姚鵬亮

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

水流挾沙力是指在一定的水流條件及邊界條件作用下，水流能攜帶泥沙通過(guò)河段下泄的沙量[1]。天然河道總是處于沖淤交替的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程中，當(dāng)攜帶泥沙的水流到達(dá)某一河段時(shí)，若該河段的水流挾沙力小于來(lái)水，則會(huì)通過(guò)泥沙落淤進(jìn)行減載，進(jìn)而抬高河床，減少水深，增大比降，河道向不淤積轉(zhuǎn)化，反之，河道向不沖刷轉(zhuǎn)化。采用合適的數(shù)學(xué)模擬公式對(duì)水流挾沙力進(jìn)行計(jì)算，是掌握河流淤積動(dòng)態(tài)演變過(guò)程的重要手段，本文針對(duì)不同挾沙力公式在新疆托帕水庫(kù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 工程概況

恰克瑪克河中下游植被差，洪水季節(jié)，水流匯集過(guò)程中，將中、低山區(qū)第三紀(jì)松散沉積物通過(guò)河網(wǎng)匯流、坡面匯流過(guò)程源源不斷地向下游攜運(yùn)。恰克瑪克河具有水少、沙多的特點(diǎn)，實(shí)測(cè)多年平均含沙量為9.87 kg/m3，為內(nèi)陸河塔里木河的2倍。托帕水庫(kù)庫(kù)沙比Kt為40.9，面臨嚴(yán)重的泥沙淤積問(wèn)題。水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)以下游的恰其噶為參證站，計(jì)算出壩址斷面多年平均徑流量為1.725億m3，多年平均輸沙量為159.1萬(wàn)t，泥沙主要集中在汛期4月～9月，占全年的99%，年際變化大。

2 泥沙顆粒級(jí)配曲線數(shù)據(jù)

2.1 懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線數(shù)據(jù)

本次在恰其嘎水文站實(shí)測(cè)泥沙系列中選擇懸移質(zhì)輸沙量較大的2005年進(jìn)行泥沙顆粒級(jí)配分析，其懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果如圖1所示，主要由粒徑1mm以下的顆粒組成，包括沙、粗粉土、細(xì)粉土和粘土。其中1 mm～0.05 mm沙約占19%，0.05 mm～0.01 mm粗粉土約占47%，0.01 mm～0.005 mm的細(xì)粘土約占15%，0.005 mm以下的粘土約占18%，粒徑較細(xì)，為水流挾帶及排沙創(chuàng)造了有利條件，其干容重為1.30 t/m3[2]。

2.2 河床顆粒級(jí)配曲線數(shù)據(jù)

在托帕水庫(kù)壩址處采用體積法取1 m×1 m×1 m的試坑，對(duì)大于100 mm的顆粒采用尺量法，小于100 mm采用篩析法進(jìn)行床沙顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)，托帕水庫(kù)壩址的床沙顆粒級(jí)配曲線成果見(jiàn)圖2。

圖1 恰其嘎水文站泥沙顆粒級(jí)配曲線

圖2 托帕水庫(kù)壩址附近床沙顆粒級(jí)配曲線

3 挾沙力公式

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)不斷地探索和研究，根據(jù)天然河流、水庫(kù)和渠道的泥沙資料，總結(jié)出適用全部懸移質(zhì)泥沙的經(jīng)驗(yàn)與半經(jīng)驗(yàn)公式。本次選取適用于高含沙量的計(jì)算公式進(jìn)行分析，見(jiàn)表1[3]。以下式中:S*為挾沙力；V為流速；g為重力加速度；R為水力半徑；ρm為渾水密度；ω為泥沙沉速；γs為泥沙顆粒容重；γm為渾水容重；D50為床沙中值粒徑。其他參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水流挾沙力公式列表

4 計(jì)算成果及分析

4.1 成果合理性

采用兩種方法驗(yàn)證水流挾沙力計(jì)算結(jié)果:（1）將計(jì)算值與實(shí)測(cè)含沙量值點(diǎn)繪于同一幅圖中，與45°線進(jìn)行比較。該方法簡(jiǎn)便易行，能直觀地看出各挾沙力公式的計(jì)算成果；（2）相關(guān)系數(shù)法，即:

式中:ρS*，S為水流挾沙力公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)；Cov（S*，S）為水流挾沙力公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值協(xié)方差；D（S*）為挾沙力計(jì)算值方差；D（S）為挾沙力實(shí)測(cè)值方差。

4.2 結(jié)論分析

各挾沙力計(jì)算公式的驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3～圖7。

驗(yàn)證結(jié)果表明，韓其為和涂啟華挾沙力計(jì)算成果較接近。含沙量小于20 kg/m3時(shí)，這兩個(gè)挾沙力公式計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值；含沙量大于20 kg/m3且小于100 kg/m3時(shí)，這兩個(gè)挾沙力公式的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近；含沙量大于100 kg/m3時(shí)，這兩個(gè)挾沙力公式的計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值。含沙量小于30 kg/m3，張瑞瑾[4]的挾沙力公式計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，含沙量大于30 kg/m3時(shí)，該公式計(jì)算成果與實(shí)測(cè)值接近，但是帶寬較大。張紅武[5]公式計(jì)算結(jié)果均勻分布于45°線兩側(cè)，且?guī)捿^小，計(jì)算挾沙力和實(shí)測(cè)含沙量結(jié)果符合較好。

從公式結(jié)構(gòu)分析，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，韓其為[6]與涂啟華[7]均為S*=f（V，h，ω）形式，參數(shù)基本相同，僅系數(shù)不同，所以成果相近。張瑞瑾增加了一個(gè)考慮參數(shù)渾水密度的ρm，計(jì)算值比韓其為、涂啟華更接近實(shí)測(cè)值。張紅武考慮了渾水流速分布相關(guān)的卡門常數(shù)k，考慮了床沙中值粒徑D50，這些變量的引入使張紅武的公式計(jì)算成果更能反映含沙量的真實(shí)值。

圖3 張瑞瑾挾沙力計(jì)算驗(yàn)證圖

圖4 張紅武挾沙力計(jì)算驗(yàn)證圖

圖5 韓其為挾沙力計(jì)算驗(yàn)證圖

圖6 涂啟華挾沙力計(jì)算驗(yàn)證圖

采用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算:張紅武公式的相關(guān)系數(shù)為0.89；張瑞瑾的為0.78；涂啟華的為0.77；韓其為的為0.76。由統(tǒng)計(jì)學(xué)原理可知，相關(guān)系數(shù)越大，表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值越接近。按照相關(guān)系數(shù)進(jìn)行排序，從優(yōu)到劣依次為:張紅武、張瑞瑾、涂啟華、韓其為。綜上所述，張紅武公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)資料符合最好，推薦為托帕水庫(kù)沖淤計(jì)算的水流挾沙力計(jì)算公式。

5 結(jié)論

不同的河道具有不同的特性，天然河流挾沙力問(wèn)題復(fù)雜，考慮到理論研究的局限性，通過(guò)積累太量實(shí)測(cè)得出的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式往往具有更高的精度。托帕水庫(kù)所在的恰克瑪克河含沙量較大，沖淤計(jì)算結(jié)果對(duì)庫(kù)容產(chǎn)生直接影響，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面分析整理至關(guān)重要。本文結(jié)合恰克瑪克河托帕水庫(kù)段具有代表性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)各個(gè)水流挾沙力計(jì)算公式在泥沙沖淤計(jì)算中的應(yīng)用加以驗(yàn)證，結(jié)果表明張紅武20世紀(jì)初提出的公式精度最高，具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。