提要：本文从黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料，并结合高含沙水流流变特性分析，得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同，均可用曼宁公式进行阻力计算；由于黄河泥沙组成较细，d50=0.03-0.10mm，随着含沙量的增加颗粒的沉速大幅度降低，泥沙在垂线上分布变得更加均匀，当含沙量大于200多kg/m3以后发生改变；从泥沙存在对水流结构，流速在垂线上的分布特性上分析，含沙量200kg/m3左右时输送最困难，并得到河道实测资料的证实。由于粘性的增大，粗颗粒泥沙在河道中也能顺利输送，洪水期实测含沙量可达800～900 kg/m3，表现出高含沙水流的高效输沙特性；黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3，在流量2000-3000m3/s时，高含沙洪水均可顺利输送。利用河道输送高含沙水流入海的主要障碍是改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽。
关键词：阻力特性；含沙量垂线分布；水流结构；输沙机理；黄河
引言
从水流挟沙能力的概念看，水流条件是主导，挟沙能力的大小由水流条件的强弱决定。然而在黄河洪水实测含沙量范围内，由于流体中细颗含量的增大，使得流体性质发生了变化，引起水流挟沙能力发生变化。在含沙浓度达到一定数值后，形成一种新的浆体，流体特性与挟沙能力均发生质的变化，泥沙的输移反而变得更加容易，只要克服阻力即可长距离顺利输送。黄河高含沙水流高效输沙特性就属于這种情况。
1.高含沙水流的阻力特性
在充分紊流区与清水阻力规律相同， 见表1给出的黄河小浪底水文站高含沙洪水与低含沙洪水阻力变化表明，在含沙量变化在55至843kg/m3的范围内，曼宁系数基本相同，其平均值高含沙洪水为0.041，低含沙洪水为0.039，表中高含沙洪水阻力略大于低含沙洪水的阻力的主要原因是流速仪本身性能造成的[1]，其阻力可用曼宁公式进行水力计算,减阻现象只发生在层紊流过渡，主要是阻力表达形式不合理造成的。
2. 含沙量变化对含沙浓度垂线上分布特性的影响
水流中含沙量的增大，细颗粒含量的增加，一方面引起流体粘性增加，另一方面使流体容重增大[2]。因而会使粗颗粒的沉速大幅度降低，甚至形成不分选泥浆。从黄河主要干支流，黄河下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口，渭河下游华县、华阴与北洛河下游朝邑9个水文站，共96组次实测流量、输沙率原始记录资料可知，在泥沙组成d50＝0.03～0.10mm时，相对水深0.2与0.8的测点含沙量的比值Ks=s0.2/s0.8与断面平均含沙量间的变化情况表明，在含沙量约在200kg/m3以下时，尽管水流的Fr很大，达0.2以上，但含沙量在垂线上分布仍不均匀，Ks值只0.4至0.8，详见图1。绘制图1的全部资料列入附表1，包括实测流量(Q)、断面平均水深(h)，平均流速(v)，平均含沙量(s)，相对水深0.2与0.8时的测点含沙量比值(Ks)与相应的测点流速比值(Kv)，断面平均的水流佛劳德数(Fr)，悬沙平均粒径(d50)，实测垂线数与总测点数(线/点), 可供进一步分析研究。
由图1可知，在含沙量小于200多kg/m3时，Ks值在0.4～0.9之间变化，含沙量在垂线上分布很不均匀；在含沙量大于300多kg/m3以后，含沙量在垂线上分布却变得很均匀，Ks值在0.9～1.0之间。在含沙量200kg/m3时，当乘Ks＝0.6时，底部含沙量约为333kg/m3；而在含沙量300kg/m3时，当乘Ks＝0.9，底部含沙量也为333kg/m3，由此可见垂线平均含沙量虽然由200kg/m3增加到300kg/m3，但底部含沙量并增加不显明，显示出黄河高含沙水流特性。造成上述悬沙分布特性的主要原因，是水流中含沙量的增加，引起流体的粘性大幅度增大和容重增加及水流紊动的共同作用结果。其中流体性质的变化对输移悬浮的影响可用下列方法分析。
当沉速选用斯托克斯公式，则清、浑水的相对沉速可写成：
式中w0和ws分别为泥沙颗粒在清水和浑水中沉速，rs和rm分别为泥沙颗粒的比重和浑水的容重。mr为浑水的刚度系数h和清水的粘滞系数的比值。随着含沙量的增加，mr值增大，颗粒在浑水中的沉速大幅度降低。当d50＝0.036mm, d<0.01mm的含沙量占20%时(相当于黄河平均泥沙组成)，计算给出平均泥沙组成和实测悬沙组成mr值的变化，和平均泥沙组成的含沙量与w0/ws值间的关系见表2。
从表中给出的计算成果可知，随着含沙量的增加，w0/ws值增大，颗粒在浑水中的沉速大幅度降低，在含沙量300kg/m3时，浑水中沉速仅是清水中沉速的1/3，含沙量700kg/m3时，为1/10。使得粗颗粒泥沙在高含沙水流中更容易悬移。以上计算分析结果与图1给出的实测垂线含沙量分布特性随含沙量的变化规律一致，均说明含沙量的增加会使泥沙颗粒沉速降低，含沙量在垂线上分布更均匀，输沙更容易。
3. 含沙量200kg/m3左右输送最困难
从表3给出的黄河下游艾山、泺口水文站实测含沙量在断面上的分布可知，在平均含沙量为200kg/m3时，临近河床底部的最大含沙量可达300kg/m3以上，此区的泥沙组成也较粗，dcp达0.04～0.05mm，较断面平均粒径0.03～0.04mm粗。从平均含沙量200kg/m3时垂线分布特性可知，表层只有130～140 kg/m3，底层达300kg/m3，相差一倍。因此引起水流粘滞性在垂线上分布的不均匀性，用公式计算结果表明，表层与底层的刚度系数相差近一倍，由此造成流速分布特性的变化。
图2是根据上述黄河水文站96组实测资料(附表1)点绘的相对水深0.2与0.8的测点流速比值Kv=v0.2/v0.8与含沙量间的点群关系表明，在含沙量小于200kg/m3时，随着含沙量增加，Kv值增大。Kv值由清水时的1.4到含沙量200kg/m3时增长到1.8。含沙量大于200kg/m3时，随着含沙量增加，Kv减小，在含沙量300～900kg/m3变幅内，平均Kv值为1.4，与清水时Kv值相同。Kv值在含沙量200kg/m3时最大，说明此时的流速在 垂线上分布最不均匀，与钱宁[3]、张瑞瑾的研究成果[4]，在含沙量200kg/m3时，卡门常数K值最小一致，若平均流速相同，作用在床面附近的流速值最小，而在含沙量大于300kg/m3以后， 垂线含沙量均匀分布与流速均匀分布的一致性，说明造成Kv值变化主要是含沙量分布特性造成的。以上分析表明，若以作用在床面附近流速大小分析，含沙量200kg/m3时底部流速最小，作用在床面上功率小，输送的水流条件最为不利。
赵文林对渭河高含沙洪水的输沙特性研究表明[5]，平均含沙量100～200kg/m3的洪水输沙情况，较含沙量大于200kg/m3的高含沙洪水，与含沙量小于100kg/m3的低含沙洪水所需的不淤流量都大，前者的不淤流量为800～1000m3/s，后者的不淤流量为大于500m3/s，也说明含沙量在200 kg/m3左右，输送最困难。
图5是万兆惠收集的黄河干支流及渠道挟沙水流资料[6],考虑水流中含沙量的增加，引起流体的粘性大幅度增大和容重增加对输沙影响, 挟沙水流的v3/hw值随着含沙量的增加而增加，含沙量大于200kg/m3 后，挟沙水流的v3/hw反而减小。研究结果也说明含沙在200kg/m3左右时输送最困难。
4.黄河高含沙洪水的高效输沙特性
从高含沙洪水的泥沙组成与黄土高原的泥沙组成比较可知，高含沙洪水的泥沙组成较黄土高原的黄土组成粗的多(前者的泥沙组成主要为0.04~0.10mm，甚至有0.1~0.3mm粗沙，而后者的泥沙组成主要为0.03~0.04mm)，且随着含沙量的增大泥沙组成变粗。造成上述差别的主要原因在于发生高含沙洪水期间，中游干支流的河床发生了较强烈的冲刷，前期河床中的粗沙淤积物随洪水挟带进入黄河下游，说明高含沙洪水有极强的输沙能力。
表4给出渭河、北洛河下游河道与黄河下游山东河段的特性，他们均具有窄深型河槽，随着流量的增加宽深比B/h减小。比降0.57 0/000～4 0/000 ，单宽流量2～6m3/m-s。实测资料分析表明北洛河、渭河下游窄深河槽具有极大的输沙能力。
对渭河、北洛河下游洪水期悬沙组成进行较全面的分析。其结果表明一般情况下，进入渭河、北洛河下游的泥沙组成较细，但主要高含沙洪水(如1964、1973、1977年)泥沙组成都较粗，这些场次的洪水在流量300~4000m3/s, 最大含沙量600~1010 kg/m3，d50为0.05mm~0.06mm, 在渭河、北洛河下游河道中均产生强烈的冲刷，说明了洪水挟带粗泥沙的能力。详见表5给出的实测资料[5、8]。由于河槽宽度不同，因此造成输沙的不淤流量的不同，北洛河流量300m3/s高含沙洪水则可不淤，渭河则要流量达到1000多m3/s。由此可见河宽的大小是控制不淤流量大小的主要因素。
从图1给出的渭河华县、华阴，北洛河朝邑站实测含沙量在垂线上分布资料可知，含沙量在329～894kg/m3范围，在流量108～3530m3/s，水深2～7m，流速0.9～2.4m/s，悬沙dcp=0.04~0.106mm，d90=0.084~0.36mm，d<0.01mm的含量在8.7%~22.9%范围内，看不出泥沙组成的粗细对垂线含沙量分布特性的影响，相对水深0.2与0.8处的测点含沙量比值Ks在0.87~0.99间变化，其中包括d90=0.36mm这样粗沙洪水。其实在冲积河流中随着含沙量的增大，泥沙组成变粗本身就已说明高含沙洪水的挟沙能力变化规律。
黄河高含沙洪水输移的高效输沙特性在水库中也表现的很明显。三门峡水库在1977年7、8月的两场高含沙洪水，在库区水面宽600~800m，水库严重壅水的情况下，坝前41.2km比降0.27 0/000 ~0.92 0/000，两场洪水的进出库的排沙比分别达到97%~99%，出库的最大含沙量分别达到589~911kg/m3，最粗的平均粒经达0.105mm，d90达到o.35mm。详见表5给出的有关资料[7]。说明粗泥沙在高含沙水流的情况下可以顺利输送。
5.黄河下游河道存在巨大的输沙潜力
黄河下游河道从铁谢至河口长800多公里，在其形成的漫长历史时期，流域的来水来沙及人类与黄河奋斗历史塑造了目前的河道形态 ，从而形成不同的河槽形态(河型)，也形成不同河段的演变特性与输沙特性，铁谢至高村长300km，比降2.7 0/000～1.7 0/000，为典型的游荡性河流，也称宽浅型；高村至陶城埠长165km，比降1.7 0/000～1.1 0/000，是过渡段；陶城埠以下至河口长约460km，比降1 0/000，为弯曲性河流，也称窄深型。
图6给出的历年含沙量最高的五场洪水平均含沙量沿程变化情况表明，在高村以上宽浅河段含沙量急骤降低，平均含沙量由220kg/m3至320kg/m3迅速降至80～150 kg/m3，艾山以下比降平缓的窄深河段经过300公里长的河道，含沙量不仅没有降低，反而略有增加，表现出“多来多排”的输沙特性。
黄河下游艾山以下河道比降0.0001，表6给出的1973、1977年3场含沙量较高的洪水，艾山至利津河段的输沙情况表明，以水流中含沙浓度变化表示的河段的排沙比在0.97～1.04，在流量3000m3/s时，最大含沙量200kg/m3的洪水，均可顺利输送。
含沙量的增加，虽有利于泥沙颗粒的悬浮，但为了保证高含沙水流的顺利输送，防止不稳定的阵流、间歇流的发生，必须控制高含沙水流在紊流状态输送。因此，在一定的河道条件下，存在着适宜输送的上限含沙量。
由于高含沙水流在在天然河道中均在充分紊流区与清水的阻力规律相同[1]，可用曼宁公式进行水力计算，因此可以用实测低含沙水流时的水深流速关系进行水力计算。山东河道不同流量时的水深流速见表7。
从表中给出的不同流量时的水深流速值可知，在流量相同时，利津站的水深最小，流速值最低。故采用利津站的水流条件作为输送高含沙水流的控制条件。
综上所述，目前的山东河道在流量2000～3000m3/s，不仅可以输送实测含沙量小于200 kg/m3的洪水，待含沙量增加到400～500kg/m3时，会更有利于输送，最大输送含沙量可控制在800kg/m3以内。
由于黄河下游河道上段宽浅(详见图7)，在洪水含沙量大时，河道输沙呈现“多来多排多淤”，主槽多来多排，边滩多来多淤。因此利用河道输送高含沙洪水入海的主要障碍是宽浅游荡河段，改造宽浅游荡河段为窄深稳定的河槽是问题的关键。
结论：
1. 河道中的高含沙水流均在充分紊流区，高含沙水流的阻力与低含沙水流相同，均可用曼宁公式进行阻力计算。由于含沙量的增加，水流粘性的增大，造成泥沙颗粒沉速大幅度的降低是造成黄河高含沙水流高效输沙的主要原因，而河床对水流的阻力并没有变化。
2. 由于黄河泥沙组成较细，d50=0.03-0.10mm，在河道中随着含沙量的增加，泥沙在垂线上分布变得更加均匀，当含沙量大于200kg/m3以后发生突变，粗颗粒泥沙在垂线上分布变得更加均匀。
3. 从泥沙存在对水流结构，流速在垂线上的分布特性上分析，含沙量200kg/m3时输送最困难，并得到河道实测资料的证实，黄河高含沙洪水具有高效输沙特性。
4. 黄河下游艾山以下河段实测洪水的最大含沙量为200kg/m3，由于黄河高含沙洪水具有高效输沙特性，在流量2000~3000m3/s时，小于800kg/m3的洪水均可顺利输送。利用河道输沙入海的主要障碍是宽浅游荡河段，将其改造成为窄深稳定的河槽是解决问题的关键之一。
参考文献
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[5] 赵文林，茹玉英. 渭河下游河道输沙特性与形成窄深河槽的原因.人民黄河，1994(3) .P1-4
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