丁 磊，羅 勇，竇希萍，繳 健

（南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重淤積的問題。因此，如何長(zhǎng)期保持有效庫容，成為工程泥沙研究中需要重點(diǎn)解決的問題［1］。

針對(duì)水庫防淤、清淤問題，學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過廣泛研究，并形成了一系列較為成熟的技術(shù)。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(diào)控現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從理論和試驗(yàn)方面介紹了一種新方法——?dú)鈩?dòng)沖沙法，結(jié)合水動(dòng)力與強(qiáng)人工干預(yù)措施來輔助黃河干流水庫的泥沙調(diào)控，以期有效提高泥沙負(fù)載（指單位水量能夠挾帶的沙量）。

1 黃河干流水庫及水沙調(diào)控現(xiàn)狀

1.1 黃河干流水庫介紹

水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河水沙的主要特點(diǎn)，也是其復(fù)雜難治的癥結(jié)所在。水庫聯(lián)合調(diào)度是進(jìn)行流域水沙調(diào)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(fā)生了不同程度的淤積。以三門峽水庫為例，運(yùn)行后2 a庫區(qū)發(fā)生嚴(yán)重淤積，93%的來沙淤積在庫內(nèi)，庫尾的潼關(guān)高程大幅抬升了近5 m、即便此后三門峽水庫調(diào)整了運(yùn)行方式，但近60 a來潼關(guān)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(diào)控概況

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

最近一次黃河水庫聯(lián)合調(diào)度發(fā)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(xiàn)3次大洪水。針對(duì)該情況，成功實(shí)施了龍羊峽、劉家峽水庫聯(lián)合防洪運(yùn)用以及萬家寨、三門峽、小浪底中游水庫群水沙聯(lián)合調(diào)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(dòng)力輸沙效率缺陷

通過水庫調(diào)控并利用洪水進(jìn)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(jìn)行多庫聯(lián)合調(diào)度來達(dá)到預(yù)計(jì)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(fù)載很低。中國(guó)西北地區(qū)降雨量偏小且時(shí)空分布不均，水資源嚴(yán)重短缺，需要水庫汛期蓄水，沒有沖沙水量條件，導(dǎo)致大部分泥沙滯留在水庫內(nèi)。因此，提高泥沙負(fù)載就顯得尤為重要。

水流能量在運(yùn)動(dòng)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(dòng)能量懸浮泥沙，最后是用于輸送底沙。竇國(guó)仁等［5］根據(jù)能量消耗原理，推導(dǎo)得單位水體水流挾沙力S*和底沙單寬輸沙量qsb的計(jì)算公式為

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

根據(jù)長(zhǎng)江、黃河的實(shí)測(cè)資料和實(shí)驗(yàn)室資料，可得

K1v為底沙顆粒在水流作用下的移動(dòng)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?jī)H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(dòng)強(qiáng)度以及泥沙上揚(yáng)的垂向速度，而氣動(dòng)沖沙法則是達(dá)到該效果的有效手段。

2 氣動(dòng)沖沙法試驗(yàn)原理

2.1 氣動(dòng)沖沙介紹

通過氣動(dòng)沖沙法進(jìn)行治沙、輸沙的新觀點(diǎn)和新方法首先由南京水利科學(xué)研究院羅勇、羅肇森等［6-7］提出。他們認(rèn)為，水流紊動(dòng)強(qiáng)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(zhì)來實(shí)現(xiàn)，而最有效且經(jīng)濟(jì)的就是空氣。

氣動(dòng)沖沙是在河底中加入空氣而形成的氣、流、沙的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，是介于空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)和固體力學(xué)三者的邊緣學(xué)科。氣動(dòng)沖沙的設(shè)想始于20世紀(jì)70年代，最初應(yīng)用在河口懸沙運(yùn)動(dòng)的一項(xiàng)試驗(yàn)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(yùn)用很少。本文將常見的物質(zhì)三態(tài)結(jié)合在一起進(jìn)行研究，并對(duì)其運(yùn)用進(jìn)行嘗試。對(duì)封閉環(huán)境中的氣體而言，壓力、體積（氣量）及溫度是最重要的三個(gè)物理量。在氣動(dòng)沖沙的背景下，氣體溫度不會(huì)發(fā)生很大變化。因此，若要研究氣體對(duì)懸移質(zhì)及推移質(zhì)的影響，則首先要摸清水流中氣體對(duì)泥沙起動(dòng)及輸運(yùn)的影響機(jī)理，而其表現(xiàn)形式則為氣體壓力及氣量對(duì)水流產(chǎn)生的影響。

2.2 氣動(dòng)沖沙理論分析

為更好地統(tǒng)一氣體與水流物理量，氣體壓強(qiáng)以水柱高度計(jì)算，為ΔH，空氣流速V為

式中：Cv為氣速系數(shù)，與氣體傳播環(huán)境有關(guān)；ρw、ρ0分別為水和空氣的密度。

當(dāng)溫度為10℃時(shí)，ρw＝1 000 kg/m3，ρ0＝1.25 kg/m3，則式（3）可變?yōu)?/p>

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(guān)［8］：

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

根據(jù)Haberman W L等［9］的研究，氣泡使得水流產(chǎn)生向上流速，大小與氣體雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)氣泡較大、氣體雷諾數(shù)大于2 000時(shí)，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(jì)算，則不同直徑氣泡使水流產(chǎn)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(dòng)沖沙系統(tǒng)由存氣系統(tǒng)和輸氣系統(tǒng)兩部分組成，存氣系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)和氣罐，輸氣系統(tǒng)包括水上管道和水下管道（見圖2）。

圖2 氣動(dòng)沖沙系統(tǒng)組成

根據(jù)質(zhì)量守恒定律和氣體伯努利方程，不考慮輸氣系統(tǒng)對(duì)氣體運(yùn)動(dòng)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(dāng)氣孔上方無覆蓋泥沙、水深為H時(shí)，p2＝γwH，其中γw為水的容重，當(dāng)氣孔上方覆蓋泥沙深度為ds、水深為H時(shí)，可近似認(rèn)為p2＝γwH+γsds，其中γs為泥沙容重。p1為氣罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)；M為馬赫數(shù)，，其中u為排氣孔處空氣流速，a為音速，一般2取340 m/s，當(dāng)排氣孔處氣體速度為1倍音速時(shí)，＝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(dòng)沖沙時(shí)一般控制在0.528～1之間。沖沙開始時(shí)，氣罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)等于空壓機(jī)工作壓力，隨著沖沙的進(jìn)行會(huì)逐漸減小。儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體流速與排氣孔處相比很小，計(jì)算時(shí)可認(rèn)為是0。以水深50 m、排氣孔上方無泥沙、空壓機(jī)工作壓力為1 MPa為例，隨著排氣的進(jìn)行，氣罐內(nèi)氣體壓強(qiáng)與排氣孔處空氣速度的關(guān)系見圖3。當(dāng)氣罐內(nèi)壓強(qiáng)與排氣孔處水壓強(qiáng)相同時(shí)排氣停止，需使用空壓機(jī)對(duì)氣罐再次充氣。

圖3 氣罐壓力與排氣孔空氣流速的關(guān)系

3 應(yīng)用設(shè)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(qū)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(jìn)水塔前［10-13］。水庫運(yùn)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(tài)。由1999—2018年黃河主要斷面實(shí)測(cè)地形資料可知，三角洲頂點(diǎn)2018年已推進(jìn)至距大壩15 km左右處。小浪底庫區(qū)支流淤積主要為干流來沙倒灌所致，出現(xiàn)明顯的攔門沙坎。水庫進(jìn)水塔前的泥沙淤積高程超過180.0 m，泄洪建筑物進(jìn)水口存在被泥沙淤堵的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 氣動(dòng)沖沙試驗(yàn)研究

3.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

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

圖4 試驗(yàn)水槽

水槽槽首設(shè)置固定流量200 m3/h、可調(diào)節(jié)流量為100 m3/h的水泵各一套，可調(diào)節(jié)流量水泵連接一個(gè)電磁流量計(jì)和閘閥用于流量調(diào)節(jié)。水槽邊建造有沉沙池、清水池、消力池，水槽槽尾設(shè)起落尾門一扇，用來調(diào)節(jié)水位高低，槽首設(shè)消能柵。水槽出水流入沉沙池，經(jīng)過沉沙池過濾后流入清水池，再進(jìn)入試驗(yàn)水槽，組成循環(huán)供水造流系統(tǒng)。無氣動(dòng)裝置時(shí)最大流量為83 L/s。流速采集使用 ADV（Acoustic Doppler Velocity），用于測(cè)量垂向和水平方向流速。試驗(yàn)用空壓機(jī)排氣量為280 L/min，排氣壓力為 0.8 MPa。

圖5 試驗(yàn)用空壓機(jī)

3.2.2 泥沙選擇

根據(jù)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(cè)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(jù)實(shí)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(jìn)行氣動(dòng)沖沙試驗(yàn)。黃河水利科學(xué)研究院分析結(jié)果顯示，該處泥沙中值粒徑為0.041 mm，仍比小浪底庫區(qū)泥沙粒徑大。因此，若氣動(dòng)沖沙法能在本試驗(yàn)取得較好效果，則在小浪底水庫效果會(huì)更好。

3.2.3 清水試驗(yàn)

為探究氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)水流的影響，首先進(jìn)行無泥沙情況下的清水試驗(yàn)。無排氣時(shí)，水槽中試驗(yàn)段水深1 m處的流速見表2。

表2 無排氣時(shí)各工況水深1 m處水平流速

因?qū)嶋H操作中無法控制排氣速率完全穩(wěn)定，氣壓必然是一個(gè)逐漸減小的過程，故在探究排氣對(duì)水流影響的試驗(yàn)中，采集的是氣壓為0.8～0.4 MPa時(shí)的流速，排氣過程持續(xù)50 s。排氣閥打開時(shí)出現(xiàn)明顯“氣泡云”，氣泡在水槽中的狀態(tài)見圖6，氣泡運(yùn)動(dòng)包括上升過程和順?biāo)鞣较蜻\(yùn)動(dòng)過程。流速測(cè)點(diǎn)共2個(gè)，分別位于排氣孔正上方以及排氣孔下游4 m處。

針對(duì)上述5種工況，對(duì)排氣閥打開情況下的流速進(jìn)行測(cè)量。對(duì)氣孔正上方測(cè)點(diǎn)，排氣期間垂向流速一直處于劇烈變化中，對(duì)不同流量、水深工況下排氣期間排氣孔正上方垂向流速進(jìn)行時(shí)間平均計(jì)算，結(jié)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(guān)系。

圖6 水槽中氣泡順?biāo)鞣较蜻\(yùn)動(dòng)過程

表3 排氣時(shí)各組次排氣孔正上方垂向流速

對(duì)氣孔下游4 m處測(cè)點(diǎn)，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?biāo)鞣较虻倪\(yùn)動(dòng)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(jīng)過清水試驗(yàn)分析，可初步判斷氣動(dòng)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(dòng)且難落淤；其次，氣泡順?biāo)鞣较虻牧鲃?dòng)使得水流流速增大，挾沙能力增強(qiáng)。

3.2.4 泥沙試驗(yàn)

用黃河原型沙對(duì)氣動(dòng)沖沙效果進(jìn)行了試驗(yàn)。在排氣管網(wǎng)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程見圖7、圖8。從圖7可以看出，排氣1 s時(shí)，排氣孔上方已可見明顯氣泡；排氣2 s時(shí)，氣泡已經(jīng)影響到水流表層；排氣6 s時(shí)，水槽觀測(cè)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(dòng)，由底沙變?yōu)閼疑常S著排氣進(jìn)行，含沙量明顯增大。該狀態(tài)持續(xù)保持到排氣結(jié)束（50 s），排氣結(jié)束后水槽觀測(cè)段水體仍保持高含沙狀態(tài)，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(shí)水流表面出現(xiàn)擾動(dòng)；2 s時(shí)擾動(dòng)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(xiàn)了明顯的順?biāo)鞣较虻妮斶\(yùn)。10 s時(shí)，水流表面泥沙已經(jīng)可以輸運(yùn)到排氣孔下游4 m處。排氣結(jié)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(duì)排氣孔上方泥沙進(jìn)行測(cè)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(duì)排氣孔至下游4 m處泥沙厚度進(jìn)行測(cè)量，平均泥沙淤積厚度為0.3 m，因此排氣孔上方泥沙起動(dòng)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(dòng)沖沙的效果相當(dāng)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(shè) 想

氣動(dòng)沖沙法原則上可以用于黃河各處，只要空壓機(jī)的氣壓超過水深、淤沙厚度所形成的壓強(qiáng)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(dòng)泥沙上揚(yáng)。使用氣動(dòng)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(shí)間要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、沖淤效果而定。對(duì)小浪底水庫來說，可考慮在淤積三角洲頂點(diǎn)及支流攔門沙段兩岸布置“人”字形氣排沖沙，兩岸布設(shè)空壓機(jī)和氣罐，各沖氣排進(jìn)行輪番沖沙，使三角洲不再淤積抬高，并可與其他調(diào)沙措施相結(jié)合，增強(qiáng)水庫排沙效果。利用空氣流可以遠(yuǎn)距離輸送的特點(diǎn)，可用一套系統(tǒng)負(fù)責(zé)一段較遠(yuǎn)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(huì)被該處氣動(dòng)裝置起動(dòng)，如此連續(xù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)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(cè)泥沙會(huì)坍塌進(jìn)入主槽，該部分泥沙下次充氣又可揚(yáng)動(dòng)。同時(shí)，該系統(tǒng)也可在水庫調(diào)沙調(diào)度時(shí)打開，若與異重流輸沙相結(jié)合，則可使得上游來沙不再落淤。由此可見，氣動(dòng)沖沙是經(jīng)濟(jì)、高效的水庫防淤、清淤措施。

4 結(jié) 語

針對(duì)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(dòng)力與強(qiáng)人工干預(yù)有機(jī)結(jié)合的泥沙負(fù)載提高方法，即通過氣動(dòng)系統(tǒng)使水體中產(chǎn)生氣泡，增強(qiáng)水流的紊動(dòng)強(qiáng)度及垂向流速，提高水流的挾沙、輸沙能力。通過水槽試驗(yàn)，對(duì)黃河原型沙在氣動(dòng)裝置輔助下的起動(dòng)與輸運(yùn)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)中可明顯看到氣泡向上以及沿水流方向的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)并被水流輸運(yùn)，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(jié)果證明氣動(dòng)沖沙法清淤效果明顯。同時(shí)，針對(duì)小浪底水庫的淤積特點(diǎn)，對(duì)將氣動(dòng)沖沙法應(yīng)用到小浪底水庫的可行性進(jìn)行了分析，并提出了初步方案，可依據(jù)此方案在水庫相機(jī)開展現(xiàn)場(chǎng)示范研究。