河水滴灌重力沉沙过滤池物理试验研究

农业高效节水技术在新疆地区发展很快,但作为主要供水水源的地表水含沙量较高,影响了该技术的广泛推行。为此,需要研究能有效处理地表水泥沙、满足滴灌水质要求、投资相对较少的除沙装置,河水滴灌重力沉沙过滤池比较好地解决了这一问题。以河水滴灌重力沉沙过滤池为研究对象,通过物理试验研究沉淀池长25 m,侧向溢流堰长分别为5、3、2 m的沉沙过滤池除沙效果,结果表明:在沉淀池长25 m的工况下泥沙总处理效率可达50%以上,侧向溢流堰长度选取3 m比较合适,满足出池水质要求的进口最大含沙量约为1.5 kg/m~3。     

圆中环沉沙排沙池溢流堰结构优化试验研究

圆中环沉沙排沙池是一种新型的二级泥沙处理设施。根据原有的与圆中环沉沙排沙池有关的基础理论和试验数据可知,环内泥沙沉降与环内流速成反比;因溢流堰越长,平均流速越小,故溢流堰长是圆中环沉沙排沙池有利于沉沙的重要原因。为减小环内平均流速,增加溢流堰长度,对原有的圆中环沉沙排沙池物理模型进行结构优化:将原有的光滑圆环溢流堰调整为迷宫堰,以增加溢流堰长度,减小环内水流流速,提高其沉沙效率。试验结果表明:迷宫堰式溢流堰长是原堰长的1.48倍,流速减小,有利于环内泥沙沉降。     

位山灌区重力沉沙过滤池泥沙运动规律分析

本文以位山灌区为例,采用模型试验法,对重力沉沙过滤池的泥沙运动规律进行了对比分析。结果表明:含沙量沿程呈"快速下降—缓慢稳态下降—回升"的变化特点,底层含沙量1/2水深处含沙量表层含沙量;溢流堰越长,含沙量脉动现象越明显,溢流堰长3m时的堰前含沙量最小;沉淀池越长,同一水深层面处的含沙量越小;当沉淀池长20m、溢流堰长3m时,沉降截沙效果最佳,此时粒径大于0.1mm的泥沙大部分沉积于沉淀池内;溢流堰可以向沉淀池方向稍微移动一定距离以防止旋流、回流再次搅动泥沙。研究成果对于灌区的沉沙过滤池设计具有一定的指导意义。     

溢流槽对沉沙池溢流堰长度的影响分析研究

通过在沉沙池溢流堰区加设溢流槽对传统沉沙池进行了改进,以增加沉沙池溢流堰有效长度,降低出池水流含沙量;在模型试验基础上,分析了溢流槽对溢流堰长度的影响关系,得出了溢流槽长度与溢流堰水头之间的定量关系式,经实测资料验证,该关系式实测值和计算值符合较好,可以用于实际工程溢流槽的设计;为了验证理论分析和模型试验结果,开展了传统沉沙池和改进后沉沙池泥沙沉降的原型对比观测试验,结果表明:在沉沙池溢流堰区加设溢流槽后,沉沙池末端淤积泥沙中细颗粒所占比重大于传统沉沙池,同时末端水流含沙量明显小于传统沉沙池,充分说明溢流槽对提高沉沙池泥沙沉降效果的作用.     

基于CCHE模型的重力沉沙池水沙数值模拟

为了研究重力沉沙池流量、含沙量与水沙分离效率的关系,借助CCHE软件,建立CCHE2D水沙两相流数学模型,采用混合掺长紊流模型,对重力沉沙池进行数值模拟,得到沉沙池内水流流态、悬移质输移规律以及沉沙池的水沙分离效率,并在前人研究的基础上,进一步对不同流量、含沙量情况下,其流量和含沙量对沉沙池水沙分离效率的影响进行分析。结果表明:当流量在0. 05～0. 30 m~3/s时,随着流量增大,则流速增大,水流挟沙力增大,不利于泥沙沉降,使沉沙池的水沙分离效率降低;改变初始含沙量(5～20 kg/m~3),随着初始含沙量的增大,由于沉淀池尾部回流区存在,使得部分泥沙直接被带入清水池,使得沉沙池水沙分离效率降低。     

圆中环沉沙排沙池流速分布规律试验

对一种新型沙水分离装置——圆中环沉沙排沙池进行模型试验研究,对8个径向测试断面的清水流速在径向、垂向和环向的分布进行了测试。试验结果表明:圆中环沉沙排沙池的流速及流速梯度在环向呈不均匀分布,尤以180°径向测试断面流速及流速梯度最大;流速及流速梯度在径向与半径成反比,表层水流流速大小垂向分布与水深成反比;在距离圆心1/2半径以内水流紊动较强,其余半径范围水流紊动弱;中心出水环处流速大小与溢流堰内侧最大相差7.3倍,溢流堰长度是中心出水环的15倍。认为圆中环沉沙排沙池具有较好的沉沙条件的重要原因是溢流堰长度大。     

圆中环沉沙排沙池模型试验比尺设计

圆中环沉沙排沙池是新型二级水沙分离设施,采用正态模型,按重力相似准则设计,经充分论证模型比尺和科学选沙,原型堰上水深与模型水深吻合较好,模型的沉沙形态、排沙过程、淤沙形态基本符合原型。试验结果表明:模型与原型水流阻力相似条件基本满足要求,模型在悬移质运动及泥沙沉降等方面与原型是基本相似的。说明模型试验比尺设计正确。     

迷宫堰型圆中环沉沙排沙池的沉沙特性研究

通过对迷宫堰型圆中环沉沙排沙池进行物理模型试验并对比两种堰型的沉沙效果,得出其含沙量与沉沙的改善效果。迷宫堰型圆中环沉沙排沙池的含沙量沿垂向和径向的分布规律与光滑薄壁堰基本相同,并以流量Q=4.09 L/s(对应原型流量3 m3/s)时中心出水环不加高状态为例进行沉沙分析,得出溢流堰边壁内侧的平均含沙量比光滑堰的减小了16.5%,沉沙中小于0.1 mm的细颗粒泥沙明显增多,其中值粒径减小14.09%,出口沉沙的中值粒径相应减小了11.19%,说明调整为迷宫堰后能够有效地提高悬移质泥沙沉降率。     

重力沉沙过滤池对高含沙河水的沉沙效果分析

由于地下水的严重超采,河水将逐步作为新疆农田节水灌溉的替代水源,河水中泥沙的去除率是河水能否推广的主要障碍,目前科技人员在研究各种装置用于降低河水中的泥沙。其中重力沉沙过滤池是清除泥沙比较好的一种除沙装置,其构造包括沉沙池、过滤网、清水池、集污槽等。该工程利用沉淀池与过滤网对泥沙进行两级处理,出池水质泥沙含量有明显降低。通过对玛纳斯县五圣宫村重力沉沙池一个灌溉期的现场含沙量试验研究和分析,结果表明,该重力沉沙过滤池对河水泥沙总处理率可以达到46%左右,出池泥沙粒径在0.05 mm以下。重力沉沙池增加过滤网结构型式后,沉沙效率可以提高30%以上。可以看出,采用这种结构型式的沉沙池,在处理泥沙方面较传统的沉沙池有一定的优势,利用过滤网可以将水沙进行强制分离,尤其对细颗粒泥沙比自然沉降效果显著。更多还原     

曲条面引水渠首在阿韦滩渠首改造工程中的应用

在多沙河流上,泥沙淤积常会造成渠首引水设施的破坏,通过对阿韦滩渠首运行中发现的问题,结合当地工程实际,在原底栏栅式渠首基础上改造提出的一种新型引水渠首——曲条面引水渠首。该新型渠首利用弯道凸岸沉沙、凹岸引水的原理,对原底栏栅式引水渠首进行改扩建,在条形冲沙槽进水口前修建曲线形挡沙坎,采用曲面引水实现第一级水沙分离,凹岸表层较清的水流进入条形冲沙槽后,更清的水流入两侧的溢流槽,最终实现条形冲沙槽冲沙、溢流槽双向溢流面进水的第二级水沙分离。工程建成运行后,发现通过这两级的水沙分离过程,最终实现了其引水、排沙,水沙分离效果较好,值得推广应用。     

低水头折线型实用堰泥沙淤积影响研究

采用物理模型试验和数学模型计算相结合的方法,研究了上游堰高对折线型实用堰堰面泥沙淤积的影响。结果表明:上游堰高为3 m时,由于上游堰高值较大,且堰顶高程未高于上游河床高程,堰面检修门槽处的底流速和紊动能较大,泥沙不易淤积停留,对检修闸门正常启闭的影响较小。试验结果对类似工程设计具有一定的参考价值。     

敞开式分离鳃沉淀池试验

为比较分离鳃在沉淀池中不同布置形式下的水沙分离效果,对敞开式分离鳃沉淀池进行了静水与动水的沉降试验。试验结果表明:分离鳃均匀悬挂在沉淀池中的布置形式,水沙分离效果要好于靠近溢流口布置和远离溢流口布置两种形式。敞开式均匀布置分离鳃沉淀池在静水沉降时出水浊度随时间变化包含浊度迅速减小与浊度缓慢减小两个阶段;在动水沉降时,水力负荷对浊度变化有很大的影响,水力负荷愈小,该沉淀池的出水浊度值愈小,而当水力负荷达到一定值时,则与普通沉淀池处理高浊度浑水的效果一样,故可以通过控制水力负荷,得到不同的出水浊度,实际应用中选择一个合适的水力负荷是确保出水质量的一个重要条件。     

黄土高原水土流失治理与黄河水沙变化

"黄河流域治理,重在保护,要在治理"。明晰黄土高原生态治理成效及其影响下的黄河水沙关系变化,有助于为黄河水沙关系协调提供科技支撑。通过梳理黄土高原水土流失治理历程及措施变化,辨析了治理措施的减沙效应。研究表明:(1)黄土高原历经五个典型治理阶段,主色调由黄变绿,下垫面发生不可逆的变化;(2)2000年以来,主要产沙区汛期雨量偏丰且极端降雨增加,而黄河沙量相对1919—1959年锐减了85%,中游中常洪水发生频次降低,下游河道由淤积转为冲刷;(3)林草、梯田和淤地坝减沙成效显著,溃损淤地坝淤积泥沙出库比15%,难以发生"零存整取"现象;(4)与历史极端降雨事件相比,2000年后相似降雨条件下,典型流域次洪水量和沙量分别减少30%～78%、53%～88%,水土保持成效显著;(5)新水沙情势下应适时调整黄土高原水土流失治理格局,并完善水沙调控体系,改造下游河道,解放滩区。     

高桥水电站取水口防沙设计

高桥水电站取水口防沙设计,在原束水墙结合冲沙槽设计的基础上,进行了水工、泥沙模型试验。根据模型试验成果,先后进行了沉沙池方案、潜堰方案、潜堰＋丁坝方案、圆弧形挡墙方案等的综合比较,最终选定了圆弧形挡墙方案,基本上解决了水电站取水口“门前清”和粗颗粒进入水电站取水口的问题,大坝泄洪冲沙底孔排沙效果也较好。     

悬移质分选沉降及其在工程上的应用

悬移质泥沙占河流输沙的大部分，由于泥沙的重力作用及水流的紊动混掺的双重作用，悬移质沿垂线的分布呈上稀下浓，上细下粗的规律。在水流的不平衡输沙条件下，趋饱和水流中必然有一部分泥沙沉降落淤，其中较粗的泥沙必然率先沉降，较细的泥沙仍随水流悬浮前进。     

泄水闸堰前冲刷机理及减淤措施研究

低水头航电枢纽堰前泥沙淤积将导致检修闸门无法正常启闭,影响到泄水闸的检修、维护工作。针对此问题,建立了用于研究闸前三元流的泄水闸物理模型及数学模型,运用动床物理模型试验和三维数学模型计算研究了闸前的三维流场及紊动能分布,并观测了闸门不同调度方式下的堰前冲沙效果。结果表明: 泄水闸堰前泥沙启动不仅与闸底水流流速有关,也与闸前的水流流态及紊动强度有关,紊动能的增强对泥沙启动的影响作用明显;闸门隔孔开启时水流受挡水闸阻水作用,在闸前近壁区水流下潜形成漩涡,闸前呈现复杂的三元流流态;复流态下的紊动能显著增加,强烈的紊动造成闸前床面泥沙大量启动,比连续开启泄水闸更有利于泥沙的起动,达到较好冲刷效果。     

宁蒙黄河治理对策

资料分析表明,宁蒙黄河冰凌灾害频繁的被动局面是由于主槽萎缩、卡冰结坝所致;而洪灾与用水安全问题则是河势变化无常和多沙支流突发性洪水淤堵干流形成"沙坝"引起的。为有效恢复宁蒙河段的行洪排沙功能,实现河道减淤、恢复和维持河道中水河槽、保障防洪(凌)安全的宁蒙黄河治理目标,从产沙、输沙、调控机理三个角度出发,分析了各因素对宁蒙黄河河床演变特征的影响。就产沙而言,通过产沙地貌分区、遥感影像分析和流域水系分区相结合的方法确定黄河上游不同沙源区的分布。基于提出的风蚀输沙通量计算方法及风沙入河估算方法,并结合区域风速与植被覆盖率实测数据,发现近30 a风速下降、区域植被覆盖率上升是风沙侵蚀量与入黄风沙量逐渐减少的原因。分析宁蒙河段日均风速、日降雨量和已有侵蚀观测资料,发现宁蒙地区的风水两相侵蚀主要体现为风蚀与水蚀交错存在及其交互促进,风力侵蚀主要发生在3—5月,水力侵蚀则集中在7—9月。现场观测与黄土降雨侵蚀模型试验则表明,重力侵蚀在黄土高原的整个侵蚀过程中占有重要的份额,暴雨形成的径流是黄土遭到侵蚀的主要外营力,也是激发和加剧重力侵蚀发展的重要影响因子。总体来看,宁蒙黄河的流域产沙具有典型的风-水-重力多营力交互特点,在比尺模型与野外观测揭示的流域径流汇集过程、沟道水流与河床自适应以及非平衡输沙机理基础上,构建了复杂地貌形态的小流域产流产沙动力学模型,成功模拟了不同植被特征和分布状况对流域产流产沙的影响,并得出了植被的减水减沙效果与延滞径流洪峰的作用同郁闭度呈正相关关系,陡坡区域植被对径流洪峰的延滞作用大于缓坡区域的结论。就输沙而言,以泥沙起动、推移质输沙与河床均衡调整等基础理论为基础,提出了水沙两相流数值模拟方法与冲积河流全沙运动模型相似条件。数值计算与模型试验表明,龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因,协调水沙关系是修复黄河行洪排沙功能的有效途径。并分析确定了宁蒙黄河河道水沙调控阈值和多沙支流入汇口干流防淤堵的流量阈值,即宁蒙黄河临界调控流量为2 000～2 500 m~3/s,临界含沙量5.4～10.5 kg/m~3,调控时间为15～20 d,证实了通过协调水沙关系可修复和维持宁蒙黄河行洪排沙功能;防止多沙支流入汇堵河的黄河流量阈值为2 500 m~3/s,治理淤堵沙坝配合"挖引疏浚"有效冲刷的干流阈值流量为3 000 m~3/s。从各河段模型试验给出的来沙系数阈值沿程减小的变化趋势看,在内蒙古河段现状河床边界条件下,全线冲刷要求的流量至少为2 600 m~3/s,表明黑山峡工程必须预留充足的水沙调控库容。就宏观调控而言,针对流域下垫面条件多样、入黄泥沙沙源众多、河道输沙受水库调度影响显著等特点,以干流水库群为调节器,以径流泥沙为调节对象,采用模块化开发方法集成了风-水-重力侵蚀模型、河道输沙模型、冰情预报模型于水库联调模型上,构建了可进行大范围、高精度的水沙过程模拟预报的宁蒙黄河区域数字流域模型平台,并成功在下河沿—石嘴山河段进行了调试和应用。此外,针对宁蒙黄河河型复杂、凌汛期易卡冰结坝、夏季多沙支流突发性洪水易堵干流形成"沙坝"等河情状况,提出了"水沙调控、支流拦沙、堤外放淤"的处治模式。在稳定性分汊河段、大型支流入汇段、受沙卵石河床组成限制的河段,则指出不宜强行套用微弯型治理方案,而可采用"工程导送(简称为‘导’)、塞支强干(简称为‘塞’)、挖引疏浚(简称为‘挖’)"方针,亦即"导、塞、挖并举"的对策。建设黑山峡水库、南水北调西线工程等是宁蒙河段长远治理的根本对策,通过增加河道内汛期水量和调水调沙,恢复并维持中水河槽,提供防凌库容,才能彻底解决宁蒙河段凌洪灾害,并得出建立黄河上游沙源固定、支流泥沙阻截、干流泥沙输导与堤外淤沙处置的"固-阻-输-置"综合防治体系,是目前可行的治理对策的结论。     

官厅水库流域水沙优化配置与综合治理措施研究Ⅰ——水库泥沙淤积与流域水沙综合治理方略

本文就官厅水库泥沙淤积过程和流域水沙综合治理进行了研究，指出入库水少沙多、蓄水拦沙运用等是造成官厅水库严重淤积(包括拦门沙淤堵及坝前淤积)的主要原因，三角洲淤积形态与淤积分布不均衡是官厅水库泥沙淤积的主要特征；泥沙严重淤积导致官厅水库防洪标准降低、供水无保证、库周淹没损失扩大，以及影响泄洪建筑物的安全和发电供水质量等一系列问题；从官厅水库流域水沙配置的角度，提出了上游拦沙(水土保持和水库拦沙)、中游用沙(水沙综合利用和优化配置)、库区治沙(挖泥疏浚)和下游排沙用沙等内容的流域水沙综合治理措施，给出了官厅水库泥沙淤积治理的应急、近期及中长期的治理方案。