港上水位臺(tái)連通管淤積量計(jì)算分析

邢亞 萬永智 吳成秋

摘要 港上水文站測驗(yàn)河段處在沂河下游段，河段內(nèi)泥沙含量較大，歷史上淤積嚴(yán)重，給水位臺(tái)連通管設(shè)計(jì)帶來困難。為此，計(jì)算了連通管泥沙淤積量，分析了泥沙淤積位置，為連通管的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 連通管；淤積；分析

中圖分類號(hào)：TV147 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）04-027-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.04.010

Abstract The tested river reach of Gangshang station was located in the lower reach of Yi River. The sediment content in the river reach was large and silted up seriously in history， which brought difficulty to the design of connected pipe of Gangshang station water table. In order to provide a basis for the design of the connected pipe， the silting amount in connected pipe was calculated and the silting position was analyzed.

Key words Connected pipe； Silting； Analysis

水位臺(tái)是獲取水位信息的重要設(shè)施，多年來，水位臺(tái)為水文測驗(yàn)發(fā)揮了極其重要的作用。但水位臺(tái)測井及連通管的淤積問題一直困擾著水文人。港上水文站測驗(yàn)河段處在沂河下游段，河段內(nèi)泥沙含量較大，歷史上淤積嚴(yán)重，給水位臺(tái)連通管設(shè)計(jì)帶來困難。為此，筆者計(jì)算了連通管泥沙淤積量，分析了泥沙淤積位置，為連通管的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 沂河和港上河段水流沙概況

沂河發(fā)源于山東沂蒙山的魯山南麓，流入駱馬湖，全長333 km，流域面積11 820 km2。沂河流域是山東省降水較多的地區(qū)之一，流域多年平均年降水量為849.1 mm，流域多年平均年徑流深為326.3 mm，折合年徑流量為35.1億m3。流域北部為魯沂山區(qū)，西北部為泰沂山區(qū)，地形西北高，東南低。從河源至跋山水庫96.7 km，大部分為山區(qū)，海拔高程300～800 m；以下至東汶河口，多為丘陵及高地，海拔高程100～300 m；東汶河口以下向平原過渡；臨沂以下進(jìn)入平原，地面高程由70 m逐漸下降，坡降1/2 000～1/3 000。從河源到臨沂219 km為山丘區(qū)，臨沂至駱馬湖114 km為平原區(qū)。

沂河上游水流湍急，暴漲暴落，水土流失較嚴(yán)重，下游水流平緩，泥沙淤積河床。沂河多年平均入湖徑流量36.06億m3，1964年最大徑流量達(dá)65.8億m3，1968年最小徑流量8.5億m3。根據(jù)臨沂水文站實(shí)測資料，建國以來以1957年洪水最大，洪峰流量為15 400 m3/s。沂河上游地區(qū)，山高坡陡，水土流失嚴(yán)重，據(jù)臨沂水文站1954—1967年和1971—1979年實(shí)測資料，多年平均懸移質(zhì)含沙量為3.10 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為439萬t。

港上水文站在沂河入駱馬湖河口上游41.3 km處，上游距山東省界5 km，屬平原區(qū)的中游段，控制流域面積10 552 km2。建站以來1974年最大流量6 380 m3/s、最高洪水位35.37 m。1997年8月實(shí)測最大水位漲速為10 min漲幅1.08 m，最大1 h漲幅3.15 m，實(shí)測最大流速3.5 m/s。

2 連通管淤積量計(jì)算

連通管淤積量與含沙量、次洪水漲幅、測井橫斷面面積及行洪頻次有關(guān)。

每次行洪有起漲、洪峰和退水過程。河水起漲階段河道渾濁水進(jìn)入連通管（測井），退水時(shí)清水從連通管中流出。整個(gè)過程，泥沙大量沉積在連通管或測井中。連通管（測井）次洪水泥沙沉積量計(jì)算公式如下：

Ws=（H2-H1）×Ss×Ao（1）

式中，Ws為次洪水泥沙沉積量；H1為次洪水起漲水位；H2為次洪水洪峰水位；Ss為次洪水起漲階段平均含沙量；Ao為測井面積，港上測井直徑φ=1.0 m，Ao=0.785 m2。

此次計(jì)算摘錄了港上水文站2000—2009年9年洪水的資料，共24次，計(jì)算累計(jì)連通管泥沙淤積量38.69 kg。摘錄次洪水的洪峰流量大于1 000 m3/s，小洪水因流速小、水位差小、含沙量小，產(chǎn)生的淤積量也小，沒有逐次摘錄計(jì)算。為了彌補(bǔ)小洪水產(chǎn)生的泥沙淤積量，把次洪水起漲階段平均含沙量取最大含沙量，該計(jì)算結(jié)果用于測井和連通管設(shè)計(jì)較為安全。

3 連通管淤積分析

當(dāng)連通管足夠長，大量泥沙會(huì)沉積在連通管中；當(dāng)連通管短到一定程度，大量泥沙會(huì)沉積在測井中。根據(jù)港上水位臺(tái)連通管結(jié)構(gòu)，對(duì)連通管泥沙淤積進(jìn)行分析。

3.1 港上水位臺(tái)連通管結(jié)構(gòu)

為了使泥沙不淤積在測井內(nèi)或不容易清淤的連通管段，同時(shí)考慮降低造價(jià)，港上連通管設(shè)計(jì)成7段（圖1）。①進(jìn)水段：直徑300 mm，長度2.0 m。該段最容易淤積，為便于清理，不宜設(shè)置太長。當(dāng)河道流速大時(shí)在管口處容易出現(xiàn)渦流，增加淤積速度。為了盡可能出現(xiàn)單一流向，該段連通管不宜直徑太大。②沉沙井：直徑1 000 mm豎向直管，高度2.0 m，用于泥沙沉積和清理。③連通管：直徑800 mm橫向直管，長度4.0 m，該段為沉沙段，將顆粒細(xì)小的泥沙沉積在該段，由于兩端有豎向粗管，且該段直徑大、距離短，所以便于清理。④沉砂井：直徑1 000 mm豎向直管，高度2.0 m，用于泥沙清理和進(jìn)一步沉積細(xì)顆粒泥沙。⑤連通管：直徑300 mm，長度100 m。該段是整個(gè)連通管中最長的一段。經(jīng)過前幾個(gè)階段泥沙的沉淀，此段已經(jīng)沒有泥沙沉積，長度由測井距中泓距離決定。⑥檢查井：直徑1 000 mm豎向直管，高度4.0 m，用于檢查人員進(jìn)入測井，檢查測井底部情況。⑦連通管：直徑800 mm，長度10 m，是一個(gè)從檢查井到測井底部的通道。

3.2 不淤流速和泥沙沉降速度

當(dāng)水流處于紊流狀態(tài)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)作三維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流速大到一定程度時(shí)，泥沙顆粒在紊流狀態(tài)下的水質(zhì)點(diǎn)作用下運(yùn)動(dòng)，不受重力作用運(yùn)動(dòng)，泥沙不會(huì)下沉，這時(shí)的流速叫不淤流速。小于不淤流速，水流的紊亂性減小，泥沙的重力是主要作用力，泥沙在水中下沉，產(chǎn)生淤積[1]。不淤流速主要取決于含沙量和斷面水利要素，借用不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，見式（2）。

V不淤=C0Q0.5（2）

式中，Q為流量；C0為不淤流速系數(shù)，與流量和過水?dāng)嗝鏍顟B(tài)有關(guān)，取近似值0.4。

泥沙在水中下沉的速度叫泥沙沉降速度。泥沙沉降速度與含沙量、泥沙顆粒大小、巖性等因素有關(guān)，在渠道中，黃河流域試驗(yàn)近似值0.008 5～0.320 0 m/s。

3.3 各段連通管流速及水流通過時(shí)間計(jì)算

連通管流速計(jì)算公式為：

AoVo=AiVi（3）

式中，Vo為洪水位上漲速度；Ai為各段連通管斷面面積；Vi為各段連通管流速。為了簡化計(jì)算，取Vo最大1 h漲幅3.15 m，即0.000 875 m/s。各段連通管流速及水流中某一質(zhì)點(diǎn)通過各段連通管所需時(shí)間見表1。

3.4 連通管淤積計(jì)算

連通管流量（AoVo）為0.000 69 m3/s，不淤流速為0.026 m/s，對(duì)比表1流速，各段連通管的流速均是淤積流速。取泥沙沉降速度最小值0.008 5 m/s分析連通管的泥沙淤積。泥沙在某一段連通管下沉距離用式（4）計(jì)算。

L=V沙T（4）

式中，L為泥沙在某一段連通管下沉距離；V沙為泥沙沉降速度，取最小值0.008 5 m/s。T為水質(zhì)點(diǎn)通過某段連通管的時(shí)間。當(dāng)L大于連通管內(nèi)直徑時(shí)，泥沙沉積在本段連通管內(nèi)，否則泥沙沉積在以后的連通管內(nèi)。

①進(jìn)水段：水質(zhì)點(diǎn)通過時(shí)間是206 s，泥沙沉降距離為1.75 m，大于連通管直徑0.3 m，也就是說所有泥沙全沉積在①進(jìn)水段連通管中，往后的各段連通管淤積不必分析。

4 結(jié)論

（1）筆者一直認(rèn)為港上水文站河段淤積嚴(yán)重，經(jīng)過計(jì)算分析可知淤積并不嚴(yán)重。淤積有所減輕可能是由于近年來上游河道多級(jí)攔蓄，泥沙大量被攔截，含沙量大大減少。

（2）可以基本明確泥沙淤積位置在進(jìn)水口附近。另外，水體具有壓力傳遞的特點(diǎn)。洪水起漲的開始階段測井內(nèi)進(jìn)入的水是連通管原來儲(chǔ)存的清水，如果連通管的容量足夠大，河道內(nèi)的渾濁水不會(huì)到達(dá)測井，測井不會(huì)淤積。

（3）該文提供了一個(gè)連通管泥沙淤積簡化計(jì)算方法，簡單易行，能為測井、連通管設(shè)計(jì)提供很大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 房寬厚.河海大學(xué)農(nóng)田水利工程系.農(nóng)田灌溉排水技術(shù)進(jìn)展[J].河海科技進(jìn)展，1991（4）：22-28.

責(zé)任編輯：鄭丹丹