙效果明顯，沉積量比調控前增加了10%。

根據引黃濟青工程的實際運行資料，在引水流量較小時，沉沙池水深1.5 m 左右，1.2 m 高度的沉沙坎保證在引水流量較小時不會超過沉沙池水面。 文獻［13］研究表明，河流運動中懸移質在垂直方向呈上稀下濃即自下而上逐漸減小的含沙量梯度，因此接近水面時，沉沙坎高度增加，阻沙效果變化不再顯著，最終選擇1.2 m 高度的沉沙坎調控方案。

（4）文中利用地理空間數據云30 m×30 m 的DEM建立了研究區域的地形數據，因面積較小、呈細長形狀、在經緯度上的跨度不均勻，因此生成的地形數據精確度受到影響。 未來可以考慮利用精確度較高的DEM 構建地形數據文件，進一步提高模擬精度。

4 結 論

通過構建引黃濟青工程輸水渠道與沉沙池的MIKE21 水沙模型，分析多種典型流量下沉沙調控前后泥沙的運動狀況和調控方案的阻沙效果，得到以下主要結論：

（1）引黃濟青工程沉沙調控前，含沙量沿程逐漸減少，在控制斷面0＋950 處含沙量為0.209～0.303 kg／m3，含沙量降低了17%；在控制斷面2＋050 處含沙量為0.031～0.068 kg／m3，含沙量降低了80%。

（2）設置沉沙坎將來沙量的90%調控沉積在距離沉沙池入口2 km 上游即泥沙沉積區范圍內，較調控前沉積量增加了10%，控制斷面2＋050 處含沙量降低至0.023～0.035 kg／m3，阻沙效果明顯。

（3）1.2m 高度沉沙坎的調控方案阻沙效果明顯。在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 典型流量下，控制斷面2＋050 處的含沙量分別減少了來沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，泥沙沉積區出口處含沙量可降至0.021～0.033 kg／m3，有效地將泥沙調控在沉沙池泥沙沉積區，既縮短了泥沙沉積長度、降低了清淤難度與成本，又保障了沉沙池的輸水能力。