黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速试验-论文.pdf

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第36卷第8期人民黄河Vo1．36．No．82014年8月YELLOWRIVERAug．，2014【灌溉排水】黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速试验姜金利，张庆华，程明，李福军(1．山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018；2．黄河水利委员会山东水文水资源局，山东济南251000)摘要：为了研究黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速的计算方法，在室内用U—PVC管道，以黄河泥沙为沙样，进行了9O、l10、125mm三种管径、两种泥沙颗粒级配条件下，不同含沙量浑水管道输水临界不淤流速试验。结果表明：试验条件下，在含沙量、管径相同时，浑水中泥沙粒径越大，临界不淤流速越大；在管径、泥沙粒径相同时，含沙量越大，临界不淤流速越大；在泥沙粒径、含沙量相同时，管径越大，I临界不淤流速越小。依据试验成果，利用回归分析方法建立了黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速计算公式。关键词：管道输水；不淤流速；引黄灌区中图分类号：$274．2文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2014．08．041StudyonNon-SiltingVelocityofWaterConveyancePipelinesintheYellowRiverDownstreamIrrigationAreaJIANGJin—li‘，ZHANGQing—hua，CHENGMing，LIFu—ju．(1．CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering，ShandongAgriculturalUniversity，Tai’an271018，China；2．ShandongBureauofHydrologyandWaterResources，YRCC，Jinan251000，China)Abstract：AseriesofexperimentsONnon—siltingvelocityofmuddywaterconveyancepipelineswithdifferentsedimentconcentrationwerecarriedouttostudythecalculationmethodofwaterconveyancepipelinesofirrigationareaintheYellowRiverdownstream．WeusedU—PVCpipeindoorswiththeYellowRiversedimentasthesandsampleand90mil，110mmand125mmthreepipediametersandtwosedimentparticlegradations．Theresultsshowthatthebiggersedimentparticleinmuddywateris，thegreaternon—siltingvelocitywillbe；thehighersedimentconcentrationis，thegreaterthenon-siltingvelocitywillbeunderthesameconditionsofsedimentconcentrationandpipediameter．Thebiggerpipediameteris，thesmallerthenon—siltingvelocitywillbeincaseofthesamesandsample．Ithasestablishedthecalculatingformulaofnon—siltingvelocityofwaterconveyancepipelinesintheYellowRiverdownstreamirrigationareabyusingregressionanalysisonthebasisofresuhs．Keywords：waterconveyancepipelines；non-siltingvelocity；YellowRiverirrigationarea长期以来，引黄灌区大多采用明渠输水、地面灌溉，渗漏、蒸发严重，灌溉水利用率低。例如黄河下游的山东省沿黄农业1试验材料与方法灌溉用水占全部引黄水量的90％，而引黄水的利用率只有1．1试验材料45％左右⋯。面对水资源的不足及农业用水效率低的实际情管道输水临界不淤流速的主要影响因素有含沙量、泥沙容况，引黄灌区发展管道输水灌溉已成为高效节水灌溉的发展趋重、管径、泥沙粒径等，而泥沙容重、泥沙粒径与沙样有关，因此势。然而，泥沙含量大是制约发展管道输水灌溉的重要因试验材料主要包括不同颗粒级配的泥沙及不同管径的管道。素“j，采用管道输水灌溉首要解决泥沙淤积问题，其措施之1．1．1试验沙样一是管道输水流速应大于临界不淤流速。本研究范围为黄河下游山东段。高村、艾山、利津3个水对于浑水管道输水临界不淤流速的计算，国内外许多学者文站位于黄河山东段的上、中、下游，通过对2006-2011年3进行了较多的理论分析与试验研究，提出了诸多临界不淤流速个测站的实测泥沙资料分析表明，3个站中各年的泥沙颗粒级计算的经验公式，如B．C科诺罗兹公式、瓦斯普公式、何武全公式、张英普公式J、安杰公式等。这些经验公式大收稿日期：2014—03—11多参考了舒克和杜兰德公式的形式⋯，因使用不同沙样进基金项目：水利部公益性行业科研专项(201201115)。行试验，公式系数不一致，限制了公式的应用范围，故通用性较作者简介：姜金利(1989一)，男，山东诸城人，硕士研究生，研究方向为农田水利工程建设与管理。差。为此，本研究针对黄河下游泥沙情况，开展管道输水临界通信作者：张庆华(196O一)，男，山东招远人，教授，博士生导师，主要从事农田不淤流速研究，以期对引黄灌区管道输水灌溉工程规划设计与水利工程建设与管理研究工作。运行有一定参考价值。E·mail：zqh@sdauedu．cn·137· 人民黄河2014年第8期配曲线差别不大，其中高村与艾山比较接近。因此，试验用沙渠、田间等7个取样点的泥沙作为沙料，组合成试验所用沙样样的颗粒级配以高村、艾山站近3a的平均值为参考。直接从l、沙样2，其颗粒级配见表1，沙样1、2的泥沙密度分别为2．62、黄河中取泥沙较困难，以山东省小开河灌区渠首、沉沙池、一支2．60g／cm。表1试验沙样颗粒级配1．1．2试验管材与管径水样，用烘干法测量泥沙含量，从而得到一个测次不淤流速的管道输水灌溉常用的管材一般为PVC、PE或玻璃钢管，3试验结果。种管材的管道糙率相差不大。试验管材选用山东省莱芜丰田2试验结果与分析节水器材有限公司生产的U—PVC塑料管，外径分别为90、110、125mm，额定压力为0．6MPa，实际管壁厚度分别为2．5、本研究共进行了66组试验，得到不同管径、不同泥沙颗粒2．75、3．50mm，内径分别为85、104．5、118mm。级配、不同含沙量情况下的临界不淤流速试验结果。1．2试验装置2．1临界不淤流速与泥沙粒径的关系试验在山东农业大学水利实验室进行，试验装置主要包括图2一图4为3种管径下两种沙样不同含沙量与临界不淤进水池、搅拌机、水泵、闸阀、电磁流量计、管道系统、透明观测流速的关系。图2～图4中，3种管径下沙样1的临界不淤流管等，见图1。速点都在沙样2的上方，而沙样1的中值粒径大于沙样2，说明临界不淤流速与泥沙颗粒粒径有一．关sl昌，蚕相同含昧蝗沙一量、匿相同管一。径鲁情羹裘昧蝗一况下，泥沙粒径大的临界不淤流速大。因为泥沙在水中的沉降速度与泥沙粒径有关，粒径越大，沉降速度越大，管道中的水流带动泥沙运动时需要的“动力”(水流水平速度)就越大，因此在相同含沙量、相同管径情况下，浑水中泥沙粒径越大，临界不淤流速就越大。图1浑水管道输水试验装置管道系统总长51m。透明观测管采用有机玻璃制作，管内径严格控制与PVC管内径相同，管长为0．5m。水泵选用潜水含沙彰g·m-z)电泵，扬程14m。流量控制及计量采用闸阀及电磁流量计，选管径90mm下含沙量与临界不淤流速的关系用西安仪表厂生产的电磁流量计，管内径80mm，闸阀为直径·沙样l-沙样2110mm的球形阀。进水池为循环水池，设有搅拌机、补水管与溢流管，搅拌机是保证加入进水池的泥沙均匀分布在水中，补水管与溢流管起到稳定进水池水位的作用，以保证流量的稳定。1．3试验方案含沙量kg‘m)试验按管径分90、110、125mm3组，按泥沙级配分2组。管径110lnm下含沙量与临界不淤流速的关系在相同管径、相同颗粒级配情况下，再根据含沙量分为若干测(组)次。1．4试验方法向进水池内加一定量的泥沙，启动搅拌机使池中泥沙均匀分布，开启水泵使管道系统运行，同时开启进水管向进水池加含沙量他‘m)水，待进水池水位稳定、流量计所测流量稳定后，关闭进水管闸图4管径125inln下含沙量与临界不淤流速的关系阀，此时整个管道系统处于自循环状态。然后，通过闸阀调节2．2临界不淤流速与管径的关系管道(水泵)流量(一般由大变小)，同时通过有机玻璃管段观关于含沙水流管径与临界不淤流速的关系，目前的认识仍察管中水沙运动情况，并判断泥沙不淤积的临界状态，当有机不统一。有的学者认为大型管道中管径对临界不淤流速的影玻璃管段底部开始出现泥沙沉积时，记录流量计测量的管道流响不大；而有的学者则认为管径增大则临界不淤流速也增量、水温，通过公式V=Q／W(V为流速，Q为流量，为管道内大，例如杜兰德公式中临界不淤流速与管径的1／3次方成正截面积)计算该测次的不淤流速。同时，在管道出口用量杯接比，何武全【、张英普公式中临界不淤流速与管径的1／4次·138· 人民黄河2014年第8期方成正比。图5为试验得到的3种管径下沙样1临界不淤流外)何武全公式最接近。总体来看，现有临界不淤流速计算经速与含沙量的关系，可以看到管径90mm的临界不淤流速线在验公式不适用于黄河下游引黄灌区管道输水。最上方，管径125mlTl的临界不淤流速线在最下方，说明在本研究试验沙样条件及水流含沙量范围内，泥沙粒径、含沙量相同i情况下，临界不淤流速随管径的增大而变小。辨fI萋j蕞磐主蚓萋含沙量s／％图8管径125mm计算流速与实测不淤流速比较3．2临界不淤流速的计算宙沙量sIkg‘m一依据试验成果，利用统计分析方法建立黄河下游管道输水图5沙样1临界不淤流速与管径关系临界不淤流速经验公式。2．3临界不淤流速与泥沙含量的关系临界不淤流速与泥沙颗粒级配、含沙量、管径等有关，参照从图2～图5中可以看出，含沙量对临界不淤流速有明显上述经验公式，假设的影响，在本研究试验水流含沙量范围内，临界不淤流速均随一一A：alL卫D!二f(1)含沙量的增大而增大，说明管径、泥沙粒径相同的情况下，含沙DJ量越大，临界不淤流速就越大。其原因是含沙量越大，单位体式中：A为泥沙及边界因子；to为泥沙沉降速度，mm／s；p为水的积的浑水重量越大，水流带动泥沙作悬移质运动需要的“动力”密度，km；p为泥沙密度，kg／m；D为管径，mm；g"为重力加就越大。速度，取值9．8m／s；、为指数。指数O／、口为对观测数据进行处理得到的值，经过多次试3临界不淤流速计算算，O／、口分别为0．28、0．25时式(1)具有较好的相关性。为得到计算临界不淤流速的经验公式，先对观测数据进行处理：根3．1现有经验公式计算结果与实测值比较据式(1)及管径90、110mm下沙样1、2临界不淤流速试验数据图6～图8为针对沙样1分别利用科诺罗兹、瓦斯普、何武和式(1)计算所得的A，求得V／A，建立一s关系，见全、张英普提出的临界不淤流速经验公式计算结果与实测值的图9。比较。2．502302101901．70要150130蚓1．10曩090070O50肇舍抄量S％含沙量S，％图9管径90、110mm下V／A—Sv关系图6管径90mm计算流速与实测不淤流速比较对图9中一5数据回归分析得到临界不淤流速计算公式为i⋯．0．2304∞0．28[舌r(2)蚓或饕蕞罂⋯．476"2305toO．28[告r㈩式中：为临界不淤流速，m／s；S为体积含沙量，％；S为质量含钞鼋sJ％含沙量，kg／m；其余符号意义同式(1)。图7管径I10mm计算流速与实测不淤流速比较式(2)、式(3)的复相关系数R=0．9432，满足相关分析由图6～图8可知，临界不淤流速计算值与实验值均有差要求。为了检验式(2)、式(3)的正确性，采用以下方法检验。距，用4个经验公式计算沙样I的临界不淤流速由大到小依次(1)利用式(2)、式(3)，对管径90、110mm下沙样1、2的为何武全公式、科诺罗兹公式、张英普公式、瓦斯普公式。不淤流速进行计算，得到44组不同含沙量临界不淤流速的计针对沙样2进行比较，结果与沙样1类似，临界不淤流速计算值与实验值均有差距，临界不淤流速由大到小依次为科诺算值的误差分布，见图11。罗兹公式、何武全公式、瓦斯普公式、张英普公式。沙样1中张由图10可知，误差超过5％的仅占6．82％，误差在3％以英普公式计算结果与实测值最接近，沙样2中(管径125mm除内的占61．36％，在2％以内的占34．09％。·139· 人民黄河2014年第8期堡茗}瓣堡琳#50速越小。依据试验成果，通过回归分析方法建立的黄河下游管3．0㈣栅0抛10：IIlIlhlII9一道输水临界不淤流速经验公式，经检验计算精度较高，能够满1．0足工程规划设计要求，可用于黄河下游引黄灌区管道输水灌溉一玉0—50lliII。工程规划设计。参考文献：[1]薄宏波，胡健，刘新兵，等．山东省引黄灌区节水灌溉的必要性与主要措施[J]水利科技与经济，2013(3)：1—3．[2]马文敏，蔡瑜，宋华栋．扬黄灌区管灌防淤塞试验研究[J]．干旱地区农业研究，2003，21(1)：l7—2O．[3]周长岩，孔庆丰，于英武．引黄灌区管道输送浑水灌溉技术研究[J]中国嘲圈冒一图农村水利水电，1994(12)：10—12．[4]王成福，孙久峰．大口径低压管道浑水灌溉的泥沙淤积问题[J]．人民黄河，1993(9)：36—37．实验组次[5]张中和．给排水设计手册(第6册)工业排水[M]．2版．北京：中国建筑工图l1管径125mm临界不淤流速计算值误差分布业出版社，2005．由图11可知，计算误差除1个超过5％外，其余均在5％[6]瓦斯普固体物料的浆体管道输送[M]．北京：水利电力出版社，1984以内。[7]何武全，王玉宝，张英普，等．浑水低压管道输水灌溉的试验[J]沈阳农业由上述分析看到，式(2)、式(3)有比较高的计算精度，可大学学报，2007，38(1)：98—101．[8]张英普，何武全，蔡明科，等．关于浑水管道输水系统临界不1淤流速2的试验3以用于黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速计算。研究[J]．灌溉排水学报，2004，23(6)：34—40．[9]安杰，宗全利，汤骅．低压输浑水管道I临界不淤流速的试验研究[J]．石河4结语子大学学报：自然科学版，2012，30(1)：83—86[1O]DurandR．BasicRelationshipsoftheTransportationofSolidsinPipes—Exper—临界不淤流速是浑水管道输水灌溉工程规划设计和运行imentalResearch[M]．Minnesota：ProcMinnesotaInternHydCony，1953．中的一个重要参数，影响临界不淤流速的主要因素是泥沙粒[11]ShookCA．PipeliningSolids：TheDesignofShortDistancePipelines[M]径、管径、泥沙含量。引黄灌区浑水管道输水时，在相同含沙Canada：Soe．Chen．En西n，1969量、相同管径情况下，泥沙粒径越大，临界不淤流速就越大；在[12]汪东，许振良，孟庆华．浆体管道输送临界流速的影响因素及计算分析管径、泥沙粒径相同的情况下，含沙量越大，临界不淤流速越[J]管道技术与设备，2004(6)：1—2．大；在泥沙粒径、含沙量相同的情况下，管径越大，临界不淤流【责任编辑许立新】■*·●0+-◆-◆*◆◆-◆。◆一◆一◆一◆一◆-◆。◆。◆。◆◆-◆”◆-◆0◆一-●_．_◆*◆_◆-◆*◆-◆-◆一◆-◆一◆·(上接第136页)学报，2008，39(5)：5l8—527．[3]史晓杰，万力，张永庭银北灌区土壤盐渍化形成机理与模拟研究[J]．水文李振玺，张万宝．宁夏引黄灌区渠道砌护对地下水位的影响[J]．人民黄地质工程地质，2007(6)：116—12o．河，2010，32(11)：81—83[4]严海霞，何文寿．宁夏银北灌区盐碱地改良与水稻种植技术探讨[J]．湖北张新宁，伍光林，姜文胜，等．宁夏沙地葡萄栽培配套技术应用研究[J]．林农业科学，2010，49(11)：2693—2708．业科学研究，2004，17(增刊)：39—46．[5]高红军，李生红，张源润，等宁夏银北灌区盐碱地造林技术[J]．宁夏农林冯瑞林，张新宁，王自新，等．宁夏贺兰山东麓沙荒地葡萄建园技术[JJ中科技，2008(6)：113—114．外葡萄与葡萄酒，2009(3)：40—42．[6]张俊华，贾科利，孙兆军宁夏银北地区盐化土壤改良成效研究[J]．干旱地李宏广，何文寿，段晓红，等．宁夏前进农场碱化土壤改良及水稻合理施肥区农业研究，2009，27(6)：232—235．技术研究[J]．西北农业学报，2009，18(5)：217—222[7]王吉智．宁夏土壤[M]．银川：宁夏人民出版社，1990．李定洲．银北种稻的系统思考[J]．宁夏农业科技，1984(2)：4—8．[8]宁夏国土开发整治管理局，宁夏水利科学研究所．北部片区盐碱地综合治张凤翔，任振西，王世荣．银北种稻初探[J]．宁夏农业科技，1984(4)：l6—17理与土地利用专题研究[R]．银川：宁夏国土开发整治管理局，2011[9]李聪敏，王彦兵．宁夏引黄灌区耕地土壤盐渍化现状及影响因素调查研究韩霁昌．陕西卤泊滩盐碱地综合治理模式及机理研究[D]西安：西安理_I[J]．地下水，2007，29(3)：41—44．大学，2009[10]胡春宏，陈绪坚，陈建国．黄河水沙空间分布及其变化过程研究[J]．水利【责任编辑许立新】·140·