一维非饱和不平衡输沙异重流数学模型研究与应用

提出采用一维非饱和不平衡输沙异重流数学模型于水库泥沙淤积计算,模型考虑每一断面不一定刚好等于其水流挟沙力、不一定处于饱和状态,以及冲淤过程中悬移质粒配河床粒配的变化。用此数学模型对黄河潼关到三门峡水库泥沙冲淤进行了计算,通过分析可知该模型是可靠的。     

低压浑水管道输沙规律研究及水流挟沙力计算

【目的】确定输水工程适宜运行的水力条件。【方法】以巴音沟河流域输水工程为研究对象,通过数值模拟的方法研究不同泥沙质量浓度、压力条件下浑水管道输沙规律及水流挟沙力特性。【结果】(1)管道断面垂向泥沙质量浓度分布受压力、体积含沙量及管径等因素的影响;当压力及管径较小时,泥沙淤积厚度为6.3～8.0 mm,压力及管径较大时,在Y=-0.07区域以下淤积较多,淤积厚度达到8.6～9.4 mm;(2)同一管径及流速下,随着体积含沙量的增大,该区域流速梯度增大,最大增幅为14%;(3)随着水流速度增大,水流挟沙力增大,悬移质质量浓度也越大,但是悬浮指标逐渐变小。【结论】在低压浑水管道中,管径越大、泥沙质量浓度越大、压力越小,水流挟沙力越小,泥沙越容易淤积。     

引黄灌区非均匀沙的输送机理研究

非均匀沙输送机理是实现灌区泥沙合理配置与利用的关键技术之一。采用山东簸箕李灌区近20年来的泥沙观测资料,分析悬移质在渠道中的运动、冲淤规律。由于不同粒径的泥沙在水流中运动方式和沉积特点不一样,将非均匀沙按粒径粗细分组,研究了不同粒径泥沙的起动与止动、沉降与悬浮的差异,统计分析了分组沙的输沙能力、沿程衰减规律和上限平衡含沙量。结果表明,粗颗粒泥沙对流量因素敏感,若要使更多的粗颗粒泥沙实现长距离输送,应提高水流流速;细沙对流量因素的敏感度较粗沙小,同时挟沙力随细颗粒含量的增加而明显提高。     

镫口扬水灌区输水干渠来沙特性解析

内蒙古镫口扬水灌区是内蒙古自治区的大型灌区,近年来渠道泥沙淤积严重,严重影响灌区灌溉运行。【目的】探明水沙条件与渠道淤积之间的关系,保障灌区的正常运行,提高灌区灌溉水利用效率。【方法】在取水口,通过对灌水期前后测定水位来确定淤积厚度以及对泵站进水口泥沙野外监测及采样分析,并测定了流速及流量,室内分析了泥沙颗粒级配及特性等,综合分析确定了取水口来沙特性。【结果】由于停泵时间长、水流含沙量高,第1和第4灌水期前,泵站进水口前泥沙淤积厚度最厚;同时,由于泵站运行的抽吸作用,进入总干渠的泥沙量也最多,近80%以上为粒径小于50μm的细砂,只有约20%为泥沙粒径大于50μm的粗砂。泵站运行流量越大,停水时取水口淤积厚度越小,进入渠道的泥沙越多。在来水来沙条件不变的情况下,取水口淤积厚度受停泵时间影响,与停泵时长成正比;随着泵站的运行,在一定的含沙量下,存在一定的渠道不冲不淤临界流量。【结论】因此在缓减干渠淤积方面需要有特定的工程和管理措施。     

多沙水库非恒定水沙动床数学模型研究

通过选取水流挟沙力、动床糙率等计算公式,考虑河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟,并着重克服以往数模取恢复饱和系数小于1等理论上的不足,使准二维非恒定水沙动床数学模型在计算多沙水库的水沙运动时符合天然实际,定量结果更为可靠。然后,利用典型水库——黄河三门峡水库1994~1999年实测水沙系列及相应资料,对数学模型进行验证计算,以便该数模能够正确模拟原型泥沙冲淤变化、水位变化、泥沙级配变化、含沙量沿程变化、河床形态调整变化等规律。     

引黄灌区首部枢纽泥沙输移特性与流速试验研究

为了探究引黄灌溉枢纽挟沙水流沿程含沙量变化规律和悬移质泥沙的垂向分布规律,推求首部枢纽有害泥沙悬浮的临界不淤流速,阐明减少有害泥沙引入的措施与方法,以提高输配水利用效率.以山西尊村灌区为主要研究对象,通过对一级站首部枢纽2019年5—7月取黄河水样及工况、断面流速、水深、水面宽度数据监测,分析了泥沙含量、沉起流速,采用...     

镫口扬水灌区总干渠悬移质泥沙特性研究

对总干渠各断面不同灌水周期和流量下悬移质泥沙进行采样,分析了总干渠悬移质泥沙量沿程变化及颗粒级配,计算了不同粒径泥沙的沉速和起动流速。结果表明,总干渠的悬移质泥沙80%以上为粒径小于0.062mm的冲泻质,除第一灌水周期初始开泵外,悬移质泥沙量沿程基本保持不变,且在大流量下略有增加,含沙量大小与流量相关,悬移质泥沙计算起动流速小于实测流速。因此,悬移质泥沙在正常灌水情况下会被水流输移到下游,在总干渠不发生沉积;而防治大颗粒的推移质泥沙在渠道淤积才是解决总干渠泥沙问题的关键所在。     

洪水期悬移质日平均输沙率计算方法的分析研究

《水文资料整编规范》中所给的在流量和含沙量变化较大的情况下的2种悬移质日平均输沙率的计算方法均是近似计算方法,计算成果含有误差,直接影响流域侵蚀、灌区淤积研究和天然河道、灌溉渠道冲淤分析等成果的精度。提出的“积分法”可以消除近似计算方法所带来的误差,得到精确的悬移质日平均输沙率计算结果,解决了长期以来计算方法存在误差的问题,为下次规范的修改制订提供参考。     

新疆卡拉贝利水库泥沙二维数学模型坝前冲刷计算初探研究

新疆南疆地区水库由于建库初期蓄水运行,库容快速淤损,虽然改变了运用方式,库区仍淤积严重。结合实际工程以水流运动方程及经过作者修正的泥沙运动方程为基础,同时引入与实测资料相符合的水流协沙力、动床阻力、泥沙级配等计算公式作为补充方程,构造出新疆卡拉贝利水库泥沙淤积二维数学模型,运用该模型对卡拉贝利水库进行坝前冲刷计算初探研究,并进行了模型验证,以达到模拟水库泥沙淤积的目的。     

簸箕李引黄灌区水沙运行规律分析

通过对簸箕李引黄灌区水沙运行的观测，引水沉沙的季节变化，水流含沙量在渠道中的运行情况及泥沙淤积的沿程分布方面进行了分析探讨，得出了水沙运行的基本规律。灌区引水、引沙量、条渠泥沙淤积量随季节的不同变化较大；条渠拦沙作用是随着清淤年初期到清淤年末期逐渐减弱的，其进口与出口含沙量存在一定的函数关系；条渠内泥沙淤积主要表现为溯源淤积。     

复式断面渠道渠系水利用系数测算方法研究

【目的】研究采用复式断面渠道的灌区渠系水利用系数更精确地测算方法。【方法】采用动水测定法测定了渠道各断面水力要素,之后通过修订后的戴维斯-威尔逊公式和考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得研究区域复式断面渠道渠系水利用系数,对比分析了各渠道水损失以及渠系水损失量。【结果】动水测定法更适合不断流复式断面渠道水力要素的测算;采用标准梯形断面渠道衬砌的方式渠道损失最小;考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得灌区渠系水利用系数为0.75,而戴维斯-威尔逊公式求得灌区渠系水利用系数为0.82,更加接近实际值0.86,精确度提高了9.5%。【结论】由于占地、开挖等影响因素,灌区渠系衬砌后多形成复式断面渠道,灌区渠道衬砌优先采用标准梯形断面衬砌方式。对于这类渠系工程,动水测定方法明显优于典型渠道测量方法,戴维斯-威尔逊公式也更适用于复式断面渠道的渠系水利用系数的测定。     

引黄灌区浑水管道输水临界不淤流速分析与计算

为了解决引黄灌区浑水管道输水灌溉工程中泥沙淤堵问题,合理确定临界不淤流速,用试验沙样和清水配制了6组不同含沙量的浑水水样,在4种规格管径的管道中进行了浑水管道输水临界不淤流速试验．分析了浑水含沙量、输水管径、泥沙密度和颗粒粒径对临界不淤流速的影响．结果表明:当管径和泥沙密度不变时,临界不淤流速随含沙量的增大而增大;当含沙量和泥沙密度不变时,临界不淤流速随管径的增大而增大;泥沙密度和粒径对临界不淤流速影响也很明显,特别是泥沙颗粒的上限粒径(d90或d95),一般最先沉降到管底的是粒径比较大的泥沙颗粒．同时,基于泥沙悬浮效率系数和悬浮泥沙能量耗损的角度,建立了临界不淤流速计算公式;利用试验数据,确定了泥沙悬浮效率系数计算方法;经试验并比较了临界不淤流速的实测值与计算值,两者之间的最大误差为2958％．     

引黄灌区侧向取水口泥沙淤积和入渠特性

以内蒙古磴口引黄扬水灌区为研究对象,根据4个灌水期泵站开、停泵时取水口前的泥沙淤积厚度以及运行期间取水流量和入渠含沙量的检测结果,研究了取水口泥沙淤积特性和入渠特性.结果表明,流速比和取水口分流宽度是影响泥沙入渠的主要因素.流速比越小,取水口分流宽度越大,横向环流作用越强,推移质入渠量越大.侧向取水的泵站,取水主流区偏向下游,当流速比增大时,取水主流区更偏向下游.在平面回流和横向环流的共同作用下,取水口推移质入渠量呈现下游大于上游的分布.取水口前设置拦沙坎可以有效地阻止推移质入渠,拦沙坎顶部设在距自由水面1.6 m以下,既可以极大地减少泥沙入渠,又可以获得较好的水流流态,防止水泵空化、气蚀.     

“改排为蓄”和“覆沙改良”整治前后盐碱地微观结构研究

【目的】从微观层面研究不同治理措施整治前后盐碱土结构变化,土壤结构与土壤性质相互作用,微结构变化对土壤性质的改善作用。【方法】对渭南市富平县褚原村"对流弥散"和"覆沙改良"试验小区的原状土进行采集,采用扫描电镜及能谱仪对采取"改排为蓄"和"覆沙改良"法整治前后的盐碱土进行微观形貌观测和元素组成分析。【结果】整治前盐碱土板结较严重,孔隙结构差,经淡水洗盐并经合理蓄水处理后的盐碱土颗粒变小,结构上呈片层状,利于水盐向下运移并有利于阻止返盐,"覆沙改良"法随着覆沙厚度的增加(5～15 cm),非毛管孔隙增多,土壤孔隙结构逐渐改善。【结论】对比"改排为蓄"和"覆沙改良"法整治后盐碱土微结构,"覆沙改良"法使土壤结构发生的变化较大。     

偏心文丘里流量计的试验与数值模拟

【目的】克服传统的文丘里流量计用于低压管道输水灌溉系统测流时上游侧容易产生淤积的问题。【方法】以直管段管径DN100、缩径比为0.35的偏心文丘里管为例,分别进行了实际测流试验及基于FLOW-3D的数值模拟研究,并对偏心文丘里管压力差及流出系数进行了对比分析。【结果】数值模拟的流出系数与试验流出系数基本一致,利用FLOW-3D进行偏心文丘里流量计模拟分析是可行的;偏心文丘里流量计流出系数的相对误差小于5%,能满足低压管道输水灌溉量水要求。【结论】偏心文丘里流量计在低压管道输水灌溉量水领域有较好的应用前景。     

黄河河龙区间洪水泥沙关系分析

【目的】深入了解近年来黄河泥沙变化规律,保障引黄工程的安全运行。【方法】对2006—2015年黄河吴堡、龙门水文站洪水特征资料进行了分析研究,【结果】月最大含沙量大于10 kg/m~3时段集中在3月桃花汛和汛期(6—9月),汛期泥沙量远大于3月水平,同期龙门站最大含沙量水平高于吴堡站;洪水过程径流总量与含沙量相关性并不显著;河龙区间上下游泥沙输移过程存在一定相关性,但龙门站较吴堡站更多呈现自然河道属性。【结论】黄河突发增沙原因不只局限于洪水激增,黄河调水调沙等人类活动对水流携沙突增影响不容忽视。不同水文站局部性暴雨所形成的短历时增沙现象的水文系列过程呈现随机性。     

手摇清洗网式过滤器水力性能试验研究

【目的】测试手摇清洗网式过滤器性能,为微灌过滤器的选型提供技术支撑。【方法】针对A(AZUD)和B(ARKA)2种常用型号手摇清洗网式过滤器,通过清水试验,获得了清洁压降曲线;通过含沙水试验,分析对比了2种过滤器在不同流量和含沙量条件下的过滤效果;针对B型过滤器开展了排污效果试验,验证了手摇清洗网式过滤器清污能力。【结果】手摇清洗网式过滤器的清洁压降曲线符合幂函数关系;水头损失随流量和含沙量的增大逐渐增大;流量对水头损失的影响较对堵塞程度的影响更明显,含沙量对堵塞程度的影响与对水头损失的影响相当。清水试验时,2种过滤器水头损失均小于2 m;含沙水试验时,过滤器在流量为30 m³/h、含沙量为0.08 g/L时拦沙量较大,对0~200μm小颗粒的拦截效果更优;A型过滤器水头损失变化更均匀、拦沙量更多,B型过滤器水头损失和堵塞程度变化更缓慢、过滤周期更长。B型过滤器在排污清洗后可以达到初始的滤网清洁程度,水头损失变化规律与清洗前基本一致。【结论】手摇清洗网式过滤器水力性能和过滤性能表现优异,实际应用时可根据不同的灌水需求和水源条件选型使用。     

关于浑水管道输水系统临界不淤流速的试验研究

我国北方渠灌区多以多泥沙河流为水源,管道淤堵问题是影响管道输水灌溉技术在渠灌区推广应用的制约因素之一。而解决浑水管道泥沙淤堵问题的关键在于其临界不淤流速的确定。根据我国浑水渠灌区泥沙特点和运行实际,以泥沙运动力学为理论基础,利用管道输水试验系统,对不同含沙量下的临界不淤流速进行了系统试验研究,得出临界不淤流速经验公式,为浑水渠灌区管道输水系统防淤堵提供了理论依据。     

河南轻质土壤畦灌水肥耦合技术参数试验研究

水肥耦合是当前我国农业灌溉施肥技术发展的趋势,近年来与高效节水灌溉技术结合发展迅速,然而,畦灌水肥耦合技术的研究相对落后,无法满足我国当前和近期相当长一段时期内的农业节水节肥发展需求。【目的】要探索地面灌溉水肥一体化节水节肥适宜参数。【方法】以河南轻质土壤为例,开展了畦灌水肥耦合试验研究,探索畦灌随水施肥模式下的节水节肥和灌水施肥质量控制的适宜参数。【结果】对于畦灌,50 m以内的畦长可获得较好的灌水质量,间隔灌溉方式灌水质量最好,从不冲不淤以及灌水质量综合考虑,入畦单宽流量宜小于1.98 L/(m·s),畦长小于35 m时,间隔加肥下,N和K的施肥均匀度均在80%以上,N和K的储肥率均在85%以上,连续加肥下,N和K的施肥均匀度分别在80%、45%以上,N和K的储肥率均在80%以上。【结论】从灌水施肥综合效果来看,轻质壤土畦灌的畦长不宜大于35 m,入畦单宽流量控制在1.98 L/(m·s)左右,施肥方式宜采取间隔加肥方式。     

广利灌区总干渠水质及氮磷污染初步评价

【目的】针对灌区绿色发展面临严峻挑战和水环境不断恶化等问题,探究广利灌区总干渠水质及氮磷污染现状及其对灌区水环境的影响,进一步提出灌区水环境问题解决建议。【方法】于2019年6—12月,在灌区内总干渠中选取具有代表性的6个断面,进行了6次水质监测,测定水体中的总氮(TN)、总磷(TP)、COD_Cr和BOD₅等反映水质和氮磷污染的基本指标。采用适用于我国河流水质综合评价的综合水质标识指数法和富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式对河流水质及富营养化情况进行评价。【结果】①广利灌区86%的水体水质能满足Ⅴ类农业水域功能区的用水要求,且综合水质标识指数随时间和空间变化显著,7月66.7%水体处于劣Ⅴ类水标准,在三号闸和补源进水口取样点出现了黑臭水体。②广利灌区水体富营养化严重,灌区内水体100%处于富营养状态,富营养化评价综合指数(EI)峰值出现在7月补源进水口处(80.5),且41.6%的水体处于重富营养化状态。③TN平均质量浓度为5.30 mg/L,为地表水Ⅴ类水标准的2.65倍,TP平均质量浓度为0.156 mg/L,氮、磷比为33.97∶1,适宜藻类生长。【结论】广利灌区总体水质可满足农业功能区用水要求,但富营养化水平较高,尤其是氮污染严重,灌区内的原生态土渠和水生植物使河流具有良好的自净能力,能发挥其生态功能作用。因此,建议加强灌区内入河水体的污染控制尤其是氮磷污染的监测;同时渠道衬砌要考虑生态环境、配比生态衬砌和原生态土渠、河道搭配水生植物,进而对河水中的氮磷等污染物进行吸附,以改善灌区水环境。