港上水位台连通管淤积量计算分析

邢亚 万永智 吴成秋

摘要 港上水文站测验河段处在沂河下游段，河段内泥沙含量较大，历史上淤积严重，给水位台连通管设计带来困难。为此，计算了连通管泥沙淤积量，分析了泥沙淤积位置，为连通管的设计提供依据。

关键词 连通管；淤积；分析

中图分类号：TV147 文献标识码：A 文章编号：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

水位台是获取水位信息的重要设施，多年来，水位台为水文测验发挥了极其重要的作用。但水位台测井及连通管的淤积问题一直困扰着水文人。港上水文站测验河段处在沂河下游段，河段内泥沙含量较大，历史上淤积严重，给水位台连通管设计带来困难。为此，笔者计算了连通管泥沙淤积量，分析了泥沙淤积位置，为连通管的设计提供依据。

1 沂河和港上河段水流沙概况

沂河发源于山东沂蒙山的鲁山南麓，流入骆马湖，全长333 km，流域面积11 820 km2。沂河流域是山东省降水较多的地区之一，流域多年平均年降水量为849.1 mm，流域多年平均年径流深为326.3 mm，折合年径流量为35.1亿m3。流域北部为鲁沂山区，西北部为泰沂山区，地形西北高，东南低。从河源至跋山水库96.7 km，大部分为山区，海拔高程300～800 m；以下至东汶河口，多为丘陵及高地，海拔高程100～300 m；东汶河口以下向平原过渡；临沂以下进入平原，地面高程由70 m逐渐下降，坡降1/2 000～1/3 000。从河源到临沂219 km为山丘区，临沂至骆马湖114 km为平原区。

沂河上游水流湍急，暴涨暴落，水土流失较严重，下游水流平缓，泥沙淤积河床。沂河多年平均入湖径流量36.06亿m3，1964年最大径流量达65.8亿m3，1968年最小径流量8.5亿m3。根据临沂水文站实测资料，建国以来以1957年洪水最大，洪峰流量为15 400 m3/s。沂河上游地区，山高坡陡，水土流失严重，据临沂水文站1954—1967年和1971—1979年实测资料，多年平均悬移质含沙量为3.10 kg/m3，多年平均悬移质年输沙量为439万t。

港上水文站在沂河入骆马湖河口上游41.3 km处，上游距山东省界5 km，属平原区的中游段，控制流域面积10 552 km2。建站以来1974年最大流量6 380 m3/s、最高洪水位35.37 m。1997年8月实测最大水位涨速为10 min涨幅1.08 m，最大1 h涨幅3.15 m，实测最大流速3.5 m/s。

2 连通管淤积量计算

连通管淤积量与含沙量、次洪水涨幅、测井横断面面积及行洪频次有关。

每次行洪有起涨、洪峰和退水过程。河水起涨阶段河道浑浊水进入连通管（测井），退水时清水从连通管中流出。整个过程，泥沙大量沉积在连通管或测井中。连通管（测井）次洪水泥沙沉积量计算公式如下：

Ws=（H2-H1）×Ss×Ao（1）

式中，Ws为次洪水泥沙沉积量；H1为次洪水起涨水位；H2为次洪水洪峰水位；Ss为次洪水起涨阶段平均含沙量；Ao为测井面积，港上测井直径φ=1.0 m，Ao=0.785 m2。

此次计算摘录了港上水文站2000—2009年9年洪水的资料，共24次，计算累计连通管泥沙淤积量38.69 kg。摘录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，产生的淤积量也小，没有逐次摘录计算。为了弥补小洪水产生的泥沙淤积量，把次洪水起涨阶段平均含沙量取最大含沙量，该计算结果用于测井和连通管设计较为安全。

3 连通管淤积分析

当连通管足够长，大量泥沙会沉积在连通管中；当连通管短到一定程度，大量泥沙会沉积在测井中。根据港上水位台连通管结构，对连通管泥沙淤积进行分析。

3.1 港上水位台连通管结构

为了使泥沙不淤积在测井内或不容易清淤的连通管段，同时考虑降低造价，港上连通管设计成7段（图1）。①进水段：直径300 mm，长度2.0 m。该段最容易淤积，为便于清理，不宜设置太长。当河道流速大时在管口处容易出现涡流，增加淤积速度。为了尽可能出现单一流向，该段连通管不宜直径太大。②沉沙井：直径1 000 mm竖向直管，高度2.0 m，用于泥沙沉积和清理。③连通管：直径800 mm橫向直管，长度4.0 m，该段为沉沙段，将颗粒细小的泥沙沉积在该段，由于两端有竖向粗管，且该段直径大、距离短，所以便于清理。④沉砂井：直径1 000 mm竖向直管，高度2.0 m，用于泥沙清理和进一步沉积细颗粒泥沙。⑤连通管：直径300 mm，长度100 m。该段是整个连通管中最长的一段。经过前几个阶段泥沙的沉淀，此段已经没有泥沙沉积，长度由测井距中泓距离决定。⑥检查井：直径1 000 mm竖向直管，高度4.0 m，用于检查人员进入测井，检查测井底部情况。⑦连通管：直径800 mm，长度10 m，是一个从检查井到测井底部的通道。

3.2 不淤流速和泥沙沉降速度

当水流处于紊流状态时，水质点作三维运动。当流速大到一定程度时，泥沙颗粒在紊流状态下的水质点作用下运动，不受重力作用运动，泥沙不会下沉，这时的流速叫不淤流速。小于不淤流速，水流的紊乱性减小，泥沙的重力是主要作用力，泥沙在水中下沉，产生淤积[1]。不淤流速主要取决于含沙量和断面水利要素，借用不淤流速经验公式计算，见式（2）。

V不淤=C0Q0.5（2）

式中，Q为流量；C0为不淤流速系数，与流量和过水断面状态有关，取近似值0.4。

泥沙在水中下沉的速度叫泥沙沉降速度。泥沙沉降速度与含沙量、泥沙颗粒大小、岩性等因素有关，在渠道中，黄河流域试验近似值0.008 5～0.320 0 m/s。

3.3 各段连通管流速及水流通过时间计算

连通管流速计算公式为：

AoVo=AiVi（3）

式中，Vo为洪水位上涨速度；Ai为各段连通管断面面积；Vi为各段连通管流速。为了简化计算，取Vo最大1 h涨幅3.15 m，即0.000 875 m/s。各段连通管流速及水流中某一质点通过各段连通管所需时间见表1。

3.4 连通管淤积计算

连通管流量（AoVo）为0.000 69 m3/s，不淤流速为0.026 m/s，对比表1流速，各段连通管的流速均是淤积流速。取泥沙沉降速度最小值0.008 5 m/s分析连通管的泥沙淤积。泥沙在某一段连通管下沉距离用式（4）计算。

L=V沙T（4）

式中，L为泥沙在某一段连通管下沉距离；V沙为泥沙沉降速度，取最小值0.008 5 m/s。T为水质点通过某段连通管的时间。当L大于连通管内直径时，泥沙沉积在本段连通管内，否则泥沙沉积在以后的连通管内。

①进水段：水质点通过时间是206 s，泥沙沉降距离为1.75 m，大于连通管直径0.3 m，也就是说所有泥沙全沉积在①进水段连通管中，往后的各段连通管淤积不必分析。

4 结论

（1）筆者一直认为港上水文站河段淤积严重，经过计算分析可知淤积并不严重。淤积有所减轻可能是由于近年来上游河道多级拦蓄，泥沙大量被拦截，含沙量大大减少。

（2）可以基本明确泥沙淤积位置在进水口附近。另外，水体具有压力传递的特点。洪水起涨的开始阶段测井内进入的水是连通管原来储存的清水，如果连通管的容量足够大，河道内的浑浊水不会到达测井，测井不会淤积。

（3）该文提供了一个连通管泥沙淤积简化计算方法，简单易行，能为测井、连通管设计提供很大帮助。

参考文献

[1] 房宽厚.河海大学农田水利工程系.农田灌溉排水技术进展[J].河海科技进展，1991（4）：22-28.

责任编辑：郑丹丹