張 耀 哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

工程泥沙學(xué)運(yùn)用泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河床演變學(xué)的理論解決各類生產(chǎn)實(shí)踐中所遇到的泥沙問(wèn)題，這三者與泥沙來(lái)源及其基本性質(zhì)研究共同構(gòu)成了泥沙學(xué)科的四大核心研究?jī)?nèi)容[1-2]。灌區(qū)泥沙問(wèn)題是一個(gè)經(jīng)典的工程泥沙學(xué)問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)代泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)理論研究的奠基人之一沙玉清先生，在上世紀(jì)三十年代初就著眼于防洪與灌溉兩大戰(zhàn)略性的水利任務(wù)，畢生聚焦于灌溉工程生產(chǎn)實(shí)際中的技術(shù)問(wèn)題和與之相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，構(gòu)建的農(nóng)田水利學(xué)、灌溉工學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)理論研究體系，為我國(guó)現(xiàn)代水利事業(yè)的發(fā)展，做出了開(kāi)拓性的貢獻(xiàn)。新中國(guó)成立后，老一輩水利科技工作者對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)理論的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，為不同時(shí)期灌區(qū)泥沙問(wèn)題的合理有效解決提供了堅(jiān)實(shí)可靠的理論基礎(chǔ)[3-9]。進(jìn)入21世紀(jì)后，在流域綜合治理的大背景下，作為流域水沙治理的重要組成部分，灌區(qū)泥沙問(wèn)題受到進(jìn)一步重視，并取得多項(xiàng)重要成果[10-12]。當(dāng)前，水資源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重，灌溉農(nóng)業(yè)由粗放型向精準(zhǔn)化方向轉(zhuǎn)換，節(jié)水灌溉與水資源高效利用以及智慧水利建設(shè)等多重約束下，以河道為水源的渠灌區(qū)泥沙問(wèn)題妥善解決面臨諸多新挑戰(zhàn)，黃河流域高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)也對(duì)引黃灌區(qū)引水用沙提出了新要求[13-18]。分析探討渠灌區(qū)工程泥沙問(wèn)題的現(xiàn)狀，回顧和總結(jié)相關(guān)方向的研究進(jìn)展，明確進(jìn)一步開(kāi)展研究工作的重點(diǎn)與目標(biāo)，對(duì)更好解決灌區(qū)泥沙問(wèn)題，保障大型灌區(qū)輸配水系統(tǒng)長(zhǎng)期安全可持續(xù)運(yùn)行，具有重要意義。

1 渠灌區(qū)主要工程泥沙問(wèn)題

渠灌區(qū)主要工程設(shè)施由灌溉水源工程、干支斗農(nóng)渠及管網(wǎng)輸水排水工程、各類閘閥與量水設(shè)施、末端灌水器具以及與智慧水利相關(guān)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等部分組成。以天然河道為水源的灌溉渠系，根據(jù)取水頭部與河道的相互關(guān)系，分為無(wú)壩取水和閘壩樞紐取水，取水方式又分為泵站抽提和自流取引水。取水頭部防沙措施是否妥當(dāng)，是渠系渾水能否被安全輸移配送的關(guān)鍵影響因素，進(jìn)入灌溉渠系的渾水，以不沖不淤的平衡態(tài)安全輸移到農(nóng)田末端，是渾水渠灌區(qū)輸配水系統(tǒng)水沙調(diào)節(jié)的最高目標(biāo)。由于灌溉渠系水力幾何條件沿程變化，各類輸配水節(jié)制措施和末端灌水器具的節(jié)點(diǎn)效應(yīng)，以及來(lái)自河流渾水體中泥沙顆粒級(jí)配的非均勻特性，導(dǎo)致灌溉渠系中運(yùn)行的挾沙水流呈現(xiàn)非平衡態(tài)運(yùn)動(dòng)特征，挾沙力與含沙量的不平衡所引起的泥沙沖淤，構(gòu)成了灌區(qū)主要的工程泥沙問(wèn)題。無(wú)壩自流取水形式對(duì)天然河道的河勢(shì)條件要求苛刻，基于彎道水流水沙分流原理的取水頭部防沙措施相對(duì)比較成功。目前灌溉渠系泥沙問(wèn)題最為嚴(yán)重的，是以多沙河流無(wú)壩抽提取水為水源工程的渠灌區(qū)。

以多沙河流岸邊式泵站為水源工程的渠灌區(qū)，其灌區(qū)泥沙問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面。首先，泵站取水頭部防沙技術(shù)措施與大型灌區(qū)取引水量不相適應(yīng)，導(dǎo)致大多數(shù)抽提灌溉工程的渠首防沙設(shè)施難以發(fā)揮作用，懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)和河床表層的沙質(zhì)推移質(zhì)通過(guò)泵站進(jìn)入渠系，成為灌溉渠系粗顆粒泥沙致災(zāi)的主要根源。其次，渠首防沙屏障失守后，進(jìn)入灌溉渠系的有害粗顆粒泥沙沉排處理不及時(shí)，粗顆粒泥沙經(jīng)由各級(jí)泵站抽提輸運(yùn)至灌溉渠系的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成渠系各類輸配水設(shè)施長(zhǎng)期安全可持續(xù)運(yùn)行的直接隱患。第三，在水資源短缺和渾水資源高效利用的需求推動(dòng)下，懸移質(zhì)含沙量較高的渾水也被主動(dòng)引入灌溉渠系，使得粒徑較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙也引發(fā)了局部淤積問(wèn)題。第四，渠系輸配水節(jié)點(diǎn)處的各類閘門和量水配水設(shè)施，以及渠系末端的灌水器具等設(shè)施，大多數(shù)都只考慮了清水運(yùn)行工況，渾水工況運(yùn)行時(shí)泥沙淤堵等傳統(tǒng)問(wèn)題一直未得到很好解決，新形勢(shì)下基于灌區(qū)水沙輸移與調(diào)控的理論與方法亟待創(chuàng)新和發(fā)展。

2 灌區(qū)泥沙問(wèn)題研究的主要進(jìn)展

2.1 渠首工程泥沙問(wèn)題及其研究進(jìn)展

閘壩樞紐形式的渠首引水防沙問(wèn)題已經(jīng)有相對(duì)成熟穩(wěn)妥的解決方案[1-2,19]?；趶澋浪魉撤至髟淼娜∷郎忱砟?，構(gòu)成了各類無(wú)壩自流引水渠首工程的核心技術(shù)[20-22]，無(wú)壩自流引水渠首工程，其嚴(yán)格苛刻的技術(shù)條件滿足了防沙目標(biāo)，但引水流量及供水保證率受到很大程度的限制。近幾十年以來(lái)，岸邊泵站取水工程被大規(guī)模采用，岸邊泵站式渠首工程在選址上基于河床演變學(xué)的相關(guān)理論，盡可能利用天然河流的河勢(shì)特征，仍然以彎道水流水沙分流原理作為第一道防沙屏障，防止推移質(zhì)泥沙或懸移質(zhì)泥沙中的床沙質(zhì)進(jìn)入泵站，再以分層取水原理在進(jìn)水流道前端設(shè)置疊梁閘，防止懸沙中的床沙質(zhì)及高濃度渾水進(jìn)入泵站[1-2]。多年的工程應(yīng)用實(shí)踐表明，對(duì)于取水流量相對(duì)較小，供水保證率要求較高的工業(yè)用水水源，岸邊泵站式渠首工程取水和防沙的目標(biāo)通過(guò)相應(yīng)的輔助工程措施基本上都能得到滿足[23-24]。但對(duì)于取水量較大的灌區(qū)渠首工程，尤其是以多沙河流為水源的岸邊泵站式渠首，取水量得到保證的同時(shí)，防沙入渠的目標(biāo)卻很難得到實(shí)現(xiàn)。其主要原因在于，天然河流來(lái)水來(lái)沙條件的時(shí)空變化和上下游河道整治工程所引起的河床邊界條件改變，以及干流河道攔河建筑物對(duì)河流侵蝕基準(zhǔn)的影響，促使干流河道河勢(shì)變遷，導(dǎo)致泵站脫流現(xiàn)象非常普遍，岸邊式泵站依靠天然河流的河勢(shì)條件防粗沙的目標(biāo)不但難以實(shí)現(xiàn)，為了能夠在不利的干流河道水動(dòng)力條件下，以有限寬度的取水頭部引取足夠的流量，只有降低甚至取消疊梁的運(yùn)行，使得分層取水防懸沙的目標(biāo)也難以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)水流道前一定區(qū)域復(fù)雜特殊的水流流場(chǎng)，還將大量床面泥沙揚(yáng)動(dòng)后輸運(yùn)進(jìn)灌溉渠系。針對(duì)大型灌區(qū)無(wú)壩岸邊式取水泵站床面泥沙及懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)持續(xù)進(jìn)入取水頭部這一問(wèn)題，受制于疊梁運(yùn)行高度的限制，現(xiàn)有技術(shù)難以從根本上解決?，F(xiàn)有的泥沙運(yùn)動(dòng)理論體系，常規(guī)水動(dòng)力條件下床面附近泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究比較成熟[5,25]。泵站進(jìn)水流道流場(chǎng)特性對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，現(xiàn)有探索性研究成果[26]尚難以反映大型抽水泵站粗沙入渠的本質(zhì)。如何防止床面泥沙在泵站進(jìn)水流道特殊流場(chǎng)作用下?lián)P動(dòng)并進(jìn)入取水頭部，是抽水泵站普遍需要解決的技術(shù)難題?；谔烊缓恿鲬乙瀑|(zhì)含沙量及泥沙粒徑沿垂線分布規(guī)律，通過(guò)分層取水防止河流水體中的有害懸沙，是一項(xiàng)非常傳統(tǒng)的技術(shù)[1-2]，相關(guān)基礎(chǔ)性研究也在持續(xù)不斷完善和發(fā)展中[27-29]，這些成果在疊梁閘分層取水的運(yùn)行管理中一直發(fā)揮著基礎(chǔ)指導(dǎo)作用。

2.2 干渠粗顆粒泥沙處理技術(shù)研究進(jìn)展

多個(gè)大型抽黃灌區(qū)的實(shí)測(cè)資料表明，造成干渠大量淤積的有害泥沙,其粒徑級(jí)配，與渠首站所在河流相應(yīng)水文觀測(cè)斷面多年平均懸移質(zhì)泥沙粒徑有非常大的差別，如黃河龍門站多年平均懸移質(zhì)泥沙D50粒徑為0.029 mm,而山西尊村灌區(qū)一級(jí)站干渠沉沙池淤積泥沙的多年平均D50粒徑則為0.075 mm,同樣的問(wèn)題也存在于在一河之隔的陜西東雷抽黃灌區(qū)。中國(guó)水科院對(duì)實(shí)測(cè)資料分析后認(rèn)為，引黃灌區(qū)干渠沉沙池淤積的泥沙中，粒徑大于0.05 mm的粗沙占全部淤積泥沙的85%～90%以上。對(duì)于渠灌區(qū)，一般都將大于0.05 mm的泥沙稱之為有害的粗顆粒泥沙。粗顆粒泥沙由于其非黏性特點(diǎn)，與之相關(guān)的沉沙池設(shè)計(jì)理論都比較成熟[2]，沙玉清先生在我國(guó)最早開(kāi)始灌區(qū)沉沙池理論的研究[30]，近多年來(lái)，山西省水利水電設(shè)計(jì)研究院等單位，基于非平衡輸沙理論，對(duì)抽黃灌區(qū)干渠沉沙池的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法進(jìn)行過(guò)比較全面的分析，在運(yùn)行管理方面也積累有豐富經(jīng)驗(yàn)[31]。目前，大型灌區(qū)干渠粗顆粒泥沙處理的最大難度，不是沉沙池沉積效率的問(wèn)題，而是來(lái)沙量與沉沙池容積之間的矛盾。為解決沉沙池長(zhǎng)期可持續(xù)運(yùn)行問(wèn)題，基于自排沙構(gòu)想的相關(guān)理論與技術(shù)研究取得了一些進(jìn)展[32-35]，但是由于這類技術(shù)其自排的動(dòng)力，根本上還是泵站揚(yáng)起的水頭或天然地形條件所提供的足夠大的高程落差，因此在實(shí)際推廣應(yīng)用中有很大的局限性。華北水利水電大學(xué)[36]和塔里木大學(xué)[37]基于新的設(shè)計(jì)理念開(kāi)展了一些探索性的自排沙試驗(yàn)研究工作。尊村抽黃灌區(qū)目前正在探索利用傳統(tǒng)的疏浚與吹填技術(shù)解決沉沙池淤滿報(bào)廢問(wèn)題，中國(guó)水科院開(kāi)展了移動(dòng)式水力清淤裝置試驗(yàn)研究[38]。

2.3 明渠挾沙水流運(yùn)動(dòng)理論及灌區(qū)泥沙治理方略的研究發(fā)展

自20世紀(jì)30年代中期沙玉清先生在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展渠道中泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，并提出“黃土渠安定渠槽之設(shè)計(jì)法”[39]以來(lái)，發(fā)端于灌溉渠系泥沙問(wèn)題的明渠水沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律，成為泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)最基礎(chǔ)的研究?jī)?nèi)容。錢寧等系統(tǒng)地研究了明渠水流中的各粒徑級(jí)泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立了有關(guān)泥沙運(yùn)動(dòng)的一些基本概念，提出了懸移質(zhì)中床沙質(zhì)與沖泄質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，完善和發(fā)展了泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論體系；竇國(guó)仁等對(duì)水流結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)動(dòng)、推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了紊流隨機(jī)理論、粘性細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)流速公式、非恒定流不平衡輸沙方程式等；張瑞瑾和謝鑒衡等推導(dǎo)得到了著名的明渠挾沙力公式，總結(jié)泥沙學(xué)科的理論與實(shí)踐，形成了系統(tǒng)的能直接指導(dǎo)工程實(shí)踐的泥沙學(xué)科教科書(shū)；韓其為等建立了泥沙統(tǒng)計(jì)理論、非均勻不平衡輸沙理論，得到了非均勻不平衡輸沙的含沙量、懸沙級(jí)配、床沙級(jí)配以及恢復(fù)飽和系數(shù)等理論表達(dá)式；倪晉仁等從理論上揭示了無(wú)論采用何種理論，如擴(kuò)散理論、能量理論、混合理論、相似理論、兩相流理論、隨機(jī)理論，在描述泥沙懸浮時(shí)都能歸結(jié)為相似的數(shù)學(xué)方程形式，求解獲得了懸移質(zhì)泥沙濃度分布的統(tǒng)一公式；王光謙等提出了固液兩相流的動(dòng)理學(xué)理論，對(duì)流體相采用宏觀連續(xù)介質(zhì)模型描述，對(duì)離散顆粒相采用微觀動(dòng)理學(xué)模型描述，應(yīng)用該理論得到了顆粒速度的概率密度分布函數(shù)、顆粒垂線濃度分布和平均速度分布，揭示了泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)與清水湍流的不同特性，并證實(shí)經(jīng)典的泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散理論是動(dòng)理學(xué)理論的特例[40-44]。胡春紅等[45]基于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的理論和方法對(duì)明渠挾沙水流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)完整的研究和論述。方紅衛(wèi)等[46]以流域泥沙顆粒物理輸移過(guò)程為主要研究對(duì)象，從微觀角度出發(fā)，揭示了泥沙顆粒在流域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移,化學(xué)物質(zhì)輸移和生物輸移中的重要角色，用數(shù)學(xué)方法描述了泥沙顆粒的形狀和表面結(jié)構(gòu)，用概率統(tǒng)計(jì)的方法構(gòu)建了數(shù)學(xué)泥沙的研究平臺(tái)，并據(jù)此結(jié)合吸附動(dòng)力學(xué)方程，開(kāi)發(fā)完善了水質(zhì)水沙數(shù)學(xué)模型。在上述基礎(chǔ)理論研究深入開(kāi)展的同時(shí)，近幾十年來(lái)，以高含沙引水及淤灌技術(shù)為代表的渠系泥沙應(yīng)用研究也取得了顯著進(jìn)展[47]，基層管理部門抽黃灌區(qū)幾十年工程應(yīng)用實(shí)踐，也為灌溉渠系水沙安全輸移提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[48]。

鑒于渠首防沙和干渠前端集中處理泥沙存在諸多局限和不足，已有的渠灌區(qū)泥沙處理技術(shù)與措施難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的需要，中國(guó)水科院、清華大學(xué)等單位提出了灌區(qū)泥沙遠(yuǎn)距離分散配置模式，寄希望通過(guò)遠(yuǎn)距離輸沙、多級(jí)分散沉沙等方式處理進(jìn)入灌溉渠系的泥沙[49-51]；基于灌區(qū)泥沙問(wèn)題的分析，指出了灌區(qū)發(fā)展及泥沙治理的4個(gè)歷程分別為，灌區(qū)建設(shè)與泥沙處理階段、灌區(qū)發(fā)展與泥沙治理利用階段、灌區(qū)節(jié)水與泥沙遠(yuǎn)距離輸送階段和灌區(qū)泥沙資源化與水沙配置階段，指出灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置是解決問(wèn)題的主要途徑，配置目標(biāo)是協(xié)調(diào)配置灌區(qū)的水資源與泥沙資源，配置方法是多目標(biāo)規(guī)劃方法，并根據(jù)引黃灌區(qū)所處河道位置和地域條件，結(jié)合灌區(qū)灌溉類型和泥沙處理方式，提出了沉沙輸水模式、輸水沉沙模式、分水滯沙模式和輸水輸沙模式等引黃灌區(qū)的水沙調(diào)控模式，根據(jù)不同水沙調(diào)控模式的形成條件、調(diào)控效果和存在的水沙問(wèn)題，指出不同水沙調(diào)控模式的輸水輸沙關(guān)鍵技術(shù)和重點(diǎn)調(diào)控目標(biāo)，分別為沉粗排細(xì)調(diào)控、遠(yuǎn)距離輸沙調(diào)控、分沙入支渠調(diào)控和泥沙入田調(diào)控，強(qiáng)調(diào)泥沙遠(yuǎn)距離分散輸送技術(shù)是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置的重點(diǎn)[52-53]；根據(jù)灌區(qū)對(duì)入渠水沙資源的分配目標(biāo)，提出了配置能力指標(biāo)的表達(dá)式，并利用灌區(qū)水沙資源分布的規(guī)律性，對(duì)表達(dá)式的指標(biāo)值進(jìn)行了量化，根據(jù)灌區(qū)水沙資源的配置需求將配置能力指標(biāo)劃分不同等級(jí)，為灌區(qū)水沙資源優(yōu)化配置的評(píng)價(jià)提供判定標(biāo)準(zhǔn)[54]。

2.4 實(shí)現(xiàn)灌區(qū)渾水安全輸移及水沙調(diào)控目標(biāo)的相關(guān)理論與方法研究進(jìn)展

為實(shí)現(xiàn)上述灌區(qū)泥沙治理的戰(zhàn)略目標(biāo)，已取得的相關(guān)研究進(jìn)展可歸納為以下幾個(gè)方面。

(1)基于野外原型觀測(cè)的試驗(yàn)研究。中國(guó)水科院采用山東簸箕李灌區(qū)近20 a來(lái)的泥沙觀測(cè)資料，分析了非均勻沙在渠道中的運(yùn)動(dòng)和沖淤規(guī)律；通過(guò)分析黃河下游引黃灌區(qū)實(shí)測(cè)資料，初步確定粒徑大于0.05 mm的泥沙為有害泥沙，需要沉沙池?cái)r截處理，根據(jù)黃河下游來(lái)沙平均情況，大于0.05 mm的粗顆粒泥沙約占22%，需要沉沙池處理[55-56]。西北農(nóng)林科技大學(xué)通過(guò)對(duì)涇惠渠灌區(qū)年度灌水周期內(nèi)干支斗農(nóng)渠渾水資料的沿程實(shí)時(shí)取樣分析，得到了該灌區(qū)含沙量及泥沙級(jí)配的時(shí)空變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)渠系典型輸水線路不同粒徑懸移質(zhì)泥沙沿程調(diào)整情況的分析，顯示不同粒徑泥沙沿程輸移的特征不同，各分組泥沙的沖淤特征并不都和全沙平均計(jì)算結(jié)果一致[57-58]。中國(guó)農(nóng)科院灌溉所分析了山西柳林灌區(qū)引黃水的泥沙特性，并開(kāi)展了引黃畦灌田間水沙分布規(guī)律的研究[59-60]。石河子大學(xué)等單位在尊村灌區(qū)[61]，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)在鐙口揚(yáng)水灌區(qū)[62]等，先后進(jìn)行了渠系泥沙輸移特性的原型觀測(cè)工作，掌握了不同區(qū)域灌區(qū)泥沙輸移特性的第一手資料。西安理工大學(xué)以東雷抽黃灌區(qū)總干渠的泥沙淤積實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，構(gòu)建水沙數(shù)學(xué)模型，探討通過(guò)加大干渠輸水流量以減少渠道淤積的可行性[63]。

(2) 與灌區(qū)泥沙長(zhǎng)距離安全輸移相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究。中國(guó)水科院針對(duì)引黃灌區(qū)構(gòu)建了最早的灌區(qū)渠網(wǎng)泥沙數(shù)學(xué)模型[64]，提出了非飽和泥沙通量的概念及其表達(dá)式，推導(dǎo)了不平衡輸沙含沙量垂線分布的理論解[65]，開(kāi)展了非均勻沙運(yùn)動(dòng)特性的試驗(yàn)研究[66]，在分析總結(jié)以力學(xué)和概率論相結(jié)合研究泥沙運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)理論已有成果的基礎(chǔ)上，提出了開(kāi)展非均勻沙挾沙水流研究的新思想和新方法[67]。清華大學(xué)以絮凝動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再懸浮動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型；通過(guò)三維大渦模擬研究探討了泥沙濃度、湍動(dòng)強(qiáng)度和湍動(dòng)通量等分布特征；構(gòu)建了考慮不同粒徑顆粒相互作用的非均勻懸移質(zhì)泥沙彌散速度本構(gòu)方程，揭示了非均勻沙懸浮，本質(zhì)上是渾水紊動(dòng)、顆粒自身作用、其他粒徑顆粒作用三種作用共同影響的結(jié)果；基于雙流體紊流模型推導(dǎo)分析，完成對(duì)固液兩相渾水模型的紊流封閉，利用實(shí)驗(yàn)資料對(duì)兩相渾水紊流模型進(jìn)行驗(yàn)證，解釋了隨著泥沙濃度增加，挾沙水流紊動(dòng)抑制加劇的現(xiàn)象；針對(duì)傳統(tǒng)水槽實(shí)驗(yàn)在非均勻沙挾沙水流研究中所存在的諸多問(wèn)題，在試驗(yàn)方法上進(jìn)行了創(chuàng)新[68-73]。武漢大學(xué)通過(guò)水槽試驗(yàn)，研究了在流量、含沙量及水質(zhì)影響下，分層運(yùn)動(dòng)中流速沿垂線的總體分布形態(tài)、分布規(guī)律、峰值及位置，以及清渾水界面位置等特征[74]，通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了不同固結(jié)狀態(tài)對(duì)黏性泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力的影響[75]；從立面二維懸移質(zhì)連續(xù)性方程出發(fā)，推導(dǎo)了一維方程，提出了一種對(duì)流項(xiàng)和縱向離散項(xiàng)的分解方法；指出懸移質(zhì)泥沙的對(duì)流速度滯后于水流的垂線平均流速，縱向離散效應(yīng)不能用與紊動(dòng)擴(kuò)散相似的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述[76]。中科院力學(xué)所考慮泥沙顆粒在水中的多體相互作用，研究了黏性泥沙的絮凝沉降問(wèn)題[77]，采用雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型建立波浪水槽，并耦合泥沙輸運(yùn)模型構(gòu)建波致懸沙輸運(yùn)模型，研究非線性波輸沙過(guò)程與挾沙能力[78]。華東師范大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)研究了紊動(dòng)對(duì)黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響，開(kāi)展了黏性泥沙的物理特性與起動(dòng)應(yīng)力的流變學(xué)分析[79]。西北農(nóng)林科技大學(xué)開(kāi)展了高濃度含沙量對(duì)U型渠道水流流速橫向分和垂向分布規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[80-81]，分析研究了灌溉渠道中水流挾沙力的雙值關(guān)系問(wèn)題[82]，以及泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和起動(dòng)參數(shù)的關(guān)系和黏性泥沙的絮團(tuán)形態(tài)等問(wèn)題[83-84]。

(3) 與渠系節(jié)點(diǎn)分水分沙問(wèn)題相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。渠系節(jié)點(diǎn)水沙一體化調(diào)控是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水沙調(diào)控的關(guān)鍵所在。早在1920年左右，德國(guó)學(xué)者就開(kāi)始對(duì)不同分水角度與底沙分配的關(guān)系進(jìn)行了研究[85]。20世紀(jì)針對(duì)長(zhǎng)江航道整治問(wèn)題，武漢大學(xué)對(duì)河流中汊道的分水分沙有過(guò)系統(tǒng)的研究[86]。對(duì)于灌溉渠系節(jié)點(diǎn)的分水分沙問(wèn)題，中國(guó)水科院通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料的分析，提出了引水寬度的水深分布公式，討論了各種影響因素對(duì)引水寬度的影響，根據(jù)引沙比與引水寬度的關(guān)系，初步探討了灌渠推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙引沙比與引水比的關(guān)系[87]；對(duì)明渠岸邊不同角度取水口的水力特性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[88]。利用含沙量垂線分布理論公式，推導(dǎo)得到渠道自流分流時(shí)分沙比與分流比呈0.9次冪關(guān)系式，并利用灌區(qū)引水含沙量與大河含沙量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證[89-90]。西北農(nóng)林科技大學(xué)結(jié)合實(shí)際渠道工程，對(duì)梯形渠道渠系節(jié)點(diǎn)三維流場(chǎng)的流場(chǎng)特征及分水分沙規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究[91]，量化描述了渠系節(jié)點(diǎn)懸移質(zhì)泥沙淤積的分布特征[92]。

(4) 與渠系水沙調(diào)控相關(guān)的特殊工況泥沙問(wèn)題研究。天津大學(xué)基于理論分析和實(shí)際工程資料為依據(jù)，將閘門前淤泥考慮為由泥沙組成的賓漢體泥漿，并將淤泥對(duì)閘門的附著力分解為泥沙與門體之間的摩擦力漿體提供的賓漢極限剪切力，提出了泥沙淤積對(duì)閘門啟門力影響的計(jì)算公式[93]。西北農(nóng)林科技大學(xué)結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題，研究了支渠閉閘期閘前段泥沙淤積問(wèn)題，指出閉閘期閘前段出現(xiàn)圍繞豎軸呈現(xiàn)近似橢圓型的回流現(xiàn)象，平面流速呈交替增減、水位呈中心低周界高的水力特征；泥沙淤積呈現(xiàn)累積性淤積特征，提出了閉閘期閘前段泥沙淤積速率的估算方法[94]，研究了渾限狀態(tài)淤積泥沙的微觀結(jié)構(gòu)[95]以及泥沙粒徑對(duì)大流道迷宮灌水器堵塞的影響等問(wèn)題[96]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)滴灌系統(tǒng)灌水器結(jié)構(gòu)-泥沙淤積-堵塞行為的相關(guān)關(guān)系開(kāi)展了研究[97]；采用雙流體模型對(duì)尊村二級(jí)泵站的雙吸離心泵內(nèi)水沙兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了16種典型工況下，入口泥沙體積分?jǐn)?shù)和泥沙粒徑對(duì)泵內(nèi)磨損的影響規(guī)律[98]；建立了流體湍流強(qiáng)度變化率與顆粒動(dòng)態(tài)尺度、固相體積濃度的關(guān)系式，得到了新的泥沙擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型，使得圓管中不同含沙工況下的固相體積濃度分布計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大相對(duì)誤差小于10%，計(jì)算精度比現(xiàn)有泥沙擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型顯著提高[99]。

3 對(duì)灌區(qū)泥沙問(wèn)題研究的幾點(diǎn)思考

(1) 以低水頭樞紐和各類攔河建筑物在內(nèi)的的有壩取水水源工程，無(wú)論是自流引水還是泵站抽提取水，取水頭部引水防沙措施在我國(guó)已經(jīng)有非常成熟的經(jīng)驗(yàn)積累，這類取水頭部的灌區(qū)，如果粗顆粒泥沙災(zāi)害依然嚴(yán)重，則需要從取水頭部設(shè)計(jì)的技術(shù)層面尋找原因。目前灌區(qū)泥沙災(zāi)害問(wèn)題最為迫切和嚴(yán)峻的，是無(wú)壩岸邊泵站抽提取水為水源工程的渠灌區(qū)，其首要特征，是泵站建成運(yùn)行多年以后，干流河勢(shì)改變，主流不靠泵站所在的岸邊所誘發(fā)的一系列引水防沙問(wèn)題。解決泵站脫溜，同時(shí)滿足引水與防粗沙的目標(biāo)，有兩種可能途徑，一個(gè)是對(duì)干流河道實(shí)施整治工程，控導(dǎo)河勢(shì)營(yíng)造岸邊泵站取水防沙的最佳水流條件，現(xiàn)實(shí)中問(wèn)題的主要癥結(jié)在于各個(gè)水管理部門間的協(xié)調(diào)。另一個(gè)途徑是借助工業(yè)水源工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，修建能滿足灌區(qū)用水量的大型河心式泵站，這方面尚存在需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

(2) 對(duì)于干流河道主流不靠岸等劣勢(shì)水流條件下，已經(jīng)建成的無(wú)壩岸邊泵站水源工程，通過(guò)取水頭部防沙設(shè)計(jì)的優(yōu)化和創(chuàng)新，從源頭上防止0.05 mm以上有害粗顆粒泥沙進(jìn)入泵站機(jī)組，雖然有諸多需要進(jìn)一步研究的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，但卻是解決灌區(qū)粗沙危害的根本，通過(guò)干渠沉沙池處理粗顆粒泥沙，只能作為取水頭部防粗沙的輔助補(bǔ)充措施。

(3) 從流域尺度看，實(shí)現(xiàn)泥沙資源綜合利用，理想狀態(tài)下灌區(qū)引渾用沙的任務(wù)，將主要集中在細(xì)顆粒泥沙的輸移和調(diào)配方面。黏性非均勻沙所涉及到的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等問(wèn)題，一直是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究的經(jīng)典難題，有很多需要解決的科學(xué)問(wèn)題，在紊流這一經(jīng)典力學(xué)的相關(guān)機(jī)理尚未徹底弄清楚之前，明渠水流中黏性非均勻沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究還需要以大量試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)。智慧灌區(qū)建設(shè)的迫切需求，對(duì)一些特定工況下，黏性非均勻沙的懸浮沉降淤積和起動(dòng)等一些基本性質(zhì)的再認(rèn)識(shí)和深入研究，也都需要基本的試驗(yàn)研究為手段，因此，必須高度重視黏性非均勻沙基本性質(zhì)的試驗(yàn)研究工作。