引黄工程沉沙调控方案阻沙效果研究

赵然杭，华丽丽，王兴菊，刘恒洋，于 毅，侯 奔，鲍 芳，宋庆荣，赵 莹

（1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061； 2.山东省调水工程运行维护中心滨州分中心，山东 滨州 256600； 3.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

1 引 言

我国引黄工程从19 世纪70 年代开始兴建，引黄工程包括调引黄河水工程与引黄灌溉工程。 由于黄河来水的高含沙性，因此引黄工程引水必引沙，引入的大量泥沙会在渠道或分水口发生淤积，严重影响了工程的输水效率。 为了防止水中过多的泥沙进入渠道，沉沙池在引黄工程中起到重要作用，通过降低含沙水流的流速而降低水流的挟沙能力，改变原有泥沙的运动状态将泥沙沉积到沉沙池中［1］，使含沙量符合水质要求的水输送到下游渠道。 引黄工程对泥沙的调控方式主要为渠首沉沙、集中处理，沉沙池主要采用“以挖待沉”的运作形式。 但在沉沙池的逐年运行中，由于不科学的清淤方式造成了泥沙在沉沙池中不合理的淤积，淤积范围扩大，严重影响沉沙池的沉沙效果，增加了运行成本，因此为提高工程输水效率，降低泥沙清淤的难度与成本，亟须开展沉沙调控方案研究。

沉沙调控方案是在分析沉沙池泥沙运动状况的基础上研究提出的，泥沙运动过程的研究可以利用数值模拟与物理试验模型两种方法。 利用数值模拟技术定量分析沉沙池中的水沙运动状况，相对于物理试验模型而言以其有效性、灵活性和相对廉价性，受到很多专家学者的重视和广泛应用。 数值模拟可以修改初始条件和边界条件等，能够快速地模拟泥沙运动、淤积的演变过程，揭示泥沙淤积的规律。

从20 世纪60 年代开始，河流数学模型逐步发展起来。 中国水利水电科学研究院韩其为［2］于1973 年开发了一维非均匀沙不平衡输沙模型，通过大量河床演变过程和水库淤积资料进行了验证，在预报三峡水库淤积计算中得到了应用。 余明辉等［3］、魏炳乾等［4］、徐国宾等［5］通过平面二维非均匀沙数值模拟方法分别对概化的矩形断面河道、浐河下游沉沙池与黄河青铜峡水库中悬移质含沙量、河床变形规律进行分析。 洪振国［6］、王仁龙［7］探讨了沉沙池沉降率计算的几种方法，对沉沙池沉降率设计计算具有一定的参考性。 李园园等［8］对大西沟石门子渠首人工弯道段建立CCHE2D 水沙两相流数学模型，并建立实体物理模型，同时分析泥沙的横向输移现象以及泥沙冲淤后的河床变形，二者均符合弯道冲淤机理。 王永桂等［9］通过对拟修建的钱塘江沉沙池建立一维、二维耦合的水沙模型，模拟分析了沉沙池的沉积效果，并对不同尺寸方案下沉沙池的沉沙效率进行了探讨。 赵永安等［10］以尊村灌区为例，在理论上分析并提出了“避拦结合、防治结合和沉用结合”的引黄灌区控沙思路。

以上主要针对沉沙池的泥沙运动进行大量模拟研究，分析了泥沙、河床的演变规律。 在沉沙控沙方面虽有相关研究，但主要是为优化沉沙池的设计提高沉沙效果，并未对运行状态中沉沙池的沉沙效果调控作出分析。 本研究以引黄济青工程沉沙池为例，基于MIKE21 建立水沙数值模型，进行沉沙调控方案研究并分析其阻沙效果，为实际工程的运行管理提供参考。

2 水沙模型的建立

2.1 研究区概况

引黄济青工程是山东省“七五”期间重点工程之一，是为从根本上解决青岛水资源短缺而投巨资兴建的大型跨流域、远距离调水工程。 引黄济青渠首沉沙池位于滨州市博兴县，是引黄济青工程的源头，长6.65 km、平均宽度0.55 km，占地3.66 km2，上游连接6 km 长的输水渠道，承担着从黄河引水和蓄水、沉沙等重要功能。截至2017 年年底，已累计清淤泥沙1 191 万m3。

沉沙池中建有张寨桥与刘王桥，两座生产桥的工程情况见图1。 沉沙池入口桩号设为0，张寨桥、刘王桥的桩号分别为1＋000、3＋600。 随着沉沙池的多年运行，泥沙在沉沙池中淤积严重，池中一些部位已经形成了沉沙高地，减小了沉沙池有效宽度。 沉沙池内泥沙淤积主要分布在中上游，左右两侧形成面积为98.59万m2的弃淤场，甚至在沉沙池中后段也有泥沙淤积，清淤距离较长，范围较大，给清淤工作造成极大不便，增加清淤成本，严重影响了沉沙池的正常运行。

为清晰地描述泥沙在沉沙池中的变化过程，从沉沙池入口向下游依次选取4 个控制断面（桩号分别为0＋200、0＋950、1＋600、2＋050），用来分析泥沙含量的变化规律。 沉沙池平面图见图1。

图1 引黄济青工程沉沙池平面示意

2.2 模型基本方程

描述水流运动的基本方程包括质量守恒方程和动量方程。

质量守恒方程：

式中：h为静水深，m；d为水位随时间的变化量，m；ζ为水位，m；p、q分别为x方向与y方向的流量，m3／s；C为谢才系数，m1／2／s；f为风摩阻系数；V、Vx和Vy为风速及其在x方向、y方向的分量，m／s；Ω为科氏力系数，s-1；P为大气压，Pa；ρw为水的密度，kg／m3；t为时间，s；τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量，N／m2；g为重力加速度，m／s2。

泥沙控制方程：

式中：c-为水深平均含沙量，kg／m3；m；S为沉积（侵蚀源汇项），kg／（m3·s）；QL为单位水平区域内点源排放量，m3／（s·m2）；CL为原含沙量，kg／m3；u和v分别为x与y方向的流速，m／s；Dx和Dy分别为x与y方向的扩散系数，m2／s。

模型以QUICKEST 格式为基础的三阶有限差分显示格式对该对流扩散方程进行求解，即采用ULTIMATE格式求解。

2.3 引黄济青工程水沙模型建立

2.3.1 计算范围与网格划分

建立从引黄济青进水闸到沉沙池出口闸的平面二维水沙模型，计算范围包括6 km 输水渠道与6.65 km 长的沉沙池，引黄济青进水闸与沉沙池出口闸作为模型的上、下游边界。 地形的单元网格划分方式为三角形网格，由软件中的网格生成器生成，相较于四边形网格划分方式，划分区域更细致稳定。 为了准确地模拟泥沙的运动过程，在沉沙池宽度变化处与研究范围的边界处进行局部加密，最终生成网格10 501 个、节点6 408 个，其中池中岛高出水面不进行网格划分。 引黄济青工程水沙模型计算区域水深以及局部网格详细划分见图2、图3。

图2 引黄济青工程水沙模型计算区域水深

图3 引黄济青工程水沙模型计算区域局部网格详细划分

2.3.2 模型参数的确定

引黄济青工程在进水闸处有2011—2018 年的流量与水位资料，沉沙池出口闸处有2011—2018 年的闸前水位资料。 选取2018 年1 月进水闸流量作为模拟计算的入口端边界条件，下游出口端水位边界条件按照对应流量的闸前水位来设定，率定并验证参数，得谢才系数为31 m0.5／s。 考虑到黄河下游泥沙在级配上有一定的相似性，济南市田山灌区引黄口位置与引黄济青工程引黄口位置比较接近，故采用田山灌区引黄工程的入口悬移质泥沙级配资料［12］来近似代替引黄济青工程入口悬移质泥沙级配。 引黄济青工程水沙模型具体参数值见表1。

表1 引黄济青工程水沙模型具体参数值

3 引黄济青工程水沙模拟

3.1 水沙模拟工况设定

根据多年的进水闸调水数据，2011—2018 年引黄流量为7～26 m3／s。 为全面分析泥沙在沉沙池中的运动过程，模拟多种典型流量下的泥沙输移，模拟流量值为典型流量7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s。 渠首引水口打渔张引黄闸位于黄河利津站上游24.4 km 处，因此采用黄河利津站作为本工程进水闸来沙的代表站（上边界输入水流的含沙量为2018 年利津站的年平均含沙量即0.36 kg／m3）。

3.2 模拟结果与分析

不同典型流量下沉沙池控制断面处水流含沙量变化情况见图4。

图4 不同典型流量下沉沙池控制断面处水流含沙量变化情况

由图4 看出，不同流量下泥沙的运动趋势大致相同。 从引黄济青工程沉沙池入口沿着沉沙池往下游，沉沙池中水流流速逐渐降低，水流挟沙量逐渐降低，泥沙随着水流的运动沿沉沙池逐渐沉积。

模拟结果表明在控制断面0＋950 处泥沙含量为0.209～0.303 kg／m3，在控制断面2＋050 处泥沙含量为0.031～0.068 kg／m3；根据实际工程运行中含沙量的实测资料，正常工况下张寨桥附近含沙量为0.200～0.300 kg／m3、刘王桥处含沙量为0.030～0.100 kg／m3。 模拟结果与沉沙池的实际运行状况较吻合。

在图4 中控制断面0＋950—1＋600 含沙量下降速度比较快，表明泥沙在控制断面0＋950 到1＋600 的淤积量较大。 在不同流量下，沉沙池水流的含沙量在控制断面2＋050 处基本小于0.08 kg／m3，将引黄河水来沙量的80%淤积在控制断面2＋050 上游。 随着进水闸流量的增大，沉沙池中水流的挟沙能力增强，含沙量也增大，在控制断面2＋050 处25.09 m3／s 流量下水流的含沙量明显高出7.88 m3／s 流量下水流的含沙量约0.03 kg／m3，沉沙池沉积范围增大，清淤长度增加，为清淤工作带来了极大的不便。

3.3 沉沙调控方案及水沙模拟

3.3.1 沉沙调控方案

引黄济青工程沉沙池水沙模拟结果表明引黄来沙量的80%淤积在控制断面2＋050 上游，即沉沙范围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，沉沙范围大，造成清淤难度大、成本高，并且黄河水沉沙后直接进入渠道，沉沙池调蓄能力较差。

为进一步提升引水水质，提高沉沙池的调蓄能力，将沉沙池进行功能分区，即泥沙沉积区、水质提升区与水量调蓄区。 泥沙沉积区主要在距离沉沙池入口2 km范围内，为下游留出充足的空间，净化水质、调蓄水量。 水质提升区与湿地建设相结合，净化引入渠道的黄河水。 水量调蓄区主要为沉沙池下游至出口2.5 km范围，此段沉沙池宽度较大，为调蓄水量提供优势，保障工程供水。

引黄济青沉沙池的调控目标是尽最大可能把泥沙控制在泥沙沉积区，设置沉沙坎可以降低流速，使水流挟沙力降低，增加泥沙在沉沙池中的沉积量［13］。 参照文献［12］，在控制断面2＋050 处分别设置0.8、1.0、1.2 m高度的沉沙坎，分别对7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 4种典型流量下不同高度沉沙坎的阻沙效果进行模拟与分析，优选调控方案。

3.3.2 调控方案模拟结果与分析

4 种典型流量下设置不同高度沉沙坎的沉沙池控制断面处的含沙量见表2。

表2 4 种典型流量下设置不同高度沉沙坎的沉沙池控制断面处的含沙量

由表2 可知，在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 流量下，设置高度为0.8 m 的沉沙坎，在控制断面2＋050处的含沙量分别减少了来沙量的93.6%、92.2%、91.6%、90.4%，较沉沙池调控前降幅分别为2.3%、5.7%、6.7%、9.2%；设置高度为1.0 m 的沉沙坎，在控制断面2 ＋050 处的含沙量分别减少了来沙量的93.9%、92.3%、91.9%、90.5%，较沉沙池调控前降幅分别为2.6%、5.8%、7.0%、9.3%；设置高度为1.2 m 的沉沙坎，在控制断面2＋050 处的泥沙含量分别减少了来沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，较沉沙池调控前降幅分别为2.7%、6.2%、7.0%、9.7%。 以上数据分析表明，流量越大，沉沙坎的阻沙效果越明显；同流量下，阻沙效果随着沉沙坎高度的增加而提高，高度为1.2 m的沉沙坎阻沙效果较为明显，较沉沙池调控前最大降幅达9.7%。 同时，调控方案对泥沙沉积的长度影响有限，水流的含沙量在控制断面2 ＋050 处有明显的差异，在控制断面0＋200 与0＋950 处水流的含沙量完全相同，在控制断面1＋600 处水流的含沙量仅有稍微的差异，表明泥沙沉积量主要增加在控制断面1＋600 与2＋050 之间，实现了引黄河水来沙的90%控制在距离沉沙池入口2 km 内。 这样缩短沉沙长度，减少清淤成本，为清淤提供保障。

3.4 讨 论

（1）引黄济青工程沉沙调控前泥沙沉积变化情况：在控制断面0 ＋950—1＋600 范围内沉积量为46%～65%，在控制断面0＋200—0＋950 与1＋600—2＋050 范围内沉积量较小，分别为7%～19%与1%～3%。 根据引黄济青工程的实际地形数据，经沉沙池的多年运行，控制断面0—0＋950 有效宽度为40 ～50 m，控制断面0＋950—1＋600有效宽度为50 ～80 m，控制断面1 ＋600—2＋050 有效宽度为40 ～60 m，控制断面0＋950—1＋600 宽度相对较大、流速较慢、水流挟沙能力弱，故沉积量较大。

（2）沉沙坎调控方案的阻沙效果：引黄济青工程沉沙调控前，引黄河水来沙量的80%沉积在控制断面2＋050 上游，主要沉积范围为控制断面0 ＋950—1 ＋600；设置3 种沉沙坎后，90.4%～94.0%的泥沙调控沉积在距离沉沙池入口2 km 内，较调控前沉积量增加了10%，且增加的沉积量主要沉积在控制断面1＋600—2＋050。 说明沉沙坎的阻沙效果明显，实现了沉降的泥沙在沉沙池泥沙沉积区的均匀分布，以保障沉沙池的输水能力。

（3）沉沙坎高度的选择：设置0.8、1.0、1.2 m 3 种高度沉沙坎后，在4 种不同典型流量下，沉积在泥沙沉积区的泥沙量分别为来沙量的90.4%～93.6%、90.5%～93.9%、90.9%～94.0%，阻沙效果随着沉沙坎高度的增加而提高；1.2 m 高度的沉沙坎较另2 种方案阻沙效果明显，沉积量比调控前增加了10%。

根据引黄济青工程的实际运行资料，在引水流量较小时，沉沙池水深1.5 m 左右，1.2 m 高度的沉沙坎保证在引水流量较小时不会超过沉沙池水面。 文献［13］研究表明，河流运动中悬移质在垂直方向呈上稀下浓即自下而上逐渐减小的含沙量梯度，因此接近水面时，沉沙坎高度增加，阻沙效果变化不再显著，最终选择1.2 m 高度的沉沙坎调控方案。

（4）文中利用地理空间数据云30 m×30 m 的DEM建立了研究区域的地形数据，因面积较小、呈细长形状、在经纬度上的跨度不均匀，因此生成的地形数据精确度受到影响。 未来可以考虑利用精确度较高的DEM 构建地形数据文件，进一步提高模拟精度。

4 结 论

通过构建引黄济青工程输水渠道与沉沙池的MIKE21 水沙模型，分析多种典型流量下沉沙调控前后泥沙的运动状况和调控方案的阻沙效果，得到以下主要结论：

（1）引黄济青工程沉沙调控前，含沙量沿程逐渐减少，在控制断面0＋950 处含沙量为0.209～0.303 kg／m3，含沙量降低了17%；在控制断面2＋050 处含沙量为0.031～0.068 kg／m3，含沙量降低了80%。

（2）设置沉沙坎将来沙量的90%调控沉积在距离沉沙池入口2 km 上游即泥沙沉积区范围内，较调控前沉积量增加了10%，控制断面2＋050 处含沙量降低至0.023～0.035 kg／m3，阻沙效果明显。

（3）1.2m 高度沉沙坎的调控方案阻沙效果明显。在7.88、16.16、21.55、25.09 m3／s 典型流量下，控制断面2＋050 处的含沙量分别减少了来沙量的94.0%、92.7%、91.9%、90.9%，泥沙沉积区出口处含沙量可降至0.021～0.033 kg／m3，有效地将泥沙调控在沉沙池泥沙沉积区，既缩短了泥沙沉积长度、降低了清淤难度与成本，又保障了沉沙池的输水能力。