黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理.doc

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黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理
(黄河下游河道存在巨大的 输沙潜力)

齐 璞 孙赞盈

（黄河水利科学研究院、 河南 郑州 450003)

提要：

本文从黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料，并

结合高含沙水流流变特性分析，得出: 河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同，

均可用曼宁公式进行阻力计算；由于黄河泥沙组成较细，d=0.03-0.10mm ，随着含沙
50
量的增加颗粒的沉速大幅度降低，泥沙在垂线上分布变得更加均匀，当含沙量大于 200

多 kg/m 3以后发生改变；从泥沙存在对水流结构，流速在垂线上的分布特性上分析，含

沙量 200kg/m 3左右时输送最困难，并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大，粗

颗粒泥沙在河道中也能顺利输送，洪水期实测含沙量可达 800 ～900 3
kg/m ，表现出高

含沙水流的高效输沙特性；黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为 200kg/m
3，

在流量 2000-3000m
3/s 高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的 时，

主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。

引言

从水流挟沙能力的概念看，水流条件是主导，挟沙能力的大小由
水流条件的强弱决定。然而在黄河洪水实测含沙量范围内，由于流体 中细颗含量的增大，使得流体性质发生了变化，引起水流挟沙能力发 生变化。在含沙浓度达到一定数值后，形成一种新的浆体，流体特性 与挟沙能力均发生质的变化，泥沙的输移反而变得更加容易，只要克 服 阻 力 即 可 长 距 离 顺 利 输 送 。黄 河 高 含 沙 水 流 高 效 输 沙 特 性 就 属 于 這
种情况。

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1. 高含沙水流的阻力特性

在充分紊流区与清水阻力规律相同， 见表 1 给出的黄河小浪
底 水 文 站 高 含 沙 洪 水 与 低 含 沙 洪 水 阻 力 变 化 表 明 ，在 含 沙 量 变 化 在 5 5
至 843kg/m3 的 范 围 内 ， 曼 宁 系 数 基 本 相 同 ， 其 平 均 值 高 含 沙 洪 水 为

作 者 简 介 ： 齐 璞 （ 9－），男，北京人，高级工程师（教授级），主要从事河床演变与泥沙 1 42
输移、高含沙水流输沙、河型转化、水库泥沙多年调节、河道整治等方面研究。

0 .4 ， 低 含 沙 洪 水 为 0 .3 ， 高 含 沙 洪 水 阻 力 略 大 于 低 含 沙 洪 水
01 09
的 阻 力 的 主 要 原 因 是 流 速 仪 本 身 性 能 造 成 的 。其 阻 力 可 用 曼 宁 公 式 进
行 水 力 计 算 , 阻 现 象 只 发 生 在 层 紊 流 过 渡 [1]， 要 是 阻 力 表 达 形 式 不
减 主
合理造成的。

表 1小浪底站高、低含沙洪水曼宁系数 n值比较
注：表中的 Q S H和 n分别为流量、含沙量、平均水深和曼宁糙率 、、
2. 含沙量变化对含沙浓度垂线上分布特性的影响

水流中含沙量的增大，细颗粒含量的增加，一方面引起流体粘性
增 加 ， 另 一 方 面 使 流 体 容 重 增 大 [2]。 因 而 会 使 粗 颗 粒 的 沉 速 大 幅 度 降 低，甚至形成不分选泥浆。从黄河主要干支流，黄河下游花园口、夹 河滩、高村、孙口、艾山、泺口，渭河下游华县、华阴与北洛河下游
朝 邑 9 个 水 文 站 ， 共 96 组 次 实 测 流 量 、 输 沙 率 原 始 记 录 资 料 可 知 ，
在 泥 沙 组 成 d 5 0 ＝ 0 . 0 3 ～ 0 . 1 0 m m 时 ，相 对 水 深 0 . 2 与 0 . 8 的 测 点 含 沙 量
的 比 值 K s = s 0 . 2 / s 0 . 8 与 断 面 平 均 含 沙 量 间 的 变 化 情 况 表 明 ，在 含 沙 量 约
在 200kg/m3 以 下 时 ， 尽 管 水 流 的 Fr 很 大 ， 达 0.2 以 上 ， 但 含 沙 量 在
垂 线 上 分 布 仍 不 均 匀 ， Ks 值 只 0.4 至 0.8， 详 见 图 1。 绘 制 图 1 的 全
部 资 料 列 入 附 表 1，包 括 实 测 流 量 、河 宽 、断 面 平 均 水 深 ，平 均 流 速 ， 平 均 含 沙 量 ，相 对 水 深 0 . 2 与 0 . 8 时 的 测 点 含 沙 量 与 相 应 的 测 点 流 速 ，
断 面 平 均 的 水 流 沸 劳 德 数 ，悬 沙 平 均 粒 径 ，实 测 垂 线 数 ，总 测 点 数 , 可
供进一步分析研究。

由 图 1 可 知 ， 在 含 沙 量 小 于 200 多 kg/m3 时 ， Ks 值 在 0.4～ 0.9 之
间 ； 在 含 沙 量 大 于 200 多 kg/m3 以 后 ， 含 沙 量 在 垂 线 上 分 布 变 得 很 均 匀 ， Ks 值 在 0.9～ 1.0 之 间 。 在 含 沙 量 200kg/m3 时 ， Ks=0.5～ 0.9， 当

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Ks 取 0.6 时 ， 底 部 含 沙 量 约 333kg/m3； 而 在 含 沙 量 300kg/m3 时 ，
Ks=0.9～ 0.98， 当 Ks 取 0.9， 底 部 含 沙 量 333kg/m3， 由 此 可 见 垂 线 平
均 含 沙 量 虽 然 由 200kg/m3 增 加 到 300kg/m3，但 底 部 含 沙 量 并 不 增 加 ，
显示出黄河高含沙水流特性。造成上述悬沙分布特性的主要原因，是
水 流 中 含 沙 量 的 增 加 ，引 起 流 体 的 粘 性 大 幅 度 增 大 和 容 重 增 加 及 水 流 紊 动 共 同 作 用 的 结 果 。其 中 流 体 性 质 的 变 化 对 输 移 的 影 响 可 用 下 列 方
法分析。

图1 相 对 水 深 0 .与 0 .测 点 含 沙 量 比 值 k 与 含 沙 量 关 系
2 8 s

当沉速选用斯托克斯公式，则清、浑水的相对沉速可写成：

w 0 / w s = (g


s
-1/g


s
-g


m

)m r

式中


0


和


s


分 别 为 泥 沙 颗 粒 在 清 水 和 浑 水 中 沉 速 ， rs 和 rm 分 别

为泥沙颗粒的比重和浑水的容重。 为浑水的刚度系数 和清水的粘
r
滞 系 数 的 比 值 。随 着 含 沙 量 的 增 加 ， 值 增 大 ，颗 粒 在 浑 水 中 的 沉 速
r
大 幅 度 降 低 。 当 d50＝ 0.036mm, d<0.01mm 的 含 沙 量 占 20%时 (相 当 于
黄 河 平 均 泥 沙 组 成 )， 计 算 给 出 平 均 泥 沙 组 成 和 实 测 悬 沙 组 成 r 值的

变化，和平均泥沙组成的含沙量与

0/


s
值 间 的 关 系 见 表 2。

表2 含沙量对沉降特性的影响
含 沙 量0 100 200 300 400 500 600 700 800 备 注
(kg/m3)

mr 1.0 1.49 2.08 2.74 3.48 4.32 5.40 沙 组 平 均 泥 6.93 9.33 (
成)
1.0 1.50 2.0 3.0
2.4 4.0 4.50 6.50 测 泥 沙 组 ( 实 8.50
成)

w0/ s w 1.0 1.55 2.25 3.09 4.10 5.32 6.97 9.38 13.4

从 表 中 给 出 的 计 算 成 果 可 知 ，随 着 含 沙 量 的 增 加 ， 0/ s 值增大，
颗 粒 在 浑 水 中 的 沉 速 大 幅 度 降 低 ，在 含 沙 量 3 0 0 k g / m 3 时 ，浑 水 中 沉 速

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